Teplovzdušné vytápění - teorie

Přenos tepla v hale sáláním střešního pláště

Teplovzdušné vytápění se potýká s jedním nepříjemným důsledkem fyzikálních zákonů a tím je fakt, že teplý vzduch vháněný do haly téměř vůbec neohřívá podlahu ale velmi dobře předává energii střešnímu plášti. Nechci na tomto místě zabřednout do aerodynamiky nízkých rychlostí a asi nemá cenu zde vysvětlovat pojmy jako je mezní vrstva a laminární proudění. Přesto se však pokusím problém objasnit. Dále uváděné informace přijměte tedy bez hlubšího odůvodňování. Jsem samozřejmě ochoten této oblasti zodpovědět jakýkoliv dotaz.

Pokud nemáme v hale nainstalováno podlahové vytápění, rozlévá se nám po podlaze studený vzduch od chladných stěn haly. Samotná podlaha se ochlazuje přenosem tepla do podloží. Těsně nad podlahou vzniká tenká vrstvička vzduchu, která se vůči podlaze téměř nepohybuje, tedy pokud není nahrazována ještě studenějším vzduchem, například od vrat. Vrstva vzduchu těsně nad zemí dokáže podlah velmi dobře izolovat od teplého vzduchu v hale. Je stabilní, to znamená že máme studený vzduch dole a teplý nahoře. Přenos tepla z ohřátého vzduchu v hale do podlahy obstarává pouze molekulární výměna a nikoliv turbulentní proudění.

Proud vzduchu z teplovzdušných agregátů po ní klouže a víceméně ji nijak nenarušuje. To platí pro nízké rychlosti vzduchu. Nízkou rychlostí je myšlen proud do 0,5 až 2 m/s ve výšce metr nad zemí. To záleží samozřejmě na teplotách v hale a úhlu. K rozhrnutí a odfouknutí potřebujeme buď vysokou rychlost a nebo srovnatelnou teplotu (jen o málo vyšší teplotu). Rychlé proudění v hale je nežádoucí z hlediska komfortu pracovního prostředí a v celém objemu je těžko realizovatelné. Mohou být samozřejmě na podlaze oblasti, které fénujeme, ale ty představují v horším případě zanedbatelné procento z celkové plochy, v lepším případě se nám je podaří nevytvořit.

Podchlazená spodní vrstva u podlahy se maximálně projevuje při roztápění haly, to znamená v době, kdy se snažíme vychladlou halu rychle vytopit na provozní teplotu. Pokud zvedneme teplotu vzduchu pod střechou a ohřejeme střešní plášť, začíná se situace měnit. Teplovzdušné vytápění začíná být podporováno sálavým přenosem energie.

Vrátíme se k hypotetickému pokusu v kapitole o teplotním zvrstvení.

Obrázek o nulové účinnosti topení v hale upravím a předpokládám, že vrchní plocha poklopu (červená) a dolní plocha vany (modrá) nejsou dokonale světlé předměty, ale chovají se jako normální tělesa.

Horní plocha nemá teplotu zdroje tepla, je mnohem studenější. Spodní plocha zase není tak studená jako je zdroj chladu. Horní plocha odebírá teplému vzduchu energii a předává ji spodní ploše a ta tuto energii dále předává chladnému vzduchu nad ní. Přenos energie mezi horní a spodní plochou obstarává sálání.

O teplotách a o proudění vzduchu se budu široce rozepisovat v následující kapitole. Nyní se budu věnovat pouze sálání. Je to elektromagnetické záření stejně jako světlo a nebo signál Vašeho mobilu. Od viditelného světla a neviditelné sítě se liší pouze vlnovou délkou. Předpokládám, že jeho existenci nemusím dále vysvětlovat, pokud máte nejasnosti o jeho původu a povaze, zapněte si ploténku elektrického vařiče na maximum a přiložte ruku několik centimetrů nad ní. Po jedné minutě dosáhne sálání intenzity slunečního toku. Každé těleso vyzařuje a zároveň pohlcuje elektromagnetické záření. Pokud je těleso teplejší než jeho okolí, více energie vysílá a jeho teplota klesá. Pokud je studenější, více energie pohlcuje než vyzařuje a jeho teplota stoupá.

Nyní budeme teplovzdušné vytápění posuzovat z aspektu kvality střešního pláště (aspekt = úhel pohledu). Pomocí příkladů vysvětlím projektanty a uživateli intuitivně tušenou skutečnost, že dobře izolovaná střecha šetří náklady na teplo. Rozdíly v kvalitě střechy hrají stejnou roli jako rozdíly v kvalitě vytápěcích systémů. Následující výpočty jsou zjednodušené a samozřejmě nevyjadřují plně realitu. Výsledky jsou však dostatečně přesné pro vytvoření konkrétní představy o probíhajících dějích.

Budu uvažovat tři haly stejných rozměrů. Stěny všech hal jsou také stejné, může se jednat například o vyzdívku, okna jsou dvojitá. První hala bude mít střešní plášť z polyuretanového sendviče bez světlíku. Druhá hala bude mít střechu z betonových kazet bez valné tepelné izolace a konečně třetí hala bude mít také na stropě kazety ale navíc má světlík z drátoskla. Střechy všech tří hal se liší pouze tepelnou izolací, infiltraci u střech neuvažuji, jako by byly dokonale utěsněné. Teplovzdušné vytápění je ve všech halách stejně „kvalitní“, jedná se o TVJ s teplotním rozdílem 30°K. Nasávají si vzduch o teplotě 20°C, vyfukují vzduch o teplotě 50°C. Infiltrace je třetinová a je stejná pro všechny tři haly. Společné parametry hal jsou dále přehledně uvedeny.

Rozměry haly: šířka x délka = 18 m x 60 m, výška 12 metrů, objem 13 000 m3.
Požadovaná teplota v pracovní zóně: 20°C ve výšce 1,5 metru nad podlahou, průměrná teplota v hale – předpoklad 25°C, předpokládám pod střechou teplotu 35°C. Venkovní teplota vzduchu - 15°C.
Infiltrace je stejná pro všechny haly: 0,33 x za hodinu, tedy 4 300 m3 za hodinu.
Výkon na pokrytí infiltrace = 4 300 m3 * 35°K * 0,33 = 50 kW.

Tepelná vodivost stěny, okna a vrata „k “ = 0,7 (průměrná hodnota zdí, oken a vrat).
Tepelné ztráty stěn, oken a vrat 1 870 m2 * 0,7 * 40°K = 50 kW.
Tepelná vodivost podlahy „k “ = 1,2 - teplota podlahy 15°C.
Tepelné ztráty podlahy - přibližně 1 080 m2 * 1,2 * 15°K = 20 kW.

Do haly se nám dostane studený vzduch netěsnostmi oken a vrat. Od studených stěn, oken a vrat se vzduch ještě k tomu ochlazuje. Jak ochlazený tak vyměněná vzduch skončí rozlitý na podlaze a je ho třeba ohřát. Teplovzdušné vytápění pomocí teplovzdušných jednotek s teplotním rozdílem 30°K vytváří modelové podmínky, kdy jsou tepelné ztráty podlahy kryty převážně sáláním střešního pláště. Nejedná se jenom o ztráty podlahy, ale těsně nad podlahou musíme ohřát i vzduch který nám do haly proniká infiltrací a který se ochladil od stěn, oken a vrat.

Obyčejně se teplovzdušné jednotky umisťují na stěny a to proto, aby si nasávali co nejstudenější vzduch, tedy ten co se do haly dostane infiltrací a ten co se od stěny zrovna ochlazuje. Předpokládám, že takto umístěné jednotky dokáží zachytit, nasát a ohřát polovinu infiltrovaného a ochlazovaného vzduchu. Trochu jim nadržuji, ale do toho počítám jednak vliv „fénování “, zázračné žaluzie a patentované hlavy, ale hlavně nepřetržitě pracující míchačky vzduchu. Hala s kvalitní střechou se bez nich obejde ale pokud vytápíme halu s nekvalitně izolovanou střechou a použijeme teplovzdušné jednotky, musíme nainstalovat a provozovat míchačky vzduchu.

Vlastní tepelné ztráty podlahy jsou 20 kW, studený vzduch musí podlaha dohřívat výkonem 50 kW. Do podlahy musí ze střešního pláště přicházet celkem 70 kW tepelného výkonu. Zjednodušeně mohu uvažovat, co vysálá střecha, to pohltí podlaha. Pro výpočty potřebuji ještě zadat „černost“ střechy a podlahy. Této „černosti“ se říká emisivita povrchu tělesa a dokonale lesklé bílé těleso ji má rovnu 0, dokonale tmavé těleso ji má naopak rovnu 1. Dokonale „šedé“ těleso se nám hodí, a tak počítám s emisivitou 0,5. Zajímám se dále o to, o kolik °C musí být střešní plášť teplejší než podlaha, aby dokázal podlaze předat potřebné množství energie, tedy konkrétně 70 kW. Množství energie vyzařované tělesem určuje Stefan-Boltzmanův zákon. Jeho tvar pro výpočet vyzařovaného tepla je:

QS = C0 * e * (T /100)4 * S

QS [W] teplo vyzařované povrchem tělesa, tedy podlahou respektive stropem
C0 [W/m2K4] součinitel sálavosti, je roven 5,77
e [1] emisivita povrchu tělesa, zvolili jsme průměr, tedy 0,5
T [°K] absolutní teplota tělesa (0°C = 273,15°K)
S [m2] plocha podlahy a stropu je stejná a to 1 080 m2

U podlahy známe všechny parametry, určili jsme, že její teplota je o 5°C nižší než průměrná teplota pracovní zóny, tedy 15°C. V absolutní hodnotě 288°K. Množství vyzářené energie podlahou označím QS1 a můžu ho vypočítat. Potřebné množství energie vyzařované střešním pláštěm je označené QS2 a musí platit, že QS1 = QS2 – 70 000 W. Dosazená teplota T2 byla vypočtena v tabulce metodou očekávání a zklamání a tak zde neodvozuji další, ještě složitější vzorce.

QS1 = C0 * e * (T1/100)4 * S = 5,77 * 0,5 * (288/100)4 * 1 088 = 214 kW
QS2 = C0 * e * (T2/100)4 * S = 5,77 * 0,5 * (309/100)4 * 1 088 = 284 kW

T1 [°K] absolutní teplota podlahy
T2 [°K] absolutní teplota střechy

Potřebná teplota střešního pláště pro naše teplovzdušné vytápění je 309°K, tedy 36°C. Je nutné zajistit pod střechu přísun vzduchu o teplotě 40°C. Naše uvažované teplovzdušné jednotky s výstupní teplotou 50°C to bezpečně zvládnou. Nyní se budeme věnovat našim třem halám a zkusíme vypočítat tepelné ztráty jejich střech. Tepelné ztráty stěn jsou stejné a to 50 kW, v případě první haly je to reálná hodnota, u druhé a třetí haly výrazně optimistické.

„A“ Kvalitní sendvičová střecha bez světlíku

Tepelná vodivost střešního pláště „k “ = 0,25.
Tepelné ztráty střechou 1 080 m2 * 0,25 * 55°K = 15 kW
Celkové ztráty (střecha, stěny, podlaha) 15 kW + 50 kW + 20 kW = 85 kW.
Roční náklady na palivo (ZP) pro pokrytí tepelných ztrát konstrukce haly 60 000,- Kč.

„B“ Střecha z betonových kazet bez světlíku

Tepelná vodivost střešního pláště „k “ = 1,00.
Tepelné ztráty střechou 1 080 m2 * 1,00 * 55°K = 60 kW.
Celkové ztráty (střecha, stěny, podlaha) 60 kW + 50 kW + 20 kW = 130 kW.
Roční náklady na palivo (ZP) pro pokrytí tepelných ztrát konstrukce haly 120 000,- Kč.

„C“ Střecha z betonových kazet se světlíkem z drátoskla

Tepelná vodivost střešního pláště „k“ = 1 - na ploše 700 m2.
Tepelná vodivost světlíku „k“ = 6 - na ploše 500 m2.
Tepelné ztráty střechou 700 m2 * 1,00 * 55°K = 40 kW.
Tepelné ztráty světlíkem 500 m2 * 6,00 * 50°K = 150 kW.
Celkové ztráty (střecha, stěny, podlaha) 190 kW + 50 kW + 20 kW = 260 kW.
Roční náklady na palivo (ZP) pro pokrytí tepelných ztrát konstrukce haly 240 000,- Kč.

Tepelný výkon na pokrytí tepelných ztrát stěn, oken a vrat a tepelný výkon na pokrytí infiltrace je sice u všech hal stejný, ale tím, že musíme nejdříve ohřát střechu aby sáláním dodala energii podlaze a ta nám vlastně teprve tento výkon realizuje, tak tímto přenosem, respektive ohříváním střechy vyvoláváme daleko vyšší potřebu tepelného výkonu a tím zároveň zvyšujeme roční náklady na vytápění. Důležitost izolace střešního pláště u hal kde je namontované teplovzdušné vytápění tak nabývá na významu, stejně jako vlastní hodnota infiltrace a izolace ostatních částí konstrukce haly.

Důležité výsledky z předchozích příkladů jsou v první části tabulky. V druhé části jsou hodnoty, jenž by vykazoval systém, který by zajistil dvakrát lepší účinnost vytápění v dané hale. U haly „A“ je to čirá fantazie, pro halu „B“ by to byla „bomba“, pro halu „C“ nejenže takové zařízení nalezneme celkem snadno, ale velmi rychle se nám zaplatí. V posledním řádku jsou částky, jenž by nám toto kvalitnější vytápění ročně ušetřilo.

Uvažovaná hala Tepelný výkon - ztráty konstrukce Náklady na pokrytí ztrát konstrukce	„A“ 85 kW 60 000,- Kč	„B“ 130 kW 120 000,- Kč	„C“ 260 kW 240 000,- Kč
Parametry hal s vytápěcím systémem, jenž dvakrát zlepší účinnost vytápění v hale:
Tepelný výkon - ztráty konstrukce Náklady na pokrytí ztrát konstrukce Roční ušetřená částka - amortizace	45 kW 30 000,- Kč 30 000,- Kč	65 kW 60 000,- Kč 60 000,- Kč	130 kW 120 000,- Kč 120 000,- Kč

V praxi budou u druhé a třetí haly tepelné výkony na pokrytí ztrát stěn a na infiltraci mnohem větší a tedy i větší budou náklady na vytápění, mnohem větší bude částka na amortizaci kvalitního vytápěcího systému. Uvedené rozdíly mezi halami berte opravdu jenom jako vliv střechy, více komentář.

„A“ Kvalitní sendvičová střecha bez světlíku

U této haly vcelku vůbec nezáleží na kvalitě vytápěcího systému. Roční náklady na vytápění vlastní haly se výrazně nezvýší, i kdybychom si doprostřed haly nainstalovali velká krbová kamna. Kvalita haly do značné míry eliminuje nedostatky jakkoli nekvalitního vytápěcího systému. Pokud Vás někdo přesvědčuje, že Vám v této hale dokáže ušetřit 50% nákladů na vytápění, je to rozený optimista. I kdyby se mu to však podařilo, roční úspora je minimální a tudíž návratnost této investice je za horizontem lidského života. Pokud vybíráme vytápěcí systém pro moderní, dobře zateplenou halu a nepotřebujeme vzduchotechniku, můžeme požadavky seřadit takto:

1. Vzhled, barva, estetický dojem, hlučnost, emise, komfort, zahraniční kvalita a podobně.

2. Nízká cena systému je stejně výhodná jako minimální náklady na údržbu.

3. Životnost je vzhledem k malému využití systému většinou dostatečná.

4. Kvalita systému z hlediska účinnosti vytápění haly je to poslední co rozhoduje.

„B“ Střecha z betonových kazet bez světlíku

Na kvalitě vytápění haly začíná záležet. Kromě vlastních ztrát konstrukcí dokáže většinou kvalitní vytápěcí systém snížit vlastní infiltraci haly a tak jsou rozdíly ještě zřetelnější. Pokud nakupujete teplo za cenu vyšší jak 250,- Kč za GJ, je na místě zvažovat investici do moderního vytápění. Takováto hala větrá většinou velmi dobře, pokud tedy nepotřebujeme do haly vzduchotechniku, můžeme požadavky na vytápěcí systém seřadit takto:

1. Hospodárnost, pozitivní vliv na účinnost vytápění v hale a nízké náklady na údržbu.

2. Cena systému s ohledem na roční provozní náklady – nutno optimalizovat.

3. Životnost systému s ohledem na předpokládanou životnost vlastní haly.

„C“ Železobetonový skelet se světlíkem z drátoskla

Na kvalitě vytápěcího systému záleží nejvíc. Takovouto halu totiž nekvalitním systémem většinou vůbec nedokážeme vytopit. Pokud je tedy venku – 15°C a požadujeme v pracovní zóně 20°C. Nekvalitní systémy od venkovní teploty – 5°C běží většinou téměř nepřetržitě a přitom nestíhají halu vytápět. Kvalitní systém efektivně snižuje teplené ztráty konstrukce a většinou nám dokáže velmi významně snížit i vlastní infiltraci. Nechci moc předbíhat, ale taková hala je vytopitelná většinou jenom pomocí zářičů a i zde hodně záleží na jejich kvalitě.

Kromě vlivu na účinnost vytápění je dalším faktorem pro výběr systému jeho provozní spolehlivost a životnost. Systém by neměl mít životnost omezenou technickým řešením, musí zastarat a být přitom funkční. Není tedy možné, aby výrobce předpokládal životnost 6 000 hodin a dodavatel kalkuloval, že ročně systém naběhá 1 200 hodin a tudíž je životnost 5 let. Pokud totiž systém namontujete do takovéto haly, může Vám zařízení naběhat 3 000 hodin za rok a tudíž je jeho životnost velmi krátká. Požadavky na vytápěcí systém jsou takovéto:

1. Maximálně pozitivní vliv na účinnost vytápění v hale bez ohledu na cenu systému.

2. Životnost systému, garance na zařízení, výrobek nesmí být spotřebním materiálem.

3. Cena systému by neměla moc rozhodovat, pokud tedy halu nechcete do tří let opustit a zařízení vyhodit.

Čím má hala lepší izolační vlastnosti a menší přirozenou infiltraci, tím může být topení v hale horší, tedy méně hospodárné.

V následující kapitole se budu věnovat přirozenému proudění vzduchu v hale a vlivu vytápěcího systému na toto proudění. Rozhodujícím faktorem pro snížení ztrát budovy a pro zvýšení účinnosti vytápění v konkrétní hale je právě vliv vytápěcího systému na cirkulaci vzduchu v hale. To platí jak pro teplovzdušné vytápění, tak pro sálavé vytápění hal. Sálavé vytápění hal bude probráno v samostatných kapitolách.