Návrh otopných těles a tepelná pohoda
Autor je předním odborníkem v oboru vytápění a metodika návrhu otopných těles je jednou z jeho specialit. Ve svém článku, určeném především pro projektanty, porovnává klasický způsob návrhu s moderní metodikou. Ta upřednostňuje především tepelnou pohodu uživatele.
Návrh otopných těles, který vznikl před více než 100 lety a který neodpovídá dnešním požadavkům, označme přívlastkem klasický. Tento klasický návrh otopných těles zohledňuje tepelnou pohodu uživatele v menší míře než nový způsob návrhu, který označíme jako návrh v plné míře zohledňující tepelnou pohodu uživatele. Porovnání obou návrhů ukazuje tab.1.
Tab.1 Porovnání návrhů otopných těles
Rychlost a směr proudění ve vytápěném prostoru jsou závislé především na umístění ochlazovaných ploch (stěny obvodového pláště, okna) a na umístění a velikosti otopných ploch. Pokud máme např. těleso umístěno pod oknem u ochlazované stěny, zabrání chladným padajícím proudům dostat se až k podlaze a vytvořit tak poměrně velkou oblast lokální tepelné nepohody. Teplé konvekční proudy od tělesa stoupají vzhůru, narážejí na chladné padající proudy, obracejí je a směšují se s nimi. Tyto smíšené proudy pak s vhodnou rychlostí proudění i teplotou "proplachují" celý vytápěný prostor. Principiální zobrazení tohoto děje vidíme na obr. 1. Takto zobrazené proudění je pouze v oblasti délky otopného tělesa.
Nemalý vliv má na tepelnou pohodu složka sálavá. Jaký měrný tepelný tok, ať už kladný či záporný (= "chladné sálání"), je v oblasti otopného tělesa či v celém vytápěném prostoru vysálán, ukazuje obr. 2. K měrnému sálavému tepelnému toku (intenzitě sálání) je rovněž přiřazen odpovídající pokles či nárůst výsledné směrové teploty. Jak je patrné z obrázku, je u podlahového vytápění oblast s teplotou o -3 K a o + 1 K oproti teplotě v oblasti tepelné pohody (v obr. 2 značeno 0 K odpovídá -5 až 5 W/m2) podstatně větší. Oblast s účinkem sálání větším jak - 25 W/m2 , což odpovídá odchylce teploty o více jak -3 K, už považujeme za oblast výrazné tepelné nepohody.
Pro zjištění chladných proudů a chladného sálání je důležitou hodnotou povrchová teplota. Povrchová teplota okna se součinitelem prostupu tepla k = 1,5 W / m2 K ( při vnější výpočtové teplotě -12 °C ) bude pouze 14 °C. Vzhledem k této nízké teplotě, o 6 K nižší než je vnitřní výpočtová teplota vzduchu 20 °C, vzniknou na okenní ploše 2 x 1,5 m chladné padající proudy ( 60 m3/h s rychlostí 0,3 m/s ) působící v oblasti podlahy. Rychlost proudění 0,3 m/s působí velmi nepříznivě. Nejvýše přípustná hodnota rychlosti proudění v pásmu pobytu lidí je pro sedící osoby 0,25 m/s (SRN - 0,2 m/s). Také teplota 14 °C chladné okenní plochy bude z hlediska tepelného sálání působit značně nepříznivě ( "chladné sálání" ). Většinou existuje u využívaných prostor vždy oblast z hlediska tepelné pohody nevyhovující. Tato oblast je označována oblastí přechodného pobytu.
U vytápěných budov, které jsou tepelně technicky provedeny podle nové normy
(ČSN 73 0540 - 1 až 4) se dosahuje nižšího rozdílu teplot vnitřního vzduchu a okna. Přesto je i zde úkolem projektanta kompenzovat chladné sálání okna do vytápěného prostoru, stejně jako proudění chladného vzduchu.
Pro omezení padajících chladných proudů od okenní plochy je nutné umístit otopné těleso vždy pod okno a délku otopného tělesa volit přinejmenším stejnou jako délku okna.
Dále je třeba splnit podmínku, aby výška otopného tělesa spolu s jeho teplotou byla v relaci k výšce a povrchové teplotě okna (při rovnosti délky okna a otopného tělesa). Je-li okno např. 1,2 m vysoké a odpovídá-li mu rozdíl teplot 7 K ( obr. 3 ), musí být u otopného tělesa o výšce 0,4 m dosaženo rozdílu teplot 21 K ( tj. povrchová teplota otopného tělesa je 41 °C ).
Teplota vstupní vody do otopného tělesa závisí pak na zvoleném ochlazení vody v otopném tělese, které se pohybuje od 10 do 25 K. S novým tepelně technickými vlastnostmi budov je nevhodné zatvrzele zůstávat u teplotního spádu 90 / 70 °C, ale vzhledem k velikosti otopných těles je nutné projektovat nižší teplotní spády. Rovněž je možné dle potřeby volit různý teplotní spád jednotlivých otopných těles.
Vhodné umístění otopného tělesa ukazují obrázky 4 a 5. Na obr. 4 je průběh rychlostí ve vertikální rovině vytápěné místnosti vedené na začátku otopného tělesa, které je umístěno pod oknem (v obr. okno není zakresleno, přestože je jeho vliv v simulaci postižen). Vektory rychlostí ukazují, jak se chladný padající proud mísí s teplým konvekčním proudem stoupajícím vzhůru od tělesa a je jím strháván vzhůru a zároveň do stran od roviny řezu. Obr. 5 zobrazuje ideální kompenzaci chladných proudů ve vertikální rovině řezu vedené v poloviční délce otopného tělesa. Je patrné, že veškeré chladné proudy se obrací vzhůru, mísí se s teplým proudem vzduchu a proplachují s vhodnou rychlostí proudění vytápěný prostor. Obr. 6 ukazuje rozložení vektorů rychlostí v bezprostřední blízkosti obvodové stěny s oknem, pod kterým je instalováno otopné těleso.
Padající chladné proudy od obvodové zdi na stranách otopného tělesa jsou částečně strhávány nad těleso a zbylé, které proudí na podlahu vytápěné místnosti mají vzhledem k dostatečnému R (m2.K/W) stěny podstatně nižší rychlosti, než jsou přípustné hodnoty vzhledem k dodržení pohody prostředí. Obrázky byly získány matematickou simulací celého děje programem Fluent. Je vhodné vycházet z délky otopného tělesa, poté z teplotního spádu a příslušného tepelného výkonu dosahovat volbou např. jednoduchého, zdvojeného či ztrojeného deskového otopného tělesa s různě rozšířenou přestupní plochou, čím se mění hloubka otopného tělesa.
| Klasický návrh | Návrh zohledňující v plné míře tepelnou pohodu uživatele |
|---|---|
| Určení teplotního spádu na tělese tw1/tw2 |
Navržení tělesa pod okno v jeho plné délce (kompenzace chladných padajících proudů) LOT ≥ LOK |
| Přednostní umístění tělesa pod okno v jeho 80% délce LOT = 0,8.LOK |
Kompenzace "chladného" sálání okna a chladných padajících proudů určením střední teploty tělesa HOT.(tOT - tI) ≥ HOK.(tI - tOK) => tOT |
| Pokrytí tepelné ztráty QOT ≥ Q |
Volba teplotního spádu na tělese s respektováním vypočtené střední teploty tělesa tOT tw1/tw2 |
| Pokrytí tepelné ztráty volbou výšky a hloubky tělesa QOT ≥ Q |
 Obr. 1 Proudění vzduchu ve vytápěném prostoru s otopným tělesem u ochlazované stěny |
 Obr. 2 Oblasti kladného a záporného sálavého účinku a jemu odpovídající přírůstek a úbytek výsledné směrové teploty ve vytápěném prostoru (čísla po obvodu obrázku jsou uváděna v metrech) |
Pro zjištění chladných proudů a chladného sálání je důležitou hodnotou povrchová teplota. Povrchová teplota okna se součinitelem prostupu tepla k = 1,5 W / m2 K ( při vnější výpočtové teplotě -12 °C ) bude pouze 14 °C. Vzhledem k této nízké teplotě, o 6 K nižší než je vnitřní výpočtová teplota vzduchu 20 °C, vzniknou na okenní ploše 2 x 1,5 m chladné padající proudy ( 60 m3/h s rychlostí 0,3 m/s ) působící v oblasti podlahy. Rychlost proudění 0,3 m/s působí velmi nepříznivě. Nejvýše přípustná hodnota rychlosti proudění v pásmu pobytu lidí je pro sedící osoby 0,25 m/s (SRN - 0,2 m/s). Také teplota 14 °C chladné okenní plochy bude z hlediska tepelného sálání působit značně nepříznivě ( "chladné sálání" ). Většinou existuje u využívaných prostor vždy oblast z hlediska tepelné pohody nevyhovující. Tato oblast je označována oblastí přechodného pobytu.
 Obr. 3 Umístění otopného tělesa ve vytápěném prostoru |
Pro omezení padajících chladných proudů od okenní plochy je nutné umístit otopné těleso vždy pod okno a délku otopného tělesa volit přinejmenším stejnou jako délku okna.
Dále je třeba splnit podmínku, aby výška otopného tělesa spolu s jeho teplotou byla v relaci k výšce a povrchové teplotě okna (při rovnosti délky okna a otopného tělesa). Je-li okno např. 1,2 m vysoké a odpovídá-li mu rozdíl teplot 7 K ( obr. 3 ), musí být u otopného tělesa o výšce 0,4 m dosaženo rozdílu teplot 21 K ( tj. povrchová teplota otopného tělesa je 41 °C ).
Teplota vstupní vody do otopného tělesa závisí pak na zvoleném ochlazení vody v otopném tělese, které se pohybuje od 10 do 25 K. S novým tepelně technickými vlastnostmi budov je nevhodné zatvrzele zůstávat u teplotního spádu 90 / 70 °C, ale vzhledem k velikosti otopných těles je nutné projektovat nižší teplotní spády. Rovněž je možné dle potřeby volit různý teplotní spád jednotlivých otopných těles.
Vhodné umístění otopného tělesa ukazují obrázky 4 a 5. Na obr. 4 je průběh rychlostí ve vertikální rovině vytápěné místnosti vedené na začátku otopného tělesa, které je umístěno pod oknem (v obr. okno není zakresleno, přestože je jeho vliv v simulaci postižen). Vektory rychlostí ukazují, jak se chladný padající proud mísí s teplým konvekčním proudem stoupajícím vzhůru od tělesa a je jím strháván vzhůru a zároveň do stran od roviny řezu. Obr. 5 zobrazuje ideální kompenzaci chladných proudů ve vertikální rovině řezu vedené v poloviční délce otopného tělesa. Je patrné, že veškeré chladné proudy se obrací vzhůru, mísí se s teplým proudem vzduchu a proplachují s vhodnou rychlostí proudění vytápěný prostor. Obr. 6 ukazuje rozložení vektorů rychlostí v bezprostřední blízkosti obvodové stěny s oknem, pod kterým je instalováno otopné těleso.
 |
 |
 |
| Obr. 4 Zobrazení vektorů rychlostí proudění vzduchu ve vertikálním řezu místností na počátku otopného tělesa. wmin = 0,25.10-2 m/s, wmax = 0,2 m/s | Obr. 5 Zobrazení vektorů rychlostí proudění vzduchu ve vertikálním řezu místností uprostřed délky otopného tělesa. wmin = 0,041.10-2 m/s, wmax = 0,54 m/s | Obr. 6 Zobrazení vektorů rychlostí proudění vzduchu ve vertikálním řezu místností bezprostředně před oknem. wmin = 0,94.10-2 m/s, wmax = 0,44 m/s |
Padající chladné proudy od obvodové zdi na stranách otopného tělesa jsou částečně strhávány nad těleso a zbylé, které proudí na podlahu vytápěné místnosti mají vzhledem k dostatečnému R (m2.K/W) stěny podstatně nižší rychlosti, než jsou přípustné hodnoty vzhledem k dodržení pohody prostředí. Obrázky byly získány matematickou simulací celého děje programem Fluent. Je vhodné vycházet z délky otopného tělesa, poté z teplotního spádu a příslušného tepelného výkonu dosahovat volbou např. jednoduchého, zdvojeného či ztrojeného deskového otopného tělesa s různě rozšířenou přestupní plochou, čím se mění hloubka otopného tělesa.
