Sálavé chladicí systémy (II)

5.2. TEPELNÝ KOMFORT

Sálavý přenos tepla mezi člověkem a okolím v porovnání s konvekčním přenosem se jeví výhodným jak z hlediska vytvoření tepelné pohody, tak z hlediska spotřeby energie.

Hodnotícím kriteriem pro tepelnou pohodu v prostoru je operativní teplota t_o, která respektuje kromě teploty vzduchu t_a i střední radiační teplotu t_r a rychlost proudění vzduchu w_a. Pro nízké rychlosti proudění (w ≤ 0,2 m/s) lze operativní teplotu nahradit výslednou teplotou t_g, měřenou kulovým teploměrem.

Z uvedeného vyplývá, že na tepelnou pohodu má výrazný vliv povrchová teplota okolních ploch. Při zachování úrovně tepelného komfortu lze tedy v prostoru se sálavým chlazením udržovat poněkud vyšší teplotu vzduchu, než je tomu u klimatizačních systémů s konvekčním přenosem tepla.

Asymetrie radiační teploty

Výměna tepla sáláním mezi člověkem a okolními stěnami by měla být rovnoměrná. Nerovnoměrnost osálání popisuje asymetrie radiační teploty Δt_pr, která je definována jako rozdíl mezi rovinnými radiačními teplotami t_pr1, t_pr2 dvou protilehlých ploch malého rovinného prvku. Do jaké míry je sálavý chladicí systém použitelný, aby nebyl překročen přípustný počet nespokojených osob z hlediska asymetrie radiační teploty (≤ 5%) je uvedeno v tabulce 1, kde jsou pro úplnost uvedeny i hodnoty pro sálavé vytápění.

Systém	Δtpr = tpr1 - tpr2
stropní sálavé chlazení	< 10 K
stěnové sálavé chlazení	< 14 K
stropní sálavé vytápění	< 5 K
stěnové sálavé vytápění	< 23 K

Tabulka 1 - Přípustné hodnoty asymetrie radiační teploty

Vzhledem k tomu, že povrchová teplota chladicích panelů je omezena rizikem kondenzace, není nutné se v takových případech asymetrie radiační teploty obávat. Z tabulky 1 je zřejmé, že problém asymetrie radiační teploty může nastat zejména při stropním sálavém vytápění. Povrchová teplota otopného stropu musí být omezena právě z tohoto hlediska.

Nebezpečí vzniku průvanu

V klimatizovaném prostoru s chladicím stropem a zdrojovým větráním lze předpokládat poměrně nízkou rychlost proudění vzduchu w_a v pásmu pobytu osob, zpravidla do 0,2 m/s. Tuto hodnotu prakticky nelze, při distribuci vzduchu zdrojovým větráním, překročit. V prostoru s chladicím stropem tedy vznik průvanu nehrozí.

Distribuce teploty vzduchu

Z hlediska dosažení optimálního rozložení teploty vzduchu v prostoru s chladicím stropem lze konstatovat, že v kombinaci se zdrojovým větráním jsou vertikální teplotní profily v místnosti (v pracovní oblasti) vyrovnané při izotermním přívodu vzduchu. Se zvyšováním chladicího účinku přiváděného vzduchu vlivem snižováním teploty přívodního vzduchu dochází k deformaci teplotních profilů. Na základě doporučených požadavků tepelné pohody [10] musí být pro sedící osobu rozdíl teploty vzduchu mezi úrovní hlavy (1,1 m nad podlahou) a kotníků (0,1 m nad podlahou) menší než 3 °C. V případě kombinace sálavého chladicího systému se zdrojovým větráním (pracovní rozdíl teplot do 3 K) je zmíněný požadavek dodržen.

5.3. ÚSPORY ENERGIE

Spotřeba energie je jedním z často diskutovaných témat, zejména v souvislosti s rostoucí cenou energie. Existuje mnoho autorů zabývajícími se tímto problémem, kteří jednoznačně poukazují na nízkou spotřebu energie sálavých chladicích (topných) systémů.

Vzhledem k tomu, že sálavé chladicí systémy pracují s poměrně vysokou teplotou chladicí vody (minimálně 16 °C), je možné využít zdrojů chladu s nižším potenciálem (vyšší teplotou). Mezi takové zdroje patří zejména využívání chladu ze zemského polomasivu (zemní výměníky, podzemní voda). Nízkopotenciální teplo lze získat například i z vodních toků. Z hlediska energetického se však zatím takovým využitím mnoho autorů nezabývá.

To, že je možné v prostoru se sálavým chladicím systémem (např. stropem) udržovat poněkud vyšší teplotu vzduchu než u systému s konvekčním přenosem tepla (při zachování stejné úrovně tepelného komfortu), má za následek i výraznou úsporu energie pro chlazení venkovního větracího vzduchu. Úspora energie závisí především na poloze, rozmístění a velikosti sálavých chladicích prvků v prostoru, což souvisí s dosaženou střední radiační teplotou.

6. HYDRAULICKÉ ZAPOJENÍ

Článek sice pojednává o chladicích sálavých systémech, nicméně sálavé panely lze využít samozřejmě i pro vytápění. Správnou funkci systému zajistí jeho hydraulické zapojení. Volba způsobu připojení závisí na funkčních a technických požadavcích.

Dvoutrubkový systém

Dvoutrubkové zapojení se používá v případech, kdy jsou sálavé panely určeny buď pro režim chlazení, nebo pro vytápění. Ve vyjímečných případech ho lze použít i pro kombinovaný provoz s tím, že dochází k přepínání režimu vytápění či chlazení. Většinou bývají panely zapojeny Tichelmannovým okruhem. Na obrázku 3 je znázorněno přímé napojení chladicích panelů se škrtícím ventilem.

Obrázek 3 - Schéma dvoutrubkového systému - přímé napojení panelů

Na obrázku 4 je vidět rovněž přímé napojení chladicích panelů, avšak se směšovacím uzlem na větvi panelů.

Obrázek 4 - Schéma dvoutrubkového systému - napojení se směšovacím uzlem

V případě nutnosti oddělení okruhu chladicích panelů od okruhu zdroje tepla např. z důvodu ochrany proti korozi se používá nepřímé napojení přes deskový výměník tepla.

Třítrubkový systém

Na obrázku 5 je znázorněn třítrubkový systém, který je složen z přívodního potrubí pro topnou a chladicí vodu a společného zpětného potrubí. Oba panely pak slouží buď pro vytápění, nebo pro chlazení.

Obrázek 5 - Schéma třítrubkového systému

Čtyřtrubkový systém

Klasický čtyřtrubkový systém je zobrazen na obrázku 6 a 7. Na obrázku 6 je zobrazen případ, kdy jedna část sálavých panelů slouží pouze pro vytápění a druhá část pro chlazení. Takovéto uspořádání je pouze ilustrativní a v praxi prakticky nereálné, neboť pro chlazení většinou chceme využít co možná největší plochu panelů. Na obrázku 7 je tedy znázorněn případ, kdy všechny panely v místnosti lze použít buď pro vytápění, nebo pro chlazení. V takovém případě dochází k přepínání mezi režimem chlazení a vytápění. Někdy se takovému systému říká přepínací.

Obrázek 6 - Schéma klasického čtyřtrubkového systému

Obrázek 7 - Schéma čtyřtrubkového systému - přepínací systém

V případě, že potřebná plocha panelů pro chlazení vychází vyšší než plocha panelů pro vytápění je možné využít zapojení dle obrázku 8. Jedna část panelů slouží buď pro vytápění, nebo pro chlazení (VCH). V případě požadavku na chlazení dojde navíc k přepnutí trojcestného ventilu (V2) a oba panely slouží pro chlazení (CH).

Obrázek 8 - Schéma čtyřtrubkového systému - přepínací systém

7. POUŽITÍ SÁLAVÝCH CHLADICÍCH SYSTÉMŮ

Použití klimatizačního systému se sálavými panely je určitým způsobem omezeno. Tato omezení v podstatě vyplývají z již zmiňovaných nevýhod systému.

Ve většině případů nelze chladicím stropem obložit celou půdorysnou plochu stropu. V praxi je možné počítat s obložením cca 50 - 70 %, což je základní omezení aplikace systému s chladicím stropem.

Použití chladicích stropů, vzhledem k jejich charakteristické vlastnosti (tj. odvod pouze citelného tepla), je prakticky vyloučené v prostorách s vysokou vlhkostí. Rovněž použití tohoto systému pro shromažďovací prostory, jakými mohou být např. koncertní sály, kina, či zasedací místnosti se jeví jako nevhodné, vzhledem k vysoké obsazenosti těchto prostor. Osoby pobývající v takových prostorech produkují teplo vázané ve vodní páře a navíc je nutné přivádět značné množství čerstvého vzduchu nuceným větráním. Takové množství vzduchu často postačuje i pro odvod celkové tepelné zátěže. Následující odstavce popisuji možnosti využití systému klimatizace v konkrétních budovách.

Administrativní budovy

Nejčastější a nejvýhodnější se jeví použití chladicích stropů pro kanceláře administrativních budov. Kanceláře v moderních budovách s významným podílem lehkých prosklených fasád, bývají často vybaveny kvalitním zasklením či stínícími prvky, které snižují tepelné zisky od sluneční radiace na přijatelnou hodnotu. Zanedbatelné však nejsou ani zisky od vnitřních zdrojů tepla, jakými mohou být např. elektrická zařízení (PC, kopírovací stroje, tiskárny) či osvětlení.

Centrální zónová klimatizační jednotka pracující se 100% čerstvého vzduchu pak přivádí do kanceláří pouze minimální požadované množství vzduchu pro osoby, které slouží zároveň pro odvod vázaného tepla.

Většinou bývá teplota přiváděného vzduchu do místnosti konstantní (izotermní přívod) a výkon chladicího panelu je regulován termostatickým ventilem. V některých případech je možné navrhnou panely pro skupinu místností (zónu) a vzduchový systém pak zajišťuje individuální úpravu prostředí každé místnosti.

Nemocnice

Použití systému se sálavými panely se v posledních letech osvědčilo pro nemocniční pokoje. Systém je vhodný především z následujících důvodů:

• zajištění teplotně stálého prostředí
• prakticky nehlučný systém
• nevyžaduje údržbu uvnitř prostoru
• nezabírá místo v místnosti
• možné použití i pro vytápění
• neznečišťuje prostor

Potrubní systém může být proveden ve dvou či čtyř-trubkovém provedení. Trojcestné směšovací ventily bývají umístěny v chodbě tak, aby jejich případná údržba byla prováděna bez obtěžování pacientů. Tento systém může být s výhodou používán také v nemocničních prostorách, kde pobývají mentálně postižení pacienti. V takovýchto prostorách je totiž požadováno minimální vybavení zasahující do prostoru, aby se předešlo možnému zničení zařízení či sebepoškození.

Průmyslové aplikace

Použití chladicích panelů v průmyslových budovách není tak časté, avšak i v této oblasti našly své uplatnění a to zejména v západní časti Evropy. Nároky na pohodu prostředí, a tím i tepelný komfort osob pracujících v průmyslu, se stále zvyšují a sálavé chladicí panely mohou být v tomto směru velmi účinným prostředkem. Zejména použití v laboratořích či v lehkém průmyslu se jeví jako výhodné.

Ostatní aplikace

Stropní panely mohou najít dále široké uplatnění např. v muzeích, letištních terminálech, vestibulech, atp. V poslední době se dostává do popředí zájmu i tzv. osobní větrání. Jedná se o větrání, kdy je přívod vzduchu uskutečňován pouze minimální dávkou čerstvého vzduchu, který je přiváděn přímo do dýchací zóny člověka. Taková dávka však nepostačuje k odvodu citelné tepelné zátěže prostoru, proto se systém přívodu vzduchu musí kombinovat s paralelně pracujícím chladicím systémem.

Kapilární systém je možné použít prakticky v jakékoliv budově. Nízká stavební šířka konstrukce s kapilárním systémem (cca 4 cm vč. izolace) umožňuje široké využití pro novostavby i rekonstrukce rodinných domů, či obecních budov. Navíc velká teplosměnná plocha systému s kapilárními rohožemi (v případě instalace na stěny, podlahy i strop) umožňuje upravovat tepelný stav prostředí při střední teplotě teplonosné látky blízké teplotě vzduchu v prostoru. Zmíněný fakt umožňuje využití nízkopotenciálních zdrojů tepla, či alternativních zdrojů energie.

8. ZÁVĚR

Se zvyšujícími se nároky na pohodu prostředí a tím i na tepelný komfort osob a zároveň se snahou o snížení spotřeby energie je nutné klást si otázku jak takových zdánlivě protichůdných požadavků dosáhnout. Sálavé chladicí systémy by mohly být v tomto směru účinným prostředkem. Sálavý způsob chlazení je výhodný i z dalších hygienických hledisek, neboť ho neprovázejí nežádoucí účinky jakými jsou hluk, nebo případný průvan.

Sálavé chladicí systémy (chladicí stropy) jsou moderním a relativně účinným klimatizačním systémem, který je v poslední době populární zejména pro novostavby v západní části Evropy. Investičně jsou však chladicí panely stále poměrně náročné. Pro své nesporné výhody, mezi které patří zejména zajištění tepelného komfortu bez vysokých nároků na spotřebu energie se však sálavé chladicí systémy začínají uplatňovat i u nás.

9. LITERATURA

[1] ASHRAE Handbook 1996 Systems and Equipment. 1996, Atlanta: ASHRAE. ISBN - 1-883413-35-4
[2] FANGER, P.O. Thermal comfort - Analysis and applications in enviromental engineering. 1972, Kingsport Press, Inc. ISBN 07-019915-9
[3] FERSTL, K., Klimatizačné zariadenia so sálavým chladením. TZB Haustechnik, Bratislava: 1999
[4] LAIN, M. HENSEN, J. Nízkoenergetické chlazení budov. In Klimatizace a větrání 2004. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2004, s. 239-244.
[5] MATUŠKA, T. Experimentální metody v technice prostředí. 2005: Nakladatelství ČVUT. ISBN 80-01-03291-4
[6] RECKNAGEL, H., SPRENGER, E., SCHRAMEK, E. Taschenbuch fur Heizung + Klimatechnik 94/95, 1995. ISBN 3-486-26213-0
[7] ZMRHAL V. Hodnocení tepelného komfortu v prostoru s chladicím stropem. In Vytápění, větrání, instalace, 2004, roč. 13, č. 4, s. 149-152.
[8] ZMRHAL V. Tepelný komfort a energetická bilance systému s chladicím stropem. 2005, Disertační práce, ČVUT.
[9] ZMRHAL V., DRKAL F., HENSEN J., LAIN, M. Možnosti využití nízkoenergetického chlazení v rekonstruovaných budovách. In SBTP 2004. Praha: IBPSA - CZ, 2004, s. 131-135.
[10] Nařízení vlády č. 523/2002 Sb., kterým se mění nařízení vlády č. 178/2001 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zaměstnanců při práci
[11] ČSN EN ISO 7726: 1993 Tepelné prostředí - Přístroje a metody měření fyzikálních veličin, ČSNI 1993
[12] ČSN EN ISO 7730: 1997 Mírné tepelné prostředí - Stanovení PMV a PPD a popis podmínek tepelné pohody, ČSNI 1997

Příspěvek byl napsán s podporou výzkumného záměru MSM 6840770011.