OTOPNÁ TĚLESA Rozdělení otopných těles Stejně jako celé soustavy vytápění, tak i otopná tělesa dělíme na lokální tělesa a tělesa ústředního vytápění. Lokální tělesa přeměňují energii v teplo a toto předávají do vytápěné místnosti, ve které jsou umístěny. Otopná tělesa ústředního vytápění předávají teplo z topného média, přičemž teplo vzniká v centrálním zdroji mimo vytápěné místnosti. V této kategorii rozlišujeme podle způsobu předávání tepla otopná tělesa konvekční a sálavá. 1. Lokální tělesa Podle paliva rozdělujeme tato tělesa na elektrická přímotopná a akumulační, dále tělesa na spalování plynných, kapalných a pevných paliv. 2. Konvekční tělesa Podle konstrukčního provedení se rozlišují otopná tělesa článková, desková, trubková a trubková se zákrytem (konvektory). Předávání tepla probíhá převážně konvekcí (prouděním ohřívaného vzduchu kolem otopné plochy tělesa) a částečně sáláním (hlavně čelních rovných ploch). Článková otopná tělesa Jednotlivé články jsou tvořeny jednak výlisky z ocelového plechu, jednak odlitky ze šedé litiny, nebo z hliníkových slitin. Všechny typy článkových otopných těles se vyrábí v omezeném počtu typů a velikostí ale lze je sestavovat z libovolného počtu jednotlivých článků, které jsou vzájemně spojeny pomocí vsuvek s vnějším pravolevým závitem. Konstrukce článkových těles z ocelových plechů je řešena tak, že jsou vzájemně svařeny dva výlisky, které tvoří kanálky. U litinových a hliníkových těles jsou spojeny dva odlitky. Jsou rozlišeny dva tvary: členěné – charakterizované sloupky po výšce spolu nespojené spojité – což jsou desky s hladkým povrchem a různě tvarovanými kanálky. Počty kanálků či sloupků se liší u jednotlivých typů podle hloubky článku.
U litinových a hliníkových těles se setkáme s rozšířenou přestupní plochou, kterou tvoří např. šikmá žebra umístěna v mezerách mezi sloupky nebo podélná žebra na předním sloupku. Ocelová článková tělesa se používají pouze v teplovodních soustavách. Jsou levnější, mají kratší životnost a větší požadavky na kvalitu vody.
Litinová otopná tělesa mají dlouhou životnost a mohou se používat v teplovodních i nízkotlakých parních soustavách. Tělesa ze slitin hliníku využívají dobrou tepelnou vodivost materiálu a možnosti snadněji rozšiřovat přestupní plochu tělesa. Vzhledem k velkému výkonu i vodnímu obsahu jednotlivých článků nejsou tyto typy otopných těles vhodné pro moderní soustavy vytápění. Připojení těles na rozvodné potrubí se provádí z pravé nebo levé boční stravy. Klasický způsob připojení na stěnu je pomocí konzol a držáků.
Desková (panelová) otopná tělesa Na trhu je mnoho typů a tvarů. Přední plocha bývá téměř rovná s mírným zvlněním nebo zcela rovná. Jejich předností je relativně malá hloubka. Tělesa jsou vyráběna jako jednořadá, dvouřadá nebo třířadá. Pro zvýšení tepelného výkonu je u některých typů přivařena rozšířená přestupní plocha.
Jednotlivé desky jsou tvořeny z lisovaného ocelového plechu s horizontálními a vertikálními prolisy, které tvoří topné kanálky. Jsou vyráběna v široké rozměrové škále. Tělesa mají relativně malý vodní objem a tím umožňují pružnou reakci otopné soustavy na potřebu tepla v místnosti a účinnou termoregulaci. Také proto se jejich používání v poslední době velmi rozšířilo.
Připojení těles na rozvodné potrubí se provádí z pravé nebo levé boční stravy, z pravé, levé nebo střední spodní stravy.
Pro připojení tělesa na stěnu je s každým tělesem dodávána speciální upevňovací sada. Aby bylo zajištěno správné sdílení tepla konvekcí, je nutné osazovat tato tělesa min. 50 mm od stěny.
Trubková otopná tělesa Tato tělesa jsou tvořena trubkovým registrem nebo trubkovým hadem, a to buď vodorovným nebo svislým. Ke zvětšení přestupní teplosměnné plochy bývají s trubkou spojena žebra různého tvaru. K tomuto typu patří registry z ocelových trubek hladkých a žebrových. Velký počet výrobců těles nabízí speciální konstrukce různých tvarů a provedení jako tzv. koupelnové žebříky. Některé druhy se dodávají s přídavnou sadou pro elektrické vytápění. Tepelný modul trubkových otopných těles hladkých je malý. Jsou vhodné do místností sociálního zařízení, chodeb, vstupních hal apod.
Konvektory Je to prakticky uzavřená plechová skříň. Ve spodní části je umístěn výměník tepla z ocelových trubek opatřených žebry nebo lamelami s malou tloušťkou stěny. Výměníky se liší počtem trubek a použitým materiálem (ocel, hliník měď). Vrchní část je kryta mřížkou. Tepelný výkon je závislý na velikosti výměníku a výšce skříně. Konvektory jsou vyráběny jako klasická otopná tělesa pro umístění na stěnu nebo jako podlahové. Proudění ohřívaného vzduchu přes výměník může být přirozený nebo nucený pomocí ventilátoru. Při tomto typu lze výkon regulovat i změnou výkonu ventilátoru. Používají se pod plně zasklenými stěnami, které přiléhají až k podlaze.
Výměník
konvektor podlahový
stěnový
lavicový
Dekorativní tělesa
Většinou se jedná o formu trubkových registrů různých profilů a tvarů. Mohou se instalovat v interiérově náročných prostorách, koupelnách, wellness centrech apod.
Tepelný výkon konvekčních otopných těles Pro výpočet tepelného výkonu otopných těles platí vztah QT = k . S . (θm – θint,i) kde
[W]
k je součinitel prostupu tepla stěnou tělesa S plocha povrchu tělesa θm střední teplota topného média θint,i výpočtová vnitřní teplota místnosti
Hodnoty k a S jsou dány výrobcem podle typu tělesa. Výkon daného typu otopného tělesa nebo výkon 1 článku udává tabulkově výrobce tělesa. Tyto výkonové tabulky jsou stanoveny pro určité parametry a to pro vnitřní teplotu obvykle 20 °C a teplotní spád vody 75/65 (starší tabulky 90/70). Napojení na rozvod se předpokládá klasický, tj. přívod topné vody v horní části a výstup vratné vody v dolní části tělesa, u těles deskových typ Ventil kompakt a koupelnových trubkových těles i zdola. Těleso je zkoušené bez krytu a parapetu, v nejvhodnějším uložení nad podlahou pod ochlazovanou plochou. Skutečný výkon tělesa se přepočítává na konkrétní provozní podmínky. Přepočet výkonu tělesa je nutný v těchto případech: • • • • • •
navržený teplotní spád vody je odlišný od teplotního spádu, pro který je návrhová tabulka sestavena teplota vzduchu v interiéru je odlišná od teploty vzduchu, pro níže je výkonová tabulka sestavena těleso bude opatřeno zákrytem, který sníží jeho výkon těleso bude osazeno jinak, než předepisuje výrobce (například v malé výšce pod parapetem) těleso bude na rozvod napojeno netradičním způsobem (přívod topné vody v dolní části tělesa, vratné potrubí v dolní nebo horní části tělesa), což opět snižuje jeho skutečný výkon u článkových otopných těles s velkým počtem článků (nad 12 článků) se s rostoucím počtem článků snižuje skutečný výkon tělesa oproti výkonu teoretickému (vycházejícímu z výkonů jednotlivých článků násobenému jejich počtem)
Qot = QN . fΔt . fm(δt) . fx . fo . fn . fp kde
skutečný tepelný výkon otopného tělesa, tj. ten, který potřebuji předat do vytápěného prostoru [W] QN jmenovitý tepelný výkon otopného tělesa ve W z tabulek výrobce. Většinou je to výkon měřený ve zkušebně při teplotních parametrech 75/65/20 °C) fΔt opravný součinitel na teplotní rozdíl [-] fm (fδt) opravný součinitel na odlišný hmotnostní průtok teplonosné látky, případně odlišné ochlazení [-] fx opravný součinitel na připojení tělesa [-] fo opravný součinitel na úpravu okolí [-] fn opravný součinitel na počet článků [-] fp opravný součinitel na umístění tělesa v prostoru [-] Qot
Opravný součinitel na teplotní rozdíl fΔt Přepočet tepelného výkonu na jiné teplotní podmínky tzn. na teplotní podmínky lišící se od jmenovitých (tabulkových) hodnot. Přepočet závisí na součiniteli c
kde
tw1 vstupní teplota topné vody [°C] tw2 výstupní teplota topné vody [°C] θint,i Vnitřní výpočtová teplota místnosti [°C]
(
a) pro c ≥ 0,7 platí m
teplotní exponent tělesa [-] z tabulek výrobce nebo, pokut není známo, tak podlahová otopná plocha desková otopná tělesa trubková koupelnová otopná tělesa článková otopná tělesa konvektory bez ventilátoru konvektory s ventilátorem
ΔtN
)
n = 1,10 n = 1,26 až 1,36 n = 1,20 až 1,30 n = 1,22 až 1,30 n = 1,30 až 1,50 n = 1,05 až 1,20
teplotní rozdíl z měření jmenovitého výkonu, např. pro hodnoty 75/65/20 °C je ΔtN = 50 K
(
b) pro < 0,7 platí
)
Opravný součinitel na odlišný hmotnostní průtok fm, případně na odlišné ochlazení fδt by měl určit vždy výrobce. Tyto opravné součinitele se víceméně týkají především konvektorů a hlavně pak podlahových konvektorů. Opravný součinitel na připojení otopného tělesa fx
Platí hlavně pro otopná tělesa článková a pro desková tělesa typu KLASIK, která jsou připojena ze strany. Za jmenovité připojení otopného tělesa se považuje připojení jednostranné shora - dolů. Při tomto připojení je fx = 1. Hodnoty opravného součinitele pro L/H < 3 podle ČSN 06 1101.
fx = 1,00
fx = 0,90
fx = 1,00
fx = 0,78
fx = 0,85
Opravný součinitel na úpravu okolí fo Při použití zákrytu tělesa (okrasné mřížky apod.) Otopná tělesa konvekční předávají teplo hlavně konvekcí (prouděním) i sáláním. Zakrytím (např. okrasnou mřížkou) stavíme proud vzduchu překážku a sálání zčásti nebo zcela zakryjeme. Ovlivňujeme tím i tepelný výkon tělesa a to následovně. B+40 B
B+40 B
B
fo = 0,96
fo = 0,92
B
B
B/2
B min. 70
kovová deska
min. 40
B
B
fo = 0,87
fo = 0,90
fo = 0,85
fo = 1,10
Používání zákrytů otopných těles plných nebo s prolisy a s otvory pro vstup a výstup vzduchu apod.
0,5
0,6
opravný činitel fo
Umístění tělesa pod parapetní deskou – pro desková otopná tělesa má vzdálenost horního okraje tělesa od spodního okraje parapetu nemalý vliv na jeho výkon. Na grafu lze vidět snížení výkonu jednotlivých typů deskových otopných těles v návaznosti na výšku parapetu nad otopným tělesem. U vícedeskových těles je vhodné proto instalovat alespoň s mírou větší než 150 mm.
0,7
0,8
0,9
0
0
typ 33 typ 22
20 40 60 80 výška perapetu nad tělesem (mm) typ 21 typ 10 typ 11
100
Opravný součinitel na počet článků fn U otopných těles článkových je udáván výkon z měření 10–ti článků. Z téhé hodnoty je potom odvozem výkon 1 článku (tepelný modul). U těles s méně než deseti články se bude výkon zvyšovat a u těles s více jak deseti články zase snižovat. Průběh opravného součinitele na počet článků fn u článkových otopných těles lze zjistit ze vztahu
(
) kde n je navrhovaný počet článků tělesa
Opravný součinitel na umístění tělesa v prostoru fp fp = 1,00
fp = 0,95
fp = 0,90
Nejvhodnější umístění tělesa v místnosti je vždy pod okno nebo k ochlazované stěně. Jestliže umístíme těleso na neochlazovanou boční stěnu nebo na protilehlou stěnu změní se rozložení teplot v prostoru a také výkon tělesa. Opravný součinitel na umístění otopného tělesa v prostoru pro všechny druhy otopných těles vyjma podlahových konvektorů (platí pro ti = 5 až 24 °C)
Umístění konvekčních otopných těles Proudění chladného a teplého vzduchu je dáno především umístěním ochlazovaných ploch tzn. obvodových stěn, oken a venkovních dveří a na umístění a velikosti otopných těles. Chladný vzduch, který proudí do prostoru místnosti spárami v oknech klesá k podlaze a tím vytváří poměrně velkou oblast lokální tepelné nepohody. Tím že otopné těleso umístíme pod okno, ohřátý vzduch od tělesa stoupá nahoru, sráží chladný proud a obrací jeho tok vzhůru. Dalším zdrojem chladu je chladné sálání okenní výplně. Pokud umístíme těleso pod zdroj tohoto chladu, bude jeho chladné sálání kompenzováno sáláním tepla z tělesa. Z toho vyplývá, že je nezbytné umisťovat otopná tělesa vždy pod okno a délku tělesa volit přinejmenším stejnou jako je šířka okna. Pokud tuto délku nemůžeme dodržet, volíme délku minimálně 2/3 šířky okna.
Špatně umístěné těleso
Dobře umístěné těleso
Určení vhodné velikosti konvekčních otopných těles Výkon otopného tělesa závisí na jeho konstrukčních parametrech, na střední teplotě topného média a na požadované teplotě vytápěné místnosti. Tepelný výkon se stanoví ze vztahu Q = k . S . (θm – θint,i) [W] Výkon tělesa, jeho velikost a umístění v místnosti musí splňovat požadavky na dosažení požadovaného mikroklimatu v místnosti. Při novém návrhu otopného tělesa je vhodné vycházet z délky otopného tělesa. Určíme teplotní spád a požadovaného výkonu tělesa dosáhneme volbou různých typů (hloubkou tělesa - jednoduché, zdvojené nebo ztrojené deskové těleso, a různou výškou tělesa) s různě řešeným rozšířením přestupní plochy. Podle výše uvedených pravidel je postup při návrhu následující:
délka otopného tělesa má pokrývat celou šířku okna (kompenzace chladných padajících proudů). LOT ≥ LOK součin průmětné čelní plochy tělesa a rozdílu mezi střední teplotou otopného tělesa a vnitřního vzduchu se musí nejméně rovnat součinu plochy okna s rozdílem teploty vnitřního vzduchu a teploty povrchu okna LOT . HOT . (θOT – θint,i) ≥ LOK . HOK . (θint,i – θOK) V případě, že je délka tělesa rovna šířce okna platí zjednodušený vztah HOT . (θOT – θint,i) ≥ HOK . (θint,i – θOK)
Z této rovnice vyjádříme střední teplotu otopného tělesa θOT ≥ θint,i .(1+ HOK / HOT) - θOK .HOK / HOT kde θint,i je vnitřní teplota vzduchu [°C] θOT povrchová teplota okna na vnitřní straně [°C] HOK výška okna (ochlazovaného otvoru ve stěně) [m] HOT výška otopného tělesa [m] Povrchovou teplotu okna určíme z rovnice θOK = θint,i . (1 – UOK / αi,OK) + θe . UOK / αi,OK
kde UOK je součinitel prostupu tepla okna udávaný výrobcem [W.m-2 . K-1] αi,OK součinitel přestupu tepla na vnitřní straně okna [W.m-2 . K-1] (uvažujeme αi,OK = 8) θe venkovní výpočtová normová teplota [°C]
Takto vypočtenou povrchovou teplotu θOK dosadíme do předcházejícího vzorce a určíme střední teplotu otopného tělesa θOK. Na základě této hodnoty volíme nejvhodnější tepelný spád na tělese (tzn. teplotní spád otopné soustavy) tak, že střední teplota je i průměrnou teplotou teplotního spádu soustavy. Teplotní spád se volí max. 20 K, nejlépe 10 až 15 K, přičemž přívodní teplota topného média nesmí přestoupit hodnotu 75 °C pro objekty bytové a občanské výstavby.
Tepelný výkon navrženého otopného tělesa musí být nejméně roven tepelné ztrátě místnosti QOT ≥ ΦT
Protože již máme určenou výšku tělesa HOT a jeho délku LOT, dosáhneme potřebného tepelného výkonu tělesa volbou typu (jeho hloubky).
3. Sálavá otopná tělesa Do této skupiny patří otopné plochy: -
zabudované do stavební konstrukce jako podlahové, stěnové, stropní; samostatná sálavá tělesa jako sálavé panely, sálavé podhledy a lokální tělesa – infrazářiče.
Ve zkratce uvedeme alespoň dva typy sálavého vytápění Podlahové vytápění Pro vytápění místností v rodinných a bytových domech se používá převážně vytápění podlahové. Otopná plocha je součástí stavební konstrukce. Podlahovým vytápěním můžeme dosáhnout téměř ideálního teplotního profilu ve vertikálním směru i rovnoměrné teploty v celé ploše místnosti. Nevýhodou je velká tepelná setrvačnost, nehodí se pro přerušovaný provoz vytápění. Podlahové vytápění není schopné rychlé regulace odběru tepla. Z hygienických a fyziologických hledisek lze tyto maximální povrchové teploty upřesnit: 26-27 °C místnosti a pracovní prostory, kde osoby převážně stojí 28-29 °C obytné místnosti, administrativa 30 °C chodby, předsíně, galérie 33 °C koupelny, kryté bazény 35 °C okrajové zóny, oblasti s řídkou návštěvností hodnoty: obytné plochy 29 °C pro okrajové plochy 35 °C Prakticky se tepelný výkon 1 m2 využitelné plochy podlahy uvažuje cca 80 až 100W. Jako podlahové krytiny jsou nejvhodnější krytiny s vyšší tepelnou vodivostí. K takovým patří keramická dlažba či desky s přírodního nebo umělého kamene, PVC, dřevěné krytiny s tloušťkou do 8mm. Použít lze i jiné krytiny, jejich odpor kladený při přestupu tepla však nesmí překročit hodnotu 0,15 m2K/W. Stěnové vytápění Ve vztahu k mikroklimatu vytápěné místnosti má stěnové vytápění obdobné přednosti jako vytápění podlahové. Stěny místnosti jsou tepelně aktivovány pomocí stěnových topných registrů umístěných pod omítkou. V místnosti se stěnovým vytápěním se minimalizuje cirkulace vzduchu. Vyrovnání teplot stěn působí příznivě na lidský organismus.
Teplota povrchu stěny v obytných místnostech nemá přesáhnout 35 °C. U prefabrikovaných elementů stěnového vytápění se maximální teplota topné vody uvádí 45 °C. Oproti podlahovým teplovodním systémům se systémy stěnové vyznačují rychlou reakcí na regulační zásah a menším objemem topné vody. Jejich použití však klade zvýšené požadavky na vhodnou ochlazovanou stavební konstrukci-stěnu. Stěnové vytápění se montuje zásadně na vnitřní stranu vnější (obvodové) stěny, na vnitřní stranu stěny přilehlé k terénu a jen výjimečně na stěny vnitřní. Existují dva druhy podlahového, stěnového a stropního vytápění: - teplovodní systémy podlahového vytápění, teplonosným médiem je nízkoteplotní topná voda o teplotě přívodu do 50 oC. - elektrické s použitím elektrických kabelů, rohoží nebo folií. Sálavé panely a podhledy Tělesa jsou zavěšena pod stropní konstrukcí. Topným médiem je teplá nebo horká voda a pára. Panely se skládají z modulů o šířce 150 mm a délce od 2 do 6 m. Moduly jsou tvořeny ocelovou trubkou DN 20–DN 25, která je zalisovaná do hliníkového plechu tl. 1 mm. Do trubek je přivedeno topné médium. Moduly se spojují do o tělesa o max. šířce 1200 mm a za sebou do délky podle potřeby. Stropní vytápění pomocí sálavých panelů pro průmyslové, obchodní, společenské a sportovní objekty, vhodné pro celoplošný ohřev hal nižších a středních výšek i pro průmyslové haly s prašným (včetně výbušných nebo hořlavých prachů) prostředím. Základní předností těchto sálavých panelů je velmi rychlá a snadná montáž, spojování jednotlivých panelů. 150
trubka DN 25
Al plech 1 mm
n x 150
tep. izolace
2000 - 6000
Podobným systémem je tvořen sálavý podhled. Tělesa jsou tvořena kazetami, které mají vhodnější design pro použit í např. v hotelových nebo kongresových halách.
Infrazářiče V nabídce jsou dva typy plynových zářičů – tmavé a světlé. Tmavý plynový zářič je infračervený zářič, kde spalováním směsi plynu se vzduchem vzniká teplo. Spaliny proudí sálavou trubkou, kterou ohřejí. Z povrchu sálavé trubky je potom předáváno teplo převážně ve formě záření. Jakmile dopadne infračervené záření na pevnou plochu, je absorbováno a přitom dochází k ohřátí osálaného povrchu (podlaha, stěny, zařízení). Z něho je teplo předáváno do okolí sáláním a prouděním. Trubice se vyrábějí buď ve tvaru U nebo I. Teplota povrchu při vstupu spalin se pohybuje okolo 500°C, na výstupu pak 180 ÷ 220 °C. Střední teplota je tudíž cca 350 °C. Zářič je zpravidla zavěšen pod stropem vytápěného prostoru, příp. na stěně. V podstatě se skládá z hořáku, ventilátoru, sálavé trubky a odrazové plochy (reflektoru). Tmavé zářiče mají ve srovnání s konvekčním vytápěním tu výhodu, že vnitřní teplota vzduchu je nižší a přitom teplota vnímaná člověkem v pracovní zóně je, díky sálavé složce, velmi příjemná.
Světlé plynové zářiče mají činnou otopnou plochu tvořenou keramickými destičkami. Teplota povrchu se pohybuje okolo 900 °C.
Činná sálavá plocha je tvořena keramickou destičkou, na jejím povrchu probíhá přímé spalování plynného paliva. Destička má speciální povrchovou úpravu, díky které je dosažen vysoký emisní součinitel jejího povrchu. Předmísením paliva se spalovacím vzduchem probíhá v injektoru – plyn si přisává potřebné množství vzduchu bez použití nuceného přívodu vzduchu. Dokonalé promísení paliva se vzduchem probíhá ve směšovací komoře, která zároveň rozvádí hořlavou směs ke keramickým deskám.
V deskách jsou vylisovány válcové otvory, kterými prochází plynová směs na vnější povrch desky, na němž probíhá spalování. Tepelné sálání z povrchu desky je usměrněno reflektorem ve tvaru pláště komolého jehlanu. Spaliny odcházejí do okolního prostoru a ohřívají svým citelným teplem prostor pod stropem objektu. Je nutné účinné větrání s odvodem spalin do vnějšího prostoru.
