Vykurovanie a chladenie budov je v súčasnosti dôležitou témou v odborných kruhoch, ako aj pre širokú verejnosť. Dôraz je najmä na energetickú náročnosť, inštalačné náklady a v neposlednom rade na tepelnú pohodu. Trend neustáleho zvyšovania cien energií môžeme pozorovať najmä na zvýšených nárokoch na tepelnoizolačné vlastnosti stavebných konštrukcií budov. Medzi možnosti zníženia energetickej náročnosti obytných budov patrí aj správna voľba technológie na vykurovanie, chladenie a prípravu teplej vody.
Odlišné vykurovacie systémy majú rôzny podiel konvekčnej a sálavej zložky. To má za následok rôznorodosť teplotných profilov, a teda priamo vplývajú aj na kvalitu prostredia z hľadiska komfortu a tepelnej pohody. Pre efektívne vykurovanie je teda najvhodnejšie zvoliť vykurovací systém s minimálnym teplotným gradientom v horizontálnom aj vertikálnom smere.
Čo je to teplotný gradient a jeho význam pri vykurovaní?
Teplotný gradient je fyzikálna veličina, ktorá opisuje zmenu teploty vzhľadom na zmenu vzdialenosti alebo polohy v danom priestore. Často sa používa na meranie rýchlosti zmeny teploty v prostredí. Jednotkou teplotného gradientu je bežne Kelvin na meter (K/m) alebo Celsius na meter (°C/m).
Teplotný gradient je dôležitým konceptom v rôznych vedeckých oblastiach, vrátane fyziky, geofyziky, meteorológie, geografie a iných, kde sa skúma tepelné správanie a prenos tepla v rôznych prostrediach. Obvykle sa vzťahuje na zmenu teploty vzhľadom na zmenu vzdialenosti alebo polohy v danom priestore. Avšak, existujú aj prípady, kedy sa teplotný gradient môže vzťahovať na zmenu teploty vzhľadom na čas. Je dôležité si uvedomiť, že závislosť teplotného gradientu od času môže byť komplexná a závisí od konkrétneho systému a podmienok.
Hodnota horizontálneho aj vertikálneho teplotného gradientu patrí zároveň k faktorom lokálnej tepelnej pohody. Jeho hodnota sa teda sleduje pri posudzovaní kvality a komfortu prostredia.
Princíp a výhody sálavého vykurovania
Sálavý spôsob vykurovania predstavuje modernú alternatívu ku klasickým technológiám. Unikátnosť sálavého vykurovania spočíva v dodávaní tepla priamo do pracovnej zóny. Pri klasických technológiách sa najvyššia teplota vzduchu v uzavretom priestore vždy akumuluje v najvyššom bode priestoru, teda pod stropom. Tento priestor však neumožňuje najoptimálnejšie využitie tepla a teplota vzduchu vo vykurovaných priestoroch je vždy vyššia ako pocitová teplota. Naopak, pri sálavom vykurovaní je teplota vzduchu v takto vykurovaných priestoroch vždy nižšia ako pocitová teplota.
Tepelná pohoda v miestnostiach môžeme označiť za funkciu viacerých premenných, medzi ktoré patria objektívne faktory, a to teplota vzduchu v interiéri, rýchlosť prúdenia vzduchu, vlhkosť vzduchu, teplota konštrukcií a rovnako aj subjektívne faktory, ako metabolická aktivita a tepelný odpor oblečenia. Teplotou miestnosti sa obvykle mieni teplota vnútorného vzduchu. Tá je však len druhotným prejavom pôsobenia inej a určujúcej podstaty a tou je priestorové tepelné žiarenie.
Teplota vzduchu sa iba doťahuje, s väčším či menším oneskorením, na teplotu priestorového žiarenia. Výnimkou je len vzduchová vrstva v blízkosti povrchov stien, stropov a podlahy v hrúbke cca 1 dm, v níž teplota vzduchu prechádza od teploty povrchu k teplote priestorového tepelného žiarenia. Teplota priestorového tepelného žiarenia je však vždy, aj v tesnej blízkosti stien, rovnaká, ako uprostred miestnosti.
Tepelné žiarenie stien, stropu, podlahy a ďalších plôch v miestnosti sa zmieša za vzniku priestorového tepelného žiarenia, ktoré nás obklopuje a vyvoláva v nás pocit tepla, chladu alebo pohody. Na teplotu priestorového tepelného žiarenia sa po chvíli dorovná aj vzduch; teplota vzduchu je teda odvodená, nie nezávislá veličina. Tepelnému žiareniu sa hovorí tiež fotónový plyn. Zvyšné dva teplonosné deje, prúdenie a vedenie tepla, sa v interiéroch dominantne uplatňujú iba na malé a mikroskopické vzdialenosti, od cca decimetrov k nule. V takých miestach nemôže zdieľaná tepla medzi protiľahlými stenami prebiehať prúdením, ani vedením. Oba deje totiž vyžadujú nenulový teplotný gradient, ktorý sa v týchto miestach nekoná. Inými slovami, bez ohľadu na to, ako rýchlo prúdi vzduch pozdĺž stien, je celkový tok tepla medzi protiľahlými stenami jednoznačne určený len sálavou rovnicou bez vodivostných a prúdiacich príspevkov.
Sálavé vykurovacie a chladiace systémy, využívajúce podlahové, stropné, či stenové odovzdávacie prvky, sú nízkoteplotný typ vykurovania, veľmi efektívny a účinný, ktorý rýchlo reaguje na regulačný podnet. Ich hlavnou výhodou je skutočnosť, že na prevádzku postačuje relatívne nízka teplota vykurovacej vody v zimnom období, resp. vysoká teplota chladiacej vody v lete. Preto sú vhodné predovšetkým na aplikáciu vo vykurovacích a chladiacich systémoch využívajúcich obnoviteľné zdroje energie.
Jednou z výhod je schopnosť samoregulácie systému, pričom sa so zvyšujúcim rozdielom medzi povrchovou teplotou a teplotou vzduchu v miestnosti zvyšuje výkon. Rovnako medzi výhody patria aj malé distribučné straty a účinnosť výroby tepla. V režime chladenia relatívna vyššia teplota povrchu umožňuje vyššiu účinnosť zdroja.
Znižovanie potreby tepla v dome
Dynamika sálavého vykurovania
Predstavme si prázdnu miestnosť v pôdoryse 4×5 m a výške 3 m, ktorej steny, podlaha aj strop majú na začiatku testu teplotu 0 °C. Ak ohrejeme jednu z plôch, napríklad strop plochy 20 m2, na teplotu 30 °C, tepelné žiarenie sa začne šíriť do priestoru. Najpomalšie, v čase desiatok minút alebo hodín, sa prehrejú steny a podlaha; ich prehrievanie je tým pomalšie, čím vyššia je ich tepelná kapacita, t.zn. schopnosť akumulovať teplo. S tým, ako rastú povrchové teploty plôch, bezprostredne vzrastá aj teplota priestorového tepelného žiarenia tSP.
Pokiaľ chceme mať vnútornú teplotu na úrovni len 20 °C, musíme teplotu stropu postupne znižovať až na 24,5 °C. Strop býva prázdny, nezaplnený nábytkom a kobercami, čo je pre sálavé vykurovanie ideálne. Pohľadové stropné obloženie je možné navrhnúť tak, že je kontaktne ohrievané vykurovacou fóliou alebo vykurovacími rúrkami, čím po spustení dochádza ihneď k ohrevu stropu. Štartovaciu teplotu stropu je možné voliť vyššiu tak, aby sa priestorová teplota žiarenia priblížila požadovanej hodnote (cca 20 °C). S tým, ako sa ohrievajú steny a podlaha, znižujeme teplotu stropu, aby priestorová teplota zostávala na stálej, požadovanej hodnote.
Typická miestnosť má strop, podlahu a štyri steny. Niektoré z nich oddeľujú vonkajšie prostredie, iné potom susedné temperované miestnosti. Na vonkajších konštrukciách bývajú okná. Počet kvalitatívne rozdielnych konštrukcií, ktoré ohraničujú miestnosť, tak môže byť sedem, osem aj viac. Ich celková plocha však musí súhlasiť s plochou obálky miestnosti. Je potrebné poznať alebo odhadnúť emisivity všetkých rozdielnych ohraničujúcich plôch. Teploty nevykurovaných stien sa potom ustália tak, aby každá stena prijímala z vnútorného prostredia presne to isté sálavé teplo, ktoré prechádza vedením stenami von do vonkajšieho prostredia.
Vplyv sálavého vykurovania na rozloženie teplôt a tepelnú pohodu
Majoritný vplyv na dosiahnutie tepelnej pohody má práve rozloženie teplôt vzduchu. Vykurovací systém, ktorý dokáže vytvoriť uniformné a rovnomerné rozloženie teplôt je z hľadiska komfortu najvýhodnejší. Poučka hovorí, že je nám príjemne (cítime tepelnú pohodu), keď je súčet teploty vzduchu a teplôt stien v miestnosti cca 40 °C. Tepelná pohoda teda nastáva, keď je teplota priestorového tepelného žiarenia 20 °C.
Experimentálne porovnanie teplotných gradientov sálavých systémov
Pre vytvorenie rovnakých okrajových podmienok pre meranie teplotných profilov rôznych vykurovacích systémov prebiehalo meranie v termostatickej komore. Meranie sa realizovalo v termostatickej komore pre skúšanie a vyhodnocovanie výkonu vykurovacích telies a konvektorov podľa normy EN 442 časť 2. Dĺžka komory je 4 ± 0,02 m, šírka 4 ± 0,02 m a výška 3 ± 0,02 m. Tepelnú stratu miestnosti vytvárala ochladzovaná stena, tvorená suchým sálavým systémom. Simulovali sa tak podmienky miestnosti, s jednou stenou, za ktorou je exteriér. Za zvyšnými stenami, stropom, aj podlahou sa nachádza vykurovaný interiér. Tepelná strata takejto miestnosti by sa mala pohybovať na úrovni do 600 W.
Ako zdroj tepla sa pri jednotlivých vykurovacích systémoch používa: podlahové vykurovanie - mokrý systém, stropné vykurovanie - suchý systém a podlahový konvektor. Na meranie tepelnej pohody v termostatickej komore sme použili zariadenie ComfortSense od spoločnosti Dantec Dynamics. Meracie členy zariadenia spĺňajú normy EN 13 182, ISO 7726 a ISO 7730. Zariadenie je navrhnuté pre vývoj a výskum vykurovacích, chladiacich a vetracích systémov, pomocou viacbodového merania teploty a rýchlosti vzduchu. Pre meranie teplotných profilov v interiéri sa použili tri meracie členy označené: T1 (vo výške členkov, 0,1 m od zeme), T2 (vo výške ťažiska tela, 1,1 m od zeme) a T3 (vo výške hlavy, 1,7 m od zeme). Pre rozsah meraných teplôt je nepresnosť meracích členov garantovaná ± 0,2 °C.
Pri experimentálnom meraní teplotných gradientov rôznych vykurovacích systémov, pri zachovaní rovnakých okrajových podmienok, môžeme vidieť rozdielne teplotné gradienty najmä vo vertikálnom smere. Kým u sálavých systémoch teplotný gradient neprevýšil hodnotu 0,6°C medzi úrovňou členkov a hlavy, vertikálny teplotný gradient pri podlahovom konvektore predstavoval až 2,5°C. Práve veľkosť vertikálneho teplotného gradientu je jedným z faktorov lokálnej tepelnej nepohody a nemala by presahovať hodnotu 2,0°C.
Dôležité je zistenie, že so zvyšujúcim sa rozdielom teplôt ΔT (rozdielu priemernej povrchovej teploty a teploty vzduchu vo výške 0,6 m) sa zvyšuje teplotný gradient. Medzi jednotlivými systémami však badať viditeľné rozdiely. Pri podlahovom systéme je tento rozdiel menší, najväčší rozdiel je pri stropnom systéme, kde sa gradient zvyšuje najviac. Podlahové vykurovanie má najmenšiu závislosť vertikálneho rozdielu teploty od ΔT. Zároveň dosahuje najnižšie hodnoty vertikálneho rozdielu teploty, a tým zabezpečuje najhomogénnejšie tepelné prostredie. Stropné sálavé vykurovanie má strmšiu regresnú krivku, vyšší koeficient determinácie R² = 0,5418 a súčasne vyšší rozdiel vertikálnej teploty vzduchu.
| Typ vykurovacieho systému | Vertikálny teplotný gradient (medzi úrovňou členkov a hlavou) | Charakteristika |
|---|---|---|
| Podlahové sálavé vykurovanie | < 0,6 °C | Najnižší gradient, najhomogénnejšie prostredie. |
| Stenové sálavé vykurovanie | < 0,6 °C | Nízky gradient. |
| Stropné sálavé vykurovanie | < 0,6 °C (najvyšší spomedzi sálavých) | Strmšia regresná krivka, vyšší rozdiel vertikálnej teploty vzduchu. |
| Podlahový konvektor (konvekčné vykurovanie) | Až 2,5 °C | Výrazne vyšší gradient, prispieva k lokálnej tepelnej nepohode. |
Znižovanie potreby tepla v dome
Optimalizácia sálavého vykurovania nastavením vykurovacej krivky
Teplotu v miestnosti možno meniť nielen pomocou termostatického ventilu radiátora, ale aj pomocou riadiacej jednotky vykurovania. Túto možnosť však majú len majitelia vykurovacích systémov. Vykurovacia charakteristika, známa aj ako vykurovacia krivka, je grafickým znázornením matematického vzorca, ktorý opisuje vzťah medzi vonkajšou teplotou a teplotou prietoku. To znamená, že ak sa zmení vonkajšia teplota, má to priamy vplyv na teplotu prietoku.
Teplota vykurovacej vody, ktorá prúdi zo zdroja tepla do radiátora alebo do plošného vykurovacieho systému, by nemala byť nastavená príliš vysoko ani príliš nízko. Ak je nastavená príliš vysoko, teplota prúdenia zvyšuje tepelné straty a ak je nastavená príliš nízko, bráni dostatočnému vyhriatiu domu. Aby ste našli optimálnu teplotu prúdenia, oplatí sa vyskúšať rôzne nastavenia. Odporúča sa vytvoriť denník, do ktorého sa budú zaznamenávať nastavenia, teploty prietoku a vonkajšie teploty.
Nastavenie vykurovacej krivky sa vykonáva len pri vykurovacích systémoch s reguláciou s kompenzáciou počasia. Pri týchto systémoch slúži vonkajšia teplota ako regulačná veličina, na ktorej zmeny reaguje teplota prietoku. Zjednodušene povedané: čím nižšia je vonkajšia teplota, tým vyššia je teplota prietoku. Okrem vonkajšej teploty sa pri nastavovaní vykurovacej krivky musí zohľadniť aj nastavená teplota alebo nastavená teplota v miestnosti, ktorá predstavuje stanovenú požadovanú teplotu v miestnostiach.
Na nastavenie vykurovacej krivky majú majitelia systému k dispozícii dve kľúčové premenné: sklon a úroveň vykurovacej krivky. Zdroj tepla používa sklon na určenie toho, ako prudko musí zmeniť teplotu prietoku pri zmene vonkajšej teploty. Sklon môže byť veľmi strmý alebo veľmi plochý. Závisí to okrem iného od požadovanej teploty v miestnosti a od energetického stavu budovy. Ak vykurovaný dom stráca málo tepla vďaka dobrej izolácii, postačuje plochá krivka. Zatiaľ čo sklon ovplyvňuje správanie vykurovacej krivky, úroveň umožňuje rovnomernú korekciu teploty prúdenia smerom nahor alebo nadol. Konkrétne to znamená, že ak sú miestnosti chladnejšie, ako chcete, úroveň vykurovacej krivky sa musí zvýšiť. Výrobné nastavenie je 1,4 pre sklon a 0 pre úroveň. Na grafe sa zreteľne zobrazí zmena vykurovacej krivky, akonáhle zmeníte hodnotu pre sklon alebo úroveň.
Optimalizáciou vykurovacej krivky môžu majitelia systémov zabezpečiť, aby ich zdroj tepla produkoval len toľko tepla, koľko je potrebné na dosiahnutie požadovanej teploty v miestnosti. Okrem zvýšenia komfortu (už žiadna prílišná zima alebo prílišná horúčava), ktoré to prináša, sú tu predovšetkým finančné výhody. Vďaka nižšej spotrebe energie vo forme paliva sa dlhodobo znižujú náklady na vykurovanie. Aby ste dosiahli čo najlepší výsledok a vyhli sa možným chybám, pri prvom nastavení vykurovacej krivky sa odporúča poradiť sa s dodávateľom vykurovania.
Inovatívne materiály a simulácie pre zlepšenie klímy v interiéri
S ponukou moderného softvéru na výpočet metódou konečných prvkov je možné po prvýkrát zviditeľniť zložité fyzikálne procesy a postupnosti so všetkými zúčastnenými fyzikálnymi procesmi. Týmto spôsobom sa dajú vizuálne a názorne znázorniť rôzne vplyvy a zdroje, ktoré pôvodne pôsobia nezávisle na celkový systém.
Farba ClimateCoating so zložením 50 % keramických vákuových dutých guľôčok v rozsahu mikrometrov a spojivom na báze akrylátu na maľovanie interiérov a exteriérov vykazuje vysokú stabilitu, ako aj množstvo výhodných vlastností pre tepelnú izoláciu a zlepšenie klímy v interiéri. Pochopením jednotlivých fyzikálnych procesov možno vyvodiť závery o účinku. V rámci výskumu sa skúmal rozptyl a odraz v mikropriestore v trojrozmerných modeloch. Jasne sa ukázalo, že dôležitou vlastnosťou farby je jej rozptyl a absorpcia v tenkej vrstve farby.
Na prenosovej ceste infračerveného (IR) žiarenia možno energiu žiarenia rozdeliť na tri zložky: „odraz“, „absorpcia“ a „prenos“. Najsilnejšie elektromagnetické účinky rozhrania sa prejavujú v povlaku ClimateCoating medzi dutinou a sklokeramikou vložených guľôčok.
Simulácie úspor energie na vykurovanie prostredníctvom použitia technológie termokeramických membrán na vnútorné a/alebo vonkajšie maľovanie budov ukázali zaujímavé výsledky. Na tento účel sa v dvoch simuláciách s konvenčným konvekčným vykurovaním a moderným sálavým stropným vykurovaním porovnávala jedna strana s úplne opísanými fyzikálnymi účinkami farby ClimateCoating s normálnou akrylovou farbou na druhej strane. Rozdiely teplôt boli jasne viditeľné.
Okrem toho je pokojné prúdenie vzduchu zrejmé pri sálavom vykurovaní na strane s ClimateCoating, ktoré má turbulencie len pri studenom mostíku. Časť dôvodov zlepšenia klímy v miestnosti spočíva v rýchlejšom zahrievaní tenkej akrylovej vrstvy v dôsledku tepelného tienenia vákuovou vrstvou. Zvýšenie odrazivosti farby ClimateCoating z faktora odrazivosti 0,5 na 1,0 tiež prinieslo mierne zvýšenie teploty. Tieto výpočty na zlepšenie vlastností spätného rozptylu vďaka pridaniu keramických guličiek do farieb a počítačové výpočty na prispôsobenie farieb infračerveným žiaričom potvrdzujú potenciál inovatívnych materiálov pre efektívnejšie sálavé vykurovanie a chladenie.
tags: #salave #vykurovanie #teplotny #gradient