Teplovodní podlahové vytápění
Teplovodní podlahové vytápění patří k sálavým topným systémům, přičemž podíl sálavé složky na celkovém přenosu tepla z otopné plochy je jen o málo vyšší než podíl konvekčního tepelného toku (55 % : 45 %). To má zároveň pozitivní vliv na oba způsoby přenosu tepla do interiéru.
Teplovodní podlahové vytápění je zároveň velkoplošné, tzn. že topné trubky jsou součástí podlahové konstrukce. Vzhledem k hygienickým požadavkům souvisejícím s omezenou povrchovou teplotou podlahy, a tedy relativně nižším měrným tepelným výkonům podlahového vytápění, jsou topné trubky téměř vždy uloženy pod celou plochou podlahy. To má mimořádně pozitivní vliv na rovnoměrnost přenosu tepla v interiéru a pomáhá vytvářet tepelně homogenní rovnoměrné prostředí ve vertikálním i horizontálním směru.
Teplota topné vody je obvykle nižší než 50 °C, takže o podlahovém teplovodním vytápění můžeme hovořit také jako o nízkoteplotním vytápění, které má několik výhod. Jednak je to zajištění výrazných úspor tepelné energie při provozu, jednak možnost využití netradičních nízkopotenciálních zdrojů energie, jako je sluneční záření, geotermální energie vody nebo tepelná čerpadla využívající teplo z okolí.
Právě tyto skutečnosti řadí teplovodní podlahové vytápění mezi progresivní systémy vytápění, které zaručují všechny tři E, tj. energetickou, ekologickou a ekonomickou stránku vytápění budov. Ačkoli tento způsob vytápění existoval již před více než 2 000 lety, největší rozmach a renesanci zažívá právě dnes.
Historický vývoj vytápění
Nejstarším způsobem vytápění u všech národů bylo lokální vytápění v podobě spalování dřeva v otevřeném ohništi. Největší nevýhodou ohně bylo nadměrné množství kouře. Aby se tomu zabránilo, vynalezli staří Římané dřevěné uhlí, které se bez kouře spalovalo na plochých kovových pánvích. Ve starověku se jednalo o nejběžnější způsob vytápění.
Přibližně od 10. století n. l. bylo otevřené ohniště nahrazeno částečně uzavřeným ohništěm s odvodem kouře do půdního prostoru a později zcela uzavřeným ohništěm s komínem vystupujícím nad střechu budovy. Tato ohniště - krby - byla nejprve kamenná, hliněná a později kachlová. Ty se dochovaly dodnes, zatímco v 17. století se k vytápění používala železná kamna.
Prvním ústředním topením bylo starořímské hypocaustum (navržené Sergiem Oratem v roce 80 př. n. l.). Bylo to vlastně ohniště bez roštu, na spalování dřeva, dřevěného uhlí, umístěné mimo vytápěné místnosti, pod domem. Teplé kouřové plyny proudily do dutin pod celým domem, čímž se ohřívala podlaha (řec. hypo = zespodu, kaiein = hořet). z ní se pak ohříval vzduch v místnostech domu. Samotné spaliny byly odváděny jednou nebo více šachtami umístěnými ve vnějších stěnách, které vedly ven bočními otvory. V prvních staletích našeho letopočtu bylo v Římě a Římské říši postaveno mnoho domů a budov, které byly vytápěny metodou hypokaustu, například starověké lázně Caracalla (211-217 n. l.), Diokleciánovy lázně a další lázně v dnešním Trevíru. Pozůstatky byly nalezeny i v Pompejích.
Zdokonalením tohoto systému bylo kanálové vytápění, kdy pod podlahou domu nebyla žádná dutina, ale spaliny proudily rozvětveným systémem kanálů pod podlahou. Lze říci, že se jednalo o první podlahové vytápění, ale teplonosným médiem byl stále vzduch.
Teplovodní vytápění se poprvé objevilo ve Francii v 18. století, ale nejvíce se rozšířilo v Německu. Na počátku 20. století se rozšířilo nucené teplovodní vytápění, které se stalo běžným způsobem vytápění bytů a občanských budov. Koncovými prvky těchto topných systémů byla topná tělesa - radiátory - volně umístěná v místnostech. Autorem sálavých topných systémů s topnými tělesy zasazenými do desek připevněných k povrchu zdiva byl v roce 1907 Angličan Barker. V roce 1926 spolu s anglickou firmou Crittal zabudoval topné trubky přímo do konstrukce budovy (nejčastěji do stropu nebo podlahy). V roce 1935 si Holanďan van Dooren nechal patentovat použití sálavých topných trubek ve stropě jako výztužné části stavební konstrukce. Můžeme tedy již hovořit o sálavém vytápění, konkrétně o velkoplošném teplovodním vytápění.
PROVOZ PODLAHOVÉHO TEPLOVODNÍHO VYTÁPĚNÍ
Při provozu teplovodního podlahového vytápění pozorujeme:
- způsoby přípravy topné vody,
- vliv na provoz topného systému,
- možnosti úspory energie.
ZPŮSOBY PŘÍPRAVY TOPNÉ VODY
Způsob přípravy topné vody pro podlahové teplovodní vytápění může být buď přímý, přímo ze zdroje tepla, nebo nepřímý, prostřednictvím výměníku tepla.
PŘÍMÝ OHŘEV TOPNÉ VODY
Přímý ohřev topné vody zajišťují tradiční nebo alternativní zdroje tepla, které mohou pracovat v závislosti na provozním režimu:
- monovalentní,
- bivalentní,
- kombinované.
MONOVALENTNÍ OPERACE
Monovalentní provoz je provoz s jedním zdrojem tepla, který pokrývá celou tepelnou ztrátu vytápěného prostoru. Běžné kotle lze použít jako zdroj tepla pro různé druhy paliv.
Připojení podlahového vytápění ke kotli na tuhá paliva je nejméně vhodné z důvodu obtížné regulace výkonu kotle. V tomto případě musí být zdroj tepla nutně doplněn akumulační nádrží, ve které se přebytečné teplo zachycuje mimo odběr do topného systému.
BIVALENTNÍ OPERACE
Tento způsob přípravy topné vody je založen na využití dvou různých zdrojů tepla - primárního a alternativního. Primární zdroj sám pokrývá potřebu tepla až do nastavené venkovní teploty, při nižších teplotách se pak vypíná. Alternativní zdroj přebírá veškerou ostatní spotřebu pro vytápění.
KOMBINOVANÝ PROVOZ
V tomto případě pracují současně dva různé zdroje tepla. Jeden zdroj pracuje samostatně až do nastavené venkovní teploty. Při nižších venkovních teplotách přebírá pokrytí špičkového zatížení druhý zdroj ve spolupráci s prvním.
Nízká teplota topné vody u podlahového vytápění umožňuje efektivnější využití nízkopotenciálních zdrojů nekonvekční energie a z provozního hlediska se pro tento účel jeví jako nejvhodnější použití tepelných čerpadel. Výstupní teplota vody z kondenzátoru tepelného čerpadla musí být maximálně 55 °C a minimálně 35 °C. Vzhledem k těmto hodnotám výstupních teplot pracovní kapaliny se tepelná čerpadla jeví jako optimální zdroje tepla pro nízkoteplotní podlahové vytápění.
Tepelná čerpadla lze v zásadě bez ohledu na konkrétní použití zapojit do okruhu jako monovalentní zdroj, častěji však v bivalentním nebo kombinovaném provozu.
NEPŘÍMÝ OHŘEV TOPNÉ VODY
Nepřímé vytápění - pomocí výměníku tepla - je výhodné zejména při kombinaci podlahového vytápění s konvekčními topnými tělesy. Topná tělesa jsou zásobována vodou přímo z kotle, podlahové topení je ohříváno nepřímo přes výměník tepla. Tento způsob vytápění podlahového topení je při správně zvolených materiálech výměníků tepla zvláště vhodný pro omezení difúze kyslíku stěnami plastových trubek.
VLIV NA PROVOZ TOPNÉHO SYSTÉMU
Provoz podlahového teplovodního vytápění je ovlivněn :
- nastavení topné křivky,
- samoregulační efekt,
- způsob provozu,
- tepelně-technické vlastnosti podlahy,
- strategie řízení.
VLIV NASTAVENÍ TOPNÉ KŘIVKY
Topná křivka by měla být vždy nastavena optimálně, tj. pro místnost s nejnižšími tepelnými zisky, např. ložnici. Systém teplovodního podlahového vytápění reaguje na nepřesně nastavenou topnou křivku velmi citlivě.
Je zřejmé, že nepřesnost nastavení topné křivky výrazně ovlivňuje spotřebu energie během provozu. Optimálně nastavená topná křivka byla považována za referenční případ. Nejprve byla křivka ohřevu posunuta směrem nahoru o 1 K, poté byla upravena s ještě větší strmostí, tj. o 2 K. Ukázalo se, že posunutí topné křivky směrem nahoru zvyšuje spotřebu energie nejen kvůli vyšší požadované teplotě v interiéru, ale také kvůli samoregulačnímu efektu.
ÚČINEK SAMOREGULAČNÍHO EFEKTU
Samoregulační účinek, který je způsoben velkou akumulační schopností povrchu podlahového vytápění a následnou několikahodinovou tepelnou setrvačností, je významným faktorem ovlivňujícím tepelný režim interiérů s tímto typem vytápění. Zároveň však nezávisí na zvýšení nebo snížení teploty topné vody, což lze odvodit z analýzy ustáleného stavu.
Při návrhu regulace je třeba mít na paměti, že u podlahového vytápění hraje důležitou roli akumulace tepla v podlahové konstrukci. Otopná plocha je velmi masivní, a proto je i tepelná setrvačnost podlahového topení velmi velká. V závislosti na složení podlahy můžeme uvažovat o hodnotě 3 až 8 hodin. To je důvod, proč u velkoplošného podlahového vytápění nejsou možné rychlejší změny topného příkonu, a proto se regulační zásahy (např. změna teploty topné vody) projevují ve vytápěné místnosti jen postupně a také doba vytápění a chlazení je dlouhá. Z tohoto důvodu doporučujeme používat podlahové vytápění pouze v nepřetržitém, nepřerušovaném provozu.
Vysoká tepelná setrvačnost podlahového vytápění je nevhodná zejména pro moderní lehké budovy s velkými prosklenými plochami, kde vede k těžkopádnému a neekonomickému provozu vytápění.
VLIV ZPŮSOBU PROVOZU
Výše popsaný samoregulační efekt vysvětluje také následující skutečnosti, které vyplývají ze způsobu provozování topného systému. Porovnávalo se vytápění s nočním vypínáním (od 22.00 do 5.00 hodin).
Bylo prokázáno, že u budov s dobrou vnější tepelnou izolací se bez rychlého ranního vytápění stává noční vypnutí ztrátovým. Ve skutečnosti se křivka ohřevu musí během doby clonění zvyšovat, čímž se tlumí samoregulační účinek. Rychlým zahřátím se účinek tohoto akumulovaného tepla podstatně potlačí. U špatně izolovaných budov (s malým množstvím podlahového vytápění) může být výhodné noční vytápění.
Je však třeba dodržovat následující zásady hospodárného provozu:
- vyhnout se neregulovanému větrání
- regulace tepelných ztrát v topném systému
- ověřit spotřebu elektrické energie pro oběhová čerpadla
- zajistit rychlý ohřev.
Tyto vlivy sníží rozdíl mezi oběma způsoby vytápění nebo zvýhodní noční vypínání topného systému.
Protože budova s podlahovým vytápěním musí mít dobré tepelné a akumulační vlastnosti vnější konstrukce, můžeme předpokládat, že fázový posun teplotních kmitů v obálce budovy má přibližně stejnou hodnotu jako tepelná setrvačnost podlahy vytápění.
Relativně velká tepelná setrvačnost podlahového vytápění má příznivý vliv na možnost ekvitermní regulace podlahového vytápění při nízkých venkovních teplotách. I v tomto případě však může mít velká tepelná setrvačnost otopné podlahy nepříznivý vliv v přechodném období, na jaře a na podzim, kdy mohou poměrně rychlé změny venkovní teploty a působení slunečního záření způsobit přehřívání interiéru.
Lze ji však snížit vhodně zvoleným zastíněním průhledných konstrukcí nebo paralelním vedením několika topných okruhů vedle sebe. Při tomto způsobu pokládky lze v případě potřeby vypnout jeden nebo více topných okruhů, aniž by podlahová konstrukce zcela vychladla. Je to proto, že je temperován zbývajícími topnými registry a pružněji reaguje na změny požadovaného topného příkonu.
VLIV TEPELNÉHO ODPORU PODLAHY
Tepelný odpor, ať už jako tepelný odpor samotné podlahové krytiny na povrchu, nebo jako odpor celé konstrukce podlahového vytápění, má velký vliv na provozní teplotu topného média uvnitř topných trubek. Místnost s vyšším tepelným odporem podlahové konstrukce vyžaduje také vyšší provozní teplotu média v trubkách. To má následně negativní vliv na samoregulační účinek, a tím i na spotřebu energie tepla. Zvýšení tepelného odporu podlahové krytiny z 0,02 na 0,2 m.K.W-1 (např. u silného koberce) způsobí zvýšení spotřeby tepla o 10 až 15 %.
DOPAD KONTROLNÍ STRATEGIE
Doposud byl analyzován vliv jednotlivých tepelných vlastností stavební konstrukce a budovy jako celku. Jak velký vliv má strategie řízení na spotřebu energie?
Prakticky ve všech případech je kombinace ekvitermu s prostorovým termostatem a čidlem slunečního záření nejlepší regulační strategií z hlediska spotřeby tepla.
Pokud předpokládáme, že dnešní stavební konstrukce jsou dostatečně masivní, můžeme očekávat úsporu 5 až 12 % tepelné energie. K této úspoře energie dojde při optimálně nastavené topné křivce. Čím horší je nastavení, tím větší je korekční zásah prostorového termostatu. Může však pouze do určité míry (maximálně o dvě třetiny) snížit výslednou zvýšenou spotřebu způsobenou topnou křivkou nastavenou na nejvyšší hodnotu.
Ve výjimečných případech může pokojový termostat dokonce zvýšit spotřebu energie. Snížením průtoku topné vody na vstupu do systému při vyšší teplotě místnosti a současné nižší teplotě vody pak dochází k "ochlazení" místnosti, a tím ke snížení rozložení vnitřních a vnějších tepelných zisků v celé budově.
Regulace teploty topné vody ve vztahu k teplotě interiéru se používá pouze v případě, že je podlahové vytápění určeno pouze k temperování vytápěného interiéru. Kombinací regulace venkovní a vnitřní teploty lze zohlednit nerovnoměrnost tepelného zatížení jednotlivých vytápěných místností nebo dosažení rozdílných teplot v jednotlivých vytápěných místnostech. Obvykle stačí použít termostatický ventil se samostatným čidlem vnitřní teploty umístěným ve vytápěné místnosti. Termostatický ventil je zabudován na přívodním nebo zpětném konci každého topného okruhu.
POŽADAVKY NA PROVOZ TEPLOVODNÍHO PODLAHOVÉHO VYTÁPĚNÍ
Provoz nízkoteplotního velkoplošného teplovodního vytápění musí splňovat následující požadavky:
(a) umožňují regulovat teplotu přívodní vody do topných okruhů v rozmezí teplot 20 až 60 °C,
(b) zabránit samovolnému zvýšení teploty vody v topném systému nad 60 °C,
(c) vyloučit nízkoteplotní korozi zdroje tepla,
(d) zajistit trvalé odvzdušnění topných okruhů.
(e) zajistit tepelnou pohodu ve vytápěných interiérech.
OBECNÉ POŽADAVKY NA POUŽÍVÁNÍ PODLAHOVÉHO VYTÁPĚNÍ
V počáteční fázi návrhu topného systému je třeba zvolit způsob vytápění. Zde je třeba vzít v úvahu následující kritéria:
(a) Podlahové vytápění je obzvláště vhodné v kombinaci s nízkoteplotními zdroji tepla (solární kolektory, tepelná čerpadla atd.), protože samoregulační účinek je zde velmi příznivý.
b) Pro běžné obytné budovy je podlahové vytápění vhodné díky příznivým vlastnostem komfortu v místnosti. U budov se silnými solárními zisky je třeba přijmout následující opatření:
- stínění nebo aktivní sluneční clony,
- použití solárního čidla a jeho zapojení do regulačního obvodu, - nízká vstupní teplota topného média (nízký tepelný odpor podlahy).
c) Při návrhu a instalaci podlahového teplovodního vytápění se doporučuje postupovat podle normy CEN TC 130. Tato norma obsahuje podrobné pokyny pro instalaci tohoto vytápění, ale nezmiňuje se o jeho regulaci.
(d) U budov s velmi proměnlivým využitím (proměnlivé vnitřní zatížení nebo rychlé změny nastavené teploty v místnosti) se nedoporučuje používat pouze podlahové vytápění. Zde je možné použít podlahové vytápění jako hlavní vytápění a zároveň použít rychleji reagující konvenční topná tělesa.
POŽADAVKY NA KONSTRUKCI A INSTALACI
a) Tepelný odpor horní části podlahy by měl být pokud možno vždy nízký. Při vyšších tepelných odporech je třeba odpovídajícím způsobem zvýšit vstupní teplotu topného média, což však vede ke ztlumení samoregulačního účinku.
(b) Pokud je to přípustné z důvodu odděleného odečtu nákladů na vytápění, měly by být místnosti s velmi rozdílným využitím a orientací pokud možno rozděleny do samostatných okruhů s vlastní počáteční teplotou teplonosné látky. Pokud to není možné, měly by být instalovány další termostatické ventily.
POŽADAVKY NA KONTROLU
(a) Na sídlištích by mělo být možné u domů orientovaných na různé světové strany a u domů s různým stupněm obydlenosti nastavit topnou křivku pro každý topný okruh zvlášť.
(b) Jako základní regulace by se měla vždy používat ekvitermní regulace podle venkovní teploty.
c) Termostatické ventily jsou vhodné pro místnosti orientované na sever s malým množstvím slunce nebo s proměnlivými vnitřními zdroji tepla, kde je požadováno individuální nastavení požadované teploty v místnosti. O jejich nastavení je třeba rozhodnout již ve fázi návrhu, protože jejich pozdější instalace k podlahovému vytápění znamená enormní zvýšení nákladů.
Vždy by se měla používat ekvitermní regulace podle venkovní teploty. V rodinném domě se známým a poměrně stálým využíváním jednotlivých místností by měl být použit další solární senzor. Pokud je specifikována individuální regulace místnosti, měly by být instalovány termostatické ventily. U vícebytových domů s různým využitím, vnitřními zdroji tepla a orientací ke světovým stranám se doporučuje kombinace čidla slunečního záření a termostatického ventilu. U budov s malými vnějšími tepelnými zisky je použití termostatických ventilů opodstatněné.
POŽADAVKY NA UVEDENÍ DO PROVOZU
Vzhledem k tomu, že vliv topné křivky na komfort v místnosti a spotřebu tepla je velký, mělo by být její nastavení pečlivé a zároveň by měly být dodrženy následující podmínky:
(a) Při výběru referenční místnosti se obvykle volí místnost s nejmenšími tepelnými zisky. Je však třeba dbát na to, aby komfort v této místnosti byl na dolní hranici tolerančního rozmezí, takže všechny ostatní místnosti mají nastavenou teplotu vyšší nebo alespoň stejnou.
(b) Během vlastního nastavení by měly být pokud možno zachovány typické podmínky v místnosti (vnitřní zdroje, větrání atd.).
PROVOZNÍ POŽADAVKY
U topných systémů bez ranního rychlého rozžhavení je třeba při nočním vypnutí odpovídajícím způsobem zvýšit topnou křivku. To však potlačí samoregulační účinek. V dobře izolovaných budovách (s malou výměnou vzduchu netěsnostmi) může noční vypínání způsobit následnou nadměrnou spotřebu energie až o 23 %. V hůře izolovaných budovách (nebo s větším únikem tepla netěsnostmi při proudění vzduchu) se tento nedostatek spolu s dalším poklesem teploty v místnosti ještě zvyšuje.
V dobře izolovaných budovách je provoz podlahového vytápění obvykle bezproblémový. K určitému zhoršení příznivých výsledků dochází, když se vezme v úvahu spotřeba elektrického proudu čerpadel a pak když se za rozdělovačem topného média ztratí část tepla. Spotřeba proudu čerpadla a tepelné ztráty na rozvodu závisí na typu použitého kotle a typu budovy. Zatímco v nových budovách se ztráty v rozvodech pohybují kolem 3 až 4 %, ve starších budovách se tento podíl může značně zvýšit, a proto by se měl vždy předem odhadnout.
Ve většině případů nevede vypínání topení v noci v dobře izolovaných budovách k úsporám, ale právě naopak. Vytápění v místnosti se zlepší až po nočním vypnutí, pokud se topení rychle zapne. Pak se křivka ohřevu posouvá směrem dolů a samoregulační efekt se zesiluje. Ve stejném smyslu fungují i vestavěné termostatické ventily.
Ve starších, hůře tepelně izolovaných domech a domech s vyšší infiltrací může vypnutí vytápění v noci způsobit pokles teploty v místnosti a ušetřit energii na vytápění. I zde by se však měla použít kombinace rychlého ohřevu, pokud možno s malým posunem křivky ohřevu (směrem nahoru).
Pokud po nastavení topné křivky dojde ke změně topného provozu (např. z nočního temperování na běžný denní provoz), je třeba topnou křivku nastavit znovu.
MOŽNOSTI ÚSPORY ENERGIE
Na základě srovnání spotřeby energie uvedeme některé formy úspory energie.
POROVNÁNÍ SPOTŘEBY ENERGIE
Skutečnost, že používání podlahového vytápění šetří energii, lze doložit výzkumem stuttgartského Institutu pro stavební fyziku. Institut naměřil ve třech výškových budovách stejného typu s různými systémy vytápění po dobu 10 let v průměru o 28 % vyšší spotřebu energie v bytech vytápěných konvekčními topidly ve srovnání s byty s podlahovým vytápěním.
FORMY ÚSPORY ENERGIE
U podlahového vytápění přicházejí v úvahu následující formy úspory energie:
(a) Snížení teploty vzduchu v místnosti
Teplotu vzduchu v místnosti vytápěné podlahovým vytápěním lze na rozdíl od konvekčních způsobů vytápění snížit o 2 až 3 °C, aniž by se snížila tepelná pohoda v interiéru. Každé snížení teploty vzduchu o 1 °C odpovídá úspoře paliva o 6 %, což u podlahového vytápění znamená úsporu energie mezi 12 a 18 %. Ve velkých místnostech (sportovní haly, garáže) se tento podíl zvyšuje na 25 %.
Z pohledu regulace lze u podlahového vytápění dosáhnout úspor i regulací teploty topné vody tak, aby byla zajištěna požadovaná teplota vytápěných místností bez přetápění a pouze v době použití. To znamená automatickou regulaci provozu povrchu podlahového vytápění.
(b) Zlepšení tepelných vlastností stavební konstrukce
Přestože tuto formu úspory energie pro vytápění lze použít i v budovách s jinými topnými systémy, musí být konstrukce budovy pro podlahové vytápění dostatečně izolovaná. Důvodem je omezený tepelný výkon podlahy vzhledem k maximální přípustné povrchové teplotě podlahy. Jednorázové investiční náklady na stavební konstrukci se mnohonásobně vrátí snížením nákladů na vytápění.
c) Použití nízkopotenciálních zdrojů tepla
V zásadě lze jakýkoli topný systém připojit ke zdrojům využívajícím nízkopotenciální energii. U nás se zatím většinou připojují systémy ohřevu teplé vody s teplotou přívodní vody 90 °C. Pro zvýšení účinnosti nízkopotenciálních zdrojů tepla při nižších provozních teplotách je však třeba upřednostnit nízkoteplotní topné systémy, kde tepelná čerpadla napojená na podlahové vytápění pokrývají až 80 % roční spotřeby tepla, tj. do venkovní teploty ±O °C. Pouze 20 % energie musí být pokryto tradičními zdroji a palivy. Vzhledem k tomu snižuje použití nízkoteplotních systémů podlahového vytápění nároky na tradiční paliva. Tím se dosáhne nejen lepšího hospodaření s palivem, ale také se zlepší tepelná rovnováha v biosféře.
Použité odkazy:
Dušan Petráš: Podlahové teplovodní vytápění
