Účinnost plynových kompaktních infrazářičů

Pracuji jako obchodní zástupce a impulsem k napsání tohoto článku je jeden můj telefonát. Potencionální zákazník se mě ptal, jaká je celková účinnost kompaktních infrazářičů a já jsem automaticky odpověděl: "Je to zhruba 96 %". Kdybych tenkrát odpověděl správně, možná by okamžitě nezavěsil. Při své práci vytvářím technické návrhy vytápěcích systémů a rovněž jsem často u toho, když jsou tyto systémy testovány. Po určité době jsem nabyl zkušeností, a tak se zde pokusím projektantům a zájemcům o sálavé vytápění sdělit několik svých poznatků.

Účinnost je daná technickým provedením a mírou "přidané inteligence". Prospektové materiály výrobků jsou většinou projektantům známé. Uvádím zde některé souvislosti, jak je možné si pomocí základních "technicko-taktických dat" ověřovat parametry zářičů, a to včetně jejich celkové účinnosti. Účinnost má vliv na roční spotřebu paliva, ale také na velikost instalovaného výkonu. "Podseknutá realizace" není nic příjemného, a to zvlášť v případě, že byl člověk uveden v omyl. Následující tvrzení budou zjednodušená, a tak se předem omlouvám "univerzitní vědě".

Definice účinnosti - trochu teorie

"Celková účinnost zářičů" je násobek "tepelné účinnosti" a "sálavé účinnosti". Ještě jednou zdůrazňuji, že tento parametr hraje důležitou roli při návrhu systému. Čím je účinnost zářičů lepší, tím může být menší instalovaný příkon. Bohužel, řada výrobců uvádí tepelný příkon jako výkon agregátu a o sálavé účinnosti raději moc nemluví. Projektant pak nevědomky pracuje se 100% účinností. Dostat se přitom s takto definovanou účinností nad 90% je technický zázrak. Hodnotu vyšší jak 80% považuji za velmi dobrou.

"Tepelná účinnost" je někdy označována jako tzv. "hořáková". V případě infrazářičů je někdy hořák tvořen jen injektorem a sálavou trubicí, ve které hoří plyn. Raději ji nazývám "tepelná účinnosti zářiče" a značím ji " η iz ". Tato účinnost je daná komínovou ztrátou. Tedy množstvím tepla, jenž vypouštíme z odtahu spalin v poměru k množství tepla přivedeného plynem do zářiče. Následně definuji jednotlivé pojmy:

Qp [W, kW] přivedený výkon neboli jmenovitý příkon Vp [m3/hod.] průtoku topného média (množství plynu odebraného zářičem za hodinu) ηd [kWh/m3] výhřevnost topného média (kolik tepla vznikne spálením 1 m3 plynu) f korekční faktor stavu plynu (nebo plynoměru)

Jmenovitý příkon si velmi jednoduše ověříme. Stačí si pustit zářič na plný výkon a odečíst spotřebu plynu na plynoměru. Pro orientaci bohatě stačí šestiminutový odběr. Výsledky takovéhoto počínání jsou někdy velmi zajímavé. Pokud máme větší požadavky na přesnost, je dobré si zjistit podmínky odečtu. Konkrétně přepočítávací koeficient plynoměru a deklarovanou výhřevnost plynu.

Jmenovitý výkon můžeme zjednodušeně definovat jako množství tepla, jenž nám zůstane ve vytápěném objektu. To, co nám v hale nezůstane, je teplo ve spalinách odvedených mimo objekt, neboli komínová ztráta. Tepelná účinnost infrazářiče je daná poměrem tepelného příkonu a výkonu.

Qv [W, kW] jmenovitý výkon infrazářiče Qkm [W, kW] energie v komínové ztrátě

η iz [ % ] tepelná účinnost infrazářiče

Pokud by výsledkem našeho snažení nebylo vytápění vysokých hal, mohli bychom v tomto bodě teoretické úvahy ukončit. Sálavý systém však musí proměnit tepelnou energii v záření, a to se nikdy nepovede stoprocentně. Část energie zůstane v hale ve formě teplého vzduchu. Tuto energii pod stropem haly považuji za ztrátu, i když se samozřejmě částečně podílí na vytápění objektu. Ohřívá však jenom strop, a tak pracovní zónu vytápí nepřímo, a to sáláním střešního pláště. Zdá se mi poněkud nešťastný způsob "sálavého vytápění", když při něm převládá tento "teplovzdušný" model.

Kvalitu přeměny tepelné energie v sálání definujeme jako sálavou účinnost. Je to poměr výkonu obsaženého v sálavé složce a jmenovitého výkonu infrazářiče. Sálavá složka je množství tepla, jenž dokážeme formou záření směřovat k podlaze vytápěného objektu.

Qs [W, kW] výkon v sálavé složce.

Energii sálavé složky můžeme vyjádřit tak, že od jmenovitého výkonu zářiče odečteme možné "ztráty". Od teplého krytu infrazářiče se nám ohřívá vzduch. Vlastní kryt zářiče rovněž sálá a to většinou směrem vzhůru. U některých infrazářičů není kryt dostatečně utěsněn, a tak se nám ochlazují vlastní sálavé trubice. Tomuto se říká konvekce.

Qkvk [W, kW] energie konvekční složky krytu Qkv [W, kW] energie konvekční složky vlastního zářiče Qks [W, kW] energie sálání krytu zářiče směrem vzhůru

Účinnost zářičů lze technicky vylepšovat. O způsobech, jak se to dělá a nedělá, pojednávají následující kapitoly.

Tepelná účinnost

Energie vypouštěná kouřovodem do venkovního prostoru, tedy komínové ztráty, jsou vždy přímo závislé na teplotě spalin. Teplota spalin v komínku nám charakterizuje účinnost spalování plynu, tedy využití plynu zářičem (nebo hořákem). Čím je teplota spalin nižší, tím více tepla nám zůstalo v hale k dispozici pro přeměnu v sálání.

Pokud budu přesnější, jedná se o rozdíl teplot mezi vzduchem nasávaným do zářiče a spalinami vypouštěnými ven. Tento rozdíl teplot nazývám "přepočtená teplota spalin". V případě, že budu do zářiče nasávat vzduch s teplotou 0^oC, bude přepočtená teplota spalin rovna naměřené teplotě (pro přepočtenou teplotu spalin používám jednotky ^oC, i když by bylo správné uvádět v K).

Obrázek č. 1 - V tabulce a v grafu je znázorněna závislost komínových ztrát, respektive tepelné účinnosti na přepočtené teplotě spalin

Nechci se zde zabývat otázkou používaných hořáků. Dále předpokládám jejich dobrou kvalitu a optimální seřízení. Množství čerstvého vzduchu nasávaného do zářiče a taktéž vyfukovaného komínkem ven je na jednotku výkonu vždy zhruba stejné. Nelze ho ovlivnit žádnou cirkulací spalin v zářiči. Na jeden kubík zemního plynu je potřeba zhruba deset kubíků čerstvého vzduchu a nebude tomu nikdy jinak.

Zde se musím omluvit za jednu nepřesnost. Často jsem používal větu, jenž zněla zhruba takto: "Recirkulací spalin v zářiči aktivně minimalizujeme potřebné množství vzduchu pro hoření, a tím zmenšujeme komínové ztráty". Kdo ví, jak funguje hořák, jistě pochopil, že není možné do něho vhánět směs spalin se vzduchem. Recirkulace spalin v zářiči slouží k snížení povrchové teploty zářiče a k zvýšení rychlosti proudu v zářiči. O tom však v některé z dalších kapitol.

Tepelnou účinnost snížíme tím, že snížíme teplotu vypouštěných spalin. Bohužel, u zářičů tím většinou značně zhoršíme účinnost sálavou. Platí to i naopak. Zlepšení sálavé účinnosti vede k zhoršení účinnosti tepelné. Přesvědčil se o tom každý, kdo se pokusil vyrobit "izolovaný tmavý zářič".

Jediné opatření, jenž samo o sobě neovlivní sálavou účinnost zářiče je rekuperace spalin v dvouplášťovém komínku. Jde o to, že vyfukované spaliny proudí vnitřní trubkou a ta je vsazena do vnějšího pláště. Nasávaný vzduch proudí vzniklým mezikružím a částečně se ohřívá. Pokud je komínek dlouhý zhruba 2 metry a teplota vyfukovaných spalin je přes 180^oC, můžeme zvýšit tepelnou účinnost o 1%. Ohřejeme nasávaný vzduch zhruba o 20^oC. Větším přínosem tohoto řešení je skutečnost, že nasáváním vzduchu z venkovního prostředí mám ze zářiče "uzavřený spotřebič". Nemusím pak stavebnímu úřadu dokladovat, že je ve výrobní hale ostatečná vzduchová kapacita pro hořák.

Sálavá účinnost

Dobrá sálavá účinnost, jenž nezhoršuje účinnost tepelnou, je výsledkem několikaleté práce týmu inženýrů. Abych vysvětlil "antagonistický" vztah těchto dvou účinností, musím začít trochou teorie. Běžně používaný tvar Stefan-Boltzmanova zákona nám říká, že:

Qs [W] teplo vyzařované povrchem tělesa, zářiče C0 [W/m2K4] součinitel sálavosti, je roven 5,77 e [ 1 ] emisivita povrchu tělesa, běžná pro barvy je 0,96 T [K] absolutní teplota zářiče ( 0oC = 273,15 K) S [m2] aktivní plocha zářiče, spodní část trubek

Teplo vyzařované povrchem zářiče roste se čtvrtou mocninou teploty aktivní plochy zářiče a lineárně s aktivní plochou zářiče a s emisivitou povrchu. Kvalita povrchu je daná použitou černou matnou barvou.
Dvakrát větší teplota zářiče - několikanásobně větší sálavý výkon.
Dvakrát větší zářič - dvakrát větší sálavý výkon.
Oloupaný zářič bez barvy - naprosto zbytečné ztráty a vysoká teplota zářiče.

Nevím, zda je na místě, v časopise pro topenáře, vysvětlovat odborné veřejnosti notoricky známý výpočet tepelného prostupu konstrukce. Pro nezasvěcené pouze dodávám:
Teplo procházející izolací je úměrné rozdílu teplot na jedné a druhé straně a nepřímo úměrné tloušťce izolace.
Dvakrát větší teplota zářiče - dvakrát větší ztráty krytu.
Dvakrát tlustší kryt - poloviční ztráty krytu (zjednodušeně).

Nyní se dostávám k velmi důležitému objevu. Poměr mezi "sálavým výkonem" a "výkonem do teplého vzduchu", tedy vlastně sálavá účinnost tělesa, do značné míry závisí na teplotě. Zde si to zaslouží další obrázek (obr.2). Na něm je v grafu zachycena téměř "lineárně" rostoucí energie ztrát krytu Qk a "exponenciálně" rostoucí tepelný výkon. Ztráty v sobě zahrnují rovněž sálání do stropu, které roste rovněž "exponenciálně". Vzdálenost mezi křivkami odpovídá sálavému výkonu, ten roste "exponenciálně", a proto tímto "tempem" vzrůstá i výkon tepelný. Tepelný výkon je součtem sálavého výkonu a ztrát krytu Qk.

Obrázek č. 2 - V tabulce jsou údaje o růstu sálavé účinnosti s rostoucí teplotou u tmavého neizolovaného zářiče. Na grafu je tato závislost znázorněná pomocí sálavého výkonu a ztrát krytu.

V reálném světě bychom obdobný průběh sálavého výkonu a ztrát krytu naměřili u těch nejprimitivnějších zářičů. Jsou to pancéřové trubky pár metrů dlouhé, natřené barvou na gril a kryt zářiče mají pouze z plechu. Jsou takové a známe je i z našich fabrik a závodů. Pokud jsou v hale, která není moc vysoká a pokud je dodavatelská firma nepověsí někomu přímo nad hlavu, nic se neděje. Můžeme je považovat za plynové přímotopné radiátory. Někdy by však bylo výhodnější je instalovat pod okna.

Zajímavý je pohled na tabulku. Při teplotách okolo 250^oC je množství energie v teplém vzduchu od "tělesa" větší než tok sálavé energie. Sálavá účinnost skutečně připomíná "parní registr". Při teplotách kolem 350^oC se již "zářič" stává "zářičem" a úžasné 60% účinnosti dosahuje při teplotách okolo 500^oC. Pokud chceme zvyšovat sálavou účinnost nabízí se otázka: Proč ještě nezvednout teplotu zářiče, když nám sálavý výkon roste se čtvrtou mocninou teploty a ztráty krytu rostou jenom úměrně s teplotou?

• protože teplota plamene je pouze 1 950^oC.
• protože se ocel taví už při teplotě 1 500^oC.
• protože vysoké teploty v systému mají "destruktivní" vliv na zářič. Snižují životnost a zhoršují technické parametry. Teplota by neměla u pancéřových trubek přesahovat 450^oC, teplota na "spiro" potrubí by neměla být vyšší jak 300^oC.
• plavním důvodem je ale fakt, že zvýšením teploty v systému můžeme zvýšit "sálavou účinnost", ale zároveň tím zvedneme teplotu vypouštěných spalin. Tím dosáhneme zhoršení "tepelné účinnosti". Určité množství tepla se nám do haly ani nedostane. Je dobré mít spíše vyšší "tepelnou účinnost" než "sálavou", protože ztrátám krytu zářiče do jisté míry přisuzujeme statut "nainstalovaného výkonu". Jedinou možností jak zvýšit "celkovou účinnost" zářiče je konstrukčně zářič "promyslet" tak, že bude schopen pracovat s vysokou sálavou účinností při nízkých teplotách vypouštěných spalin. Nízkou teplotu spalin dosáhneme izolací krytu zářiče a snížením povrchové teploty. V neposlední řadě bych měl brát v úvahu cenu, zářič by neměl být "příšerně drahý".

Sálavá účinnost a izolovaný kryt - úvod do problému

Pro lepší pochopení problematiky "sálavé účinnosti" kompaktních zářičů jsem si připravil názornou pomůcku. V prostoru o teplotě 20^oC vodorovně zavěsím desku o nekonečné velikosti. Tuto desku natřu speciálním "sálavým" nátěrem a položíme na ni izolaci. Bude to plech, minerální vata tloušťky 5 cm a další plech. Tato izolace bude mít při středové teplotě 150^oC tepelnou vodivost "k" = 1. Jistě vás nepřekvapím tvrzením, že se tepelné vlastnosti izolace mění s teplotou. Čím více teplota roste, tím se zvětšuje tepelná prostupnost "kamenné vlny". Podrobnosti o změnách tepelné vodivosti s teplotou můžete nalézt například v prospektech firmy Rockwool. Pro informaci, během našeho "experimentu" se bude "káčko" měnit od 0,83 do 1,15.

Pro jednoduchost z této desky vyříznu plochu 1m², a tu budu ohřívat přiváděnou energií. Začnu s výkonem 1 kW a po krocích 1 kW skončím na 10 kW. Deska se ohřeje a začne sálat směrem dolů a izolace bude propouštět malé množství tepla směrem vzhůru. Pokaždé pečlivě změřím teplotu a množství tepla, které mi pronikne skrze rohož a krycí plechy. Množství tepla, které do desky přivedu, tedy tepelný výkon infrazářiče znám. Sálavý výkon desky bude rozdíl mezi přivedeným výkonem a ztrátou krytu.

Při sálavém výkonu 1kW/m² jsou výsledkem mého snažení následující hodnoty:

• Teplota : 120^oC, vůči okolí je to 100^oC,
• Ztráty krytem : ( 100^oC * 0,83 W/m²K) = 83 W
• Sálavý výkon : ( 1 000 W - 83 W ) = 917 W
• Sálavá účinnost zářiče : ( 917 W / 1 000 W) = 91,7 %

Nebudu se Vám dále předvádět s počtářskou zručností. Výsledky jsou zaznamenány v tabulce na následujícím obrázku.

Obrázek č. 3 - V tabulce jsou údaje vztahu sálavé účinnosti a teploty. Na grafu je znázorněno určení optimální teploty zářiče.

Nyní se pokusím určit "optimální teplotu" fungování zářiče. Vycházím z dvou hledisek. První hledisko je teoretické, jak se mi mění teplota desky, respektive pracovní teplota zářiče, když získám a nebo ztratím 1% ze sálavé účinnosti. Druhé hledisko je praktické.

Pokud budu chtít zvýšit sálavou účinnost z 95% na 96%, budu muset pracovní teplotu 300^oC zvednout na 390^oC, tedy o 90^oC. To povede k naprosto neadekvátní ztrátě tepelné účinnosti, někdy až o 4%. Pro dodavatele zářičů je zajímavé, že výkon z 1m² sálavé plochy vzroste na dvojnásobek. To mají moc rádi, protože pak mohou prodat poloviční zářič než konkurence, a to o stejném jmenovitém výkonu, případně mohou místo dvou zářičů prodat jeden. Ve většině případů to bude za stejnou cenu. Pro uživatele to znamená daleko kratší životnost zařízení, časté poruchy a ve většině případů i nevhodné pracovní prostředí (* viz poznámka na konci článku).

Pokud snížím sálavou účinnost z 93% na 92%, potom snížím pracovní teplotu ze 170^oC jen o 40^oC, tedy na 130^oC. Nárůst "tepelné účinnosti" bude pouze 1,5%, někdy i méně. Pro výrobce zářičů s modulovaným výkonem to znamená vyřešit "neřešitelné" problémy s kondenzací vodní páry v systému. Výkon z 1m² sálavé plochy nebudou 2 kW, ale jen něco přes 1 kW. Sálavá plocha bude zhruba dvojnásobná. Pro uživatele to znamená nákup obrovského monstra s problematickou návratností investice. Přínosem je téměř neomezená životnost "supernízkoteplotního" zářiče.

Z praxe jsou potvrzené nejlepší výsledky s pracovní teplotou okolo 230^oC. Při této teplotě je sálavý výkon z 1m² plochy zhruba 3,3 kW. Při této teplotě by měl mít zářič 75% výkon. Rozsah teplot a relativních ztrát krytu a výkonu na 1m² je zhruba následující (viz obr.4).

Obr. 4

		Teplota zářiče	Relativní ztráty krytu	Sálavý výkon na 1m2 plochy
Maximální výkon	100%	270oC	5,4%	4,4 kW / m2
Pracovního výkon	75%	230oC	5,8%	3,3 kW / m2
Snížený výkon	50%	190oC	6,5%	2,2 kW / m2
Minimální výkon	30%	150oC.	7,2%	1,3 kW / m2

Teplota maximálního výkonu by měla odpovídat jmenovitému výkonu infrazářiče. Teplota minimálního výkonu by měla být nejnižší teplota při plynulé regulaci výkonu. Při potřebě nižšího výkonu, by se měl zářič již vypnout.

Sálavá účinnost a izolovaný kryt - technické řešení

Žádný plynový kompaktní infrazářič nemá parametry z předchozí kapitoly. Je to dáno konstrukcí zářiče. Ten je většinou tvořen jednou nebo dvěma trubicemi krytými seshora a zboku krytem zářiče. Plocha krytu je vždycky větší než plocha aktivního povrchu sálavých trubic. Problematiku navíc komplikuje fakt, že pro různé velikosti trubic je tento poměr odlišný. Názorně je to zachyceno na následujícím obrázku.

Obrázek č. 5 - Na obrázku jsou vlevo znázorněny dva různé systémy zářičů a vpravo jsou jejich parametry pro různé průměry trubic. Graf znázorňuje různé účinnosti při různých výkonech zářičů

Předpokládám běžnou konstrukci krytu. Sálavé trubice jsou od krytu vzdáleny 50 mm. Kryt má spodní přesah 50 mm. Aktivní sálavá plocha je po zkušenostech a měřeních braná jako spodní část trubek. Není počítáno s celou polovinou trubky, ale jenom s výsekem 150°.

První sloupec je označen: D [ mm ] - je to průměr použitých trubic zářiče.
Druhý sloupec je označen: S [ m² ] - je to sálavá plocha na 1 m délky zářiče.
Třetí sloupec je označen: K [ m² ] - je to plocha krytu na 1 m délky zářiče.
Čtvrtý sloupec je označen: K/S [ 1 ] - je to poměr předchozích dvou ploch.

Další tři sloupce mají vztah k předchozí kapitole. Relativní ztráty krytu jsou přepočteny na skutečný poměr velikosti sálavé plochy a plochy krytu. Jsou získány tak, že jsou hodnoty z tabulky (obr.4) vynásobeny koeficientem K/S. Stejně tak je přepočten maximální výkon při teplotě 270^oC z 1 m² na výkon z 1 metru délky zářiče. Poslední kolonka udává konkrétní sálavou účinnost jednotlivých krytů.

Pátý sloupec je označen: qk [ % ] - jsou to relativní ztráty skutečného krytu.
Šestý sloupec je označen: Qs [ kW/m ] - je to maximální sálavý výkon na 1 m zářiče.
Sedmý sloupec je označen: hs [ % ] - je to sálavá účinnost zářiče při 100% výkonu.

Při nižších výkonech než je 100% se sálavá účinnost dále snižuje. Pro systém dvou trubek vedle sebe jsou ve spodní části obrázku v grafu zachyceny účinnosti při různých výkonech. Z průběhů křivek je patrné, jak jsou výhodnější zářiče s větším průměrem trubic. Volba velikosti zářiče je však vždy spojená s konkrétní vytápěnou halou. Uvedu příklad: Chci vytápět halu jedním zářičem pověšeným v ose haly. Prostor je široký 18 metrů a vysoký 10 metrů. Potřebuji 20 W na 1 m³ prostoru, a tak vlastně musím do jednoho metru délky haly přivézt (18*10*20) 3,6 kW. Nahlédnu na obrázek číslo 4 a zvolím průměr potrubí 315 mm.

Aby toho nebylo dost, musím Vám prozradit, že jsem zatím vůbec nepočítal s vyplachováním krytu zářiče. Jde o ztrátovou energii teplého vzduchu, jenž proniká skrze kryt netěsnostmi a nebo je vyplavován z krytu, když je v hale průvan. Tato energie je obdobou ztrát budovy infiltrací při klasickém výpočtu tepelných ztrát. Na její minimalizaci má vliv dílenské provedení krytu, ve kterém by neměly být moc velké "díry". Na druhou stranu je pravdou, že teplota pod krytem po celé jeho ploše někdy nedosahuje teploty trubic. Abych byl ale přesný. Některá řešení mají teplotu pod krytem dokonce vyšší než je průměrná teplota trubic a někdy je teplota pod krytem nižší. To znamená, že některé zářiče mají lepší sálavou účinnost, než zde byla uvedena, a některé ji mají podstatně horší. Konkrétní příklady snižování ztrát krytu jsou popsány v následující kapitole. Ta pojednává o čtyřech případech různých konstrukcí zářičů.

Tuto kapitolu uzavřu poznámkou, co se stane, když zářič opatříme slabším krytem a nebo když se barva zářiče oloupe. Zatím jsem uvažoval o tloušťce krytu 5 cm, jenž měl v pracovním rozsahu "k" = 1. Zvyšování tepelné vodivosti krytu jeho zeslabováním a následné zhoršování sálavé účinnosti zářičů naznačují další čísla. Je uvažován zářič o průměru trubek 250 mm a pracuje na 75% výkon - běžný provozní stav. Tloušťka je:

• 5 cm "káčko" je 1,00; sálavá účinnost je 88.0 %
• 4 cm "káčko" je 1,16; sálavá účinnost je 86,1 %
• 3 cm "káčko" je 1,40; sálavá účinnost je 83,2 %

Rozdílem je 5 % snížení sálavé účinnosti. Tenčí kryt je možné dávat k zářičům, jenž pracují s vyšší teplotou. Tam se rozdíl v kvalitě krytu tolik neprojevuje.

Kapitola sama pro sebe je oloupaná barva na zářičích, případně svépomocná oprava barvou co "údržba" našla ve skladu. Oloupáním barvy se snižuje koeficient emisivity na hodnotu 0,75 až 0,80. Důsledky jsou pro účinnost kompaktních zářičů katastrofální. Výrazně vzroste teplota v systému, tím klesne tepelná účinnost díky vysoké teplotě spalin a zároveň klesne sálavá účinnost. Celková účinnost se může propadnout až o 30%. Nehledě na to, že hrozí přehřátí systému a jeho destrukce. K oloupání barvy na pozinkovaném "spiro" potrubí dochází při teplotách nad 350^oC.

I. zářič - pokus o maximální tepelnou účinnost

Tento příklad zářiče je ilustrativní. Takový zářič není skutečný, tedy alespoň v to doufám. Vznikl jako numerický model v mém počítači, i když parametry byly ověřovány na něčem podobném. Základním kritériem je minimální teplota vypouštěných spalin. Vezmu trubku, na jedné straně dám hořák a na druhou odtahový ventilátor. Délku trubky maximalizuji tak, abych se dostal skoro na hranici kondenzace. Výsledek je přehledně zachycen na obrázku č.6.

Obrázek č. 6 - Příklad zářiče s maximální "tepelnou účinností"

Na první pohled je jasné, že tento zářič je pro vytápění haly naprosto nevhodný. Průběh intenzity sálání se z jeho délkou velmi výrazně mění, těžko by hledal uplatnění v naší vyspělé společnosti. Díky tomu, že teploty sálavé plochy jsou převážně mimo optimální rozsah, má velmi nízkou sálavou účinnost. Zářič je ve své druhé polovině "podchlazený". Další nevýhodou tohoto typu zářiče je velká plocha krytu na sálavou plochu. Normálně je zářič tvořen dvěmi trubkami vedle sebe. To ukazuje další příklad.

II. zářič - běžné řešení, standardní provedení

Myšlenka tohoto typu zářiče je jasná, trubka se v polovině své délky ohne a je vedena zpět, pod jedním krytem. Průběh intenzity záření je sice daleko rovnoměrnější než v předchozím případě, ale k dokonalosti má stále daleko. Velkou nevýhodou je fakt, že hořáková trubka ohřívá trubku ventilátorovou. Hořáková trubka je nejteplejší hned na začátku (za hořákem) a v těchto místech by měla být ventilátorová trubka nejstudenější. Ale není. Velký rozdíl teplot dává vzniknout "tepelnému mostu", hodně energie se dostává do ventilátorové trubky těsně před tím, než spaliny odcházejí ze zářiče.

Obrázek č. 7 - Příklad normálního zářiče bez speciálních úprav

Velkou výhodou tohoto řešení je možnost integrace hořáku a odtahového ventilátoru. To umožňuje další kroky k zlepšení účinnosti zářiče. Nejdůležitější je dosažení rovnoměrnějších teplot na hořákové trubce. Pokud možno, mít na začátku co nejmenší teplotu. Toho můžeme dosáhnout dvěma způsoby, jedním z nich je následující příklad na obrázku 7.

III. zářič - keramická vrstva v hořákové trubce

Konečně bylo dosaženo rovnoměrného sálavého výkonu po celé délce zářiče, proto nemusí být v první půlce haly lehká montáž a v druhé polovině sklad. Toho je dosaženo vystláním zářiče keramickou izolací. Ta je odstupňována ve své tloušťce, což dokumentují skoky v teplotě hořákové trubky. Je zde naznačena snaha o minimalizaci velikosti krytu zářiče zkosením jeho hran. Průběhy teplot jsou již skoro v optimální pásmu, a tak je celková účinnost velmi slušná. U tohoto typu zářiče je vzhledem k vysokým teplotám spalin výhodné nainstalovat komínkový rekuperátor (obr.8).

Obrázek č. 8 - Zářič má keramickou vystýlku hořákové trubky

IV. zářič - maximální dosažená účinnost

Kromě keramické vystýlky můžeme k dosažení rovnoměrných teplot na hořákové trubce použít tzv. recirkulaci spalin v zářiči. Odtahový ventilátor má dvě oběžná kola a jedním z nich vrací spaliny zpět do hořákové trubky. Tím se podstatně zvýší rychlost proudu v potrubí, teplo se dostane mnohem dál. Množství vzduchu, jenž je recirkulován musí být minimálně srovnatelné s množstvím, jenž profoukneme hořákem. Čím víc, tím líp.

Nyní jsme dokázali přibližně srovnat teploty trubic ve směru osy zářiče a díky recirkulaci můžeme srovnat teploty i na průměru trubek. Není tajemstvím, že teploty jsou značně nerovnoměrné. Když na spodku trubky naměříme teplotu 200^oC, můžeme v tom samém místě z boku trubky naměřit až 250^oC. Teplota na horní - odvrácené straně dosahuje až závratných hodnot. Je to samozřejmě dáno tím, že spodek trubky tvoří sálavá plocha, která ztrácí energii sáláním, zatímco horní část trubky je pěkně v teple pod krytem. Ani proud vzduchu v trubkách se nesnaží nic na tom změnit. Nejstudenější klesá dolů a nejteplejší nahoru. Velká legrace je, když plamen "olízne" horní část trubky.

Geniální myšlenkou je vzduch v trubkách roztočit. Hned za hořákem to funguje jako ve ždímačce. Studený vzduch je těžší, a tak se drží u stěn trubek, horký plamen zůstává pěkně v ose trubky, proto se nám dostane až na konec zářiče. Rotace v trubce samozřejmě přenáší energii z horní části do spodní, čímž výrazně vyrovnává teploty. Tento článek není návodem k výrobě, proto se zde nebudu rozepisovat o tom, jak se to dělá. Systémy "turbulátorů" jsou dobře chráněným "know how" mnoha firem. Před zvídavým okem jsou skryty uvnitř zářiče, takže stejně není v silách pozorovatele je zhodnotit. Jediné vodítko je udávaný elektrický příkon v prospektech. Krom zvláštních případů "ostrých" kolen zde platí, že čím je elektrický příkon na kW výkonu vyšší, tím se bude jednat o dokonalejší recirkulaci( obr.9).

Obrázek č. 9 - Ideální zářič za rozumnou cenu

Další nespornou výhodou snížení teploty na horní straně trubek je samozřejmě snížení celkové teploty pod krytem, a tím zmenšení ztrát prostupem. Rotace v trubkách má dále blahodárný vliv na životnost zářiče. Jestliže je rozdíl teplot spodní a horní části trubky větší než cca. 50^oC, dochází k viditelnému prohnutí trubek. Ty bývají většinou pevně spojeny do sebe, a tak si jistě dokážete představit jejich deformace a pnutí. Regulace "zapnuto / vypnuto" k tomu dodá patřičný počet cyklů - za dva roky až 5 000. Kombinace tepelného a mechanického namáhání pak dělá z trubek zářičů spotřební materiál. Zeptejte se v Milevsku, zda jsou jejich výrobky určeny k odvodu horkých spalin, jenž budou namáhány na střih a tlak.

Moderní systém by měl mít i moderní tvar. Na obrázku je naznačeno, jak je možné zmenšit tvar krytu a přitom zachovat velikost sálavé plochy. Se zmenšení plochy by mělo dojít i k zmenšení objemu. Tím minimalizujeme ztráty vyplachováním. Když trubky od sebe oddělíme izolací, nebude docházet k odnášení tepla zpátečkou mimo zářič. Dobré je i tzv. komorové uspořádání. To zamezuje podélnému pohybu vzdušiny pod krytem, a pokud jsou přepážky natřené "sálavou" barvou, zvětšuje se aktivní plocha zářiče. Dalo by se o tomto tématu popsat ještě hodně papíru, ale možnosti časopisu jsou omezené.

Několik poznámek na závěr

Filozofie sálavého vytápění vychází z poznatku, že vytápět vysoké prostory teplým vzduchem není příliš hospodárné. Přirozeným rozvrstvením různě teplé vzdušiny dochází k tomu, že nejstudenější vzduch je u podlahy - tedy v pracovní zóně a nejteplejší pod střechou. To je důvod, proč je výhodnější tepelnou energie dále přeměňovat na energii sálavou a tou vyhřívat podlahu. Výsledkem této snahy by mělo být takové zvrstvení vzduchu, že nejteplejší bude v pracovní zóně, tedy těsně nad podlahou a nejstudenější v oblasti světlíků. Takto vzniklá úspora energie představuje několik desítek procent (záleží vždy na výšce, stavu haly apod.).

Stejně tak jako u nekvalitního teplovzdušného vytápění, tak i u nekvalitních zářičů dochází k tomu, že víc jak 50% energie zůstává pod střechou ve formě horkého vzduchu. U TVJ lze mluvit o tom, že účinnost distribuce tepla do pracovní zóny je horší jak 50%. U zářičů mluvíme o tom, že jejich sálavá účinnost je horší jak 50%. Výsledek je však stejný, je třeba dvojnásobného instalovaného výkonu a náklady na vytápění jsou také dvakrát větší.

Nekvalitní TVJ poznáme podle toho, jak vysokou teplotu má vyfukovaný vzduch. Velmi dobrým výsledkem je, když teplota při maximálním výkonu jednotky není vyšší jak 30 -35^oC. Pro laiky dodávám, že není třeba tuto teplotu měřit teploměrem, stačí si srovnat množství vzduchu prohnané jednotkou a její instalovaný výkon. Nekvalitní zářič poznáme podle teploty krytu. Pravidlo je zde ještě jednodušší. Pokud se krytu dotkneme celou dlaní po dobu 10 vteřin a nemusíme odjet k lékaři na ošetření popálenin, není to tak zlé.

Méně kvalitní vytápěcí systémy jsou často prodávány včetně tzv. míchaček vzduchu. Ze strany prodejců se zde jedná spíše o alibi, než o upřímnou snahu něco vyřešit. Pokud mají tato zařízení ve vysoké hale podstatně zlepšit zvrstvení vzduchu, musí být na každých 10 až 20 kW instalovaného tepelného výkonu jeden agregát. Kompletní cena dodávky a montáže jedné vrtule (včetně elektroinstalace apod.) představuje zhruba 20.000,- Kč. To představuje navýšení ceny vytápěcího systému o 1.000 až 2.000,- Kč na jednu kW. Takový rozdíl je však větší, než rozdíl cen mezi kvalitním a nekvalitním topením. Jedna míchačka na jeden 40 kW zářič v deseti metrech nad podlahou je málo.

Poznámky pro projektanty:
Pokud se vám dostanou do ruky prospektové materiály od infrazářiče, zkontrolujte si v první řadě pracovní teplotu. Je to velmi jednoduché. Zjistěte si průměr potrubí, podívejte se na obrázek číslo 4 a optimální výkon z metru zářiče vynásobte jeho skutečnou délkou. Tuto hodnotu porovnejte s udávaným jmenovitým výkonem zářiče. Pokud se dostanete s Vaším výpočtem na polovinu hodnoty uváděného v prospektu, je třeba jisté obezřetnosti.

Někteří dodavatelé řeší velmi "originálně" problematiku tepelné účinnosti, a to tak, že k zářičům nenamontují komínek a nechávají spaliny ve vytápěném prostoru. Tvrdí potom, že mají 100% tepelnou účinnost, jelikož všechno teplo zůstává v hale. S vážnou tváří k tomu dodávám, že jejich účinnost je minimálně 102%, jelikož srážením vodní páry ze spalin na konstrukci haly dokážou napodobovat nejmodernější kondenzační kotle. Ovzduší bohaté na kysličníky uhlíku, dusíku a vodní páru není však vhodné ani pro skleník.

Poznámka pro ekonomy:
Ekonomická úvaha o úspoře nákladů na vytápění může být následující. Pokud mám v hale nainstalován výkon 100 kW, mohu protopit za rok 15 až 20 tisíc m³ plynu. Při současných cenách 6,- Kč za kubík to je 90 až 120 tisíc za rok. Patnáctiprocentní úspora mi přinese zhruba 15 tisíc korun ročně. Za tři roky to je 50 tisíc. Za další tři roky to však bude už 120 tisíc korun, protože po asimilaci EU budou ceny srovnány na její úroveň. Jestliže investice do toho nejkvalitnějšího systému je 3.000 korun na 1 nainstalovanou (namontovanou) kW, a neskonale horší řešení stojí 2.000 korun, není opodstatněná úspora investičních nákladů na úkor budoucích provozních nákladů.

Poznámka pro ostatní čtenáře:
V tomto článku byla zmíněna problematika, jenž již byla publikována v tomto časopisu. Pokud nemáte k dispozici předchozí ročníky, a máte zájem o další informace o této problematice, můžete navštívit stránky www.topenidohal.cz.
Na tuto adresu můžete směřovat případné dotazy a konfrontace. Za zaslané názory předem děkuji.