Experimentální ověřování sálavých otopných ploch
Průběhy a výsledky prvních měření prováděných na podlahových a stěnových topných plochách v laboratoři Ústavu TZB VUT v Brně. Jedná se o první pokusná měření, která budou v topné sezóně roku 2003 a 2004 postupně ověřována, doplňována a rozšiřována.
Úvod
V následujících statích jsou uvedeny průběhy a výsledky prvních měření prováděných na topných plochách v laboratoři Ústavu TZB. Jedná se o první pokusná měření, která budou v topné sezóně roku 2003 a 2004 postupně ověřována, doplňována a rozšiřována.
Teplovodní systémy stěnového vytápění
Charakteristika laboratorních měřících ploch se stěnovým vytápěním
Měření bylo prováděno na ploše se stěnovým teplovodním vytápěním tří různých způsobů provedení. Topné registry jsou umístěné na ochlazované stěně vytápěné místnosti. Omítka je vápenocementová - armovaná, ve dvou tloušťkách 2,5 a 3,5 cm.
 Obr.1 - Plochy stěnového vytápění před zaomítáním |
 Obr.2 - Schéma měřících ploch stěnového vytápění |
| Měřená plocha |
Potrubí | Dimenze mm |
Rozteč mm |
Tloušťka omítky mm |
| A | PB - Gabolite | 8x1 | 60 | 25 |
| B | PE-X - Rautherm | 12x2 | 100 | 35 |
| C | PB - Radianox | 14x2 | 200/100 | 35 |
| Tab. 1 - Charakteristika topných registrů měřících ploch |
Topná plocha každého registru činí 1,8 m2.
| Číslo vrstvy | Materiál | Tloušťka mm |
| 1 | Omítka VC + topné registry | 25,35 |
| 2 | Siporex (plynosilikát) | 250 |
| 3 | Tepelná izolace (Orsil - minerální plsť) | 100 |
| 4 | Větraná vzduchová vrstva | 50 |
| 5 | Fasádní keramický obklad | 6 |
| Tab. 2 - Charakteristika stavební konstrukce |
Součinitel prostupu tepla pro výpočtové parametry dle ČSN EN ISO 6946
Pro konstrukci se stěnovým vytápěním, je-li
Sledovaná konstrukce nevyhovuje požadavkům tepelné ochrany budov. ČSN 730540-2 (listopad 2002) stanovuje pro stěnu s vytápěním požadovaný součinitel prostupu tepla UN = 0,3 W/m2K, doporučená je však hodnota UN DOP = 0,2 W/m2K. Daná stávající stavební konstrukce nevyhovuje novým požadavkům tepelné ochrany budov pro těžkou stěnu s vytápěním. Větrání 50 mm vzduchové vrstvy se v konkrétním případě projeví na hodnotě součinitele prostupu tepla jen velmi malým rozdílem.
Provedená experimentální měření
- Sledování průběhu teplot v konstrukci při provozu stěnového vytápění a v době bez vytápění. Pro tato měření jsou ve stavební konstrukci zabudovaná teplotní čidla. Výsledky měření jsou zpracovány pro plochu "A".
- Sledování povrchových teplot jednotlivých topných ploch. Byla provedena podrobná měření s několika teplotními čidly "v síti" individuálně pro každou plochu a kontrolní souběžné měření.
- Názorný snímek termokamerou.
- Měření tepelného toku do místnosti. Měření probíhalo současně pro všechny sledované plochy.
Obr.3 - Měření tepelného toku
Rozložení teplot v konstrukci
 Obr.4 - Průběh teplot v konstrukci při průměrné venkovní teplotě v lednu a pro teploty odpovídající parametrům v době měření |
 Obr.5 - Teoretický průběh teplot v konstrukci při výpočtových parametrech dle ČSN EN ISO 6946 |
Posun teplotní křivky oproti teoreticky stanoveným hodnotám je ovlivněn především nekvalitním provedením stěny ze Siporexu, jejíž skutečný součinitel tepelné vodivosti lokálně neodpovídá součiniteli výpočtovému.
Se systémem stěnového vytápění je průběh teplot ve stěně posunut k vyšším hodnotám. Bod promrzání je posunut směrem k venkovní straně konstrukce. Při venkovním obložení tepelnou izolací je u stěnového vytápění promrzání zdiva prakticky za všech podmínek vyloučeno. Navíc je umožněno využití zdiva jako určitého akumulátoru tepla.
Graf 1 - Teploty zabudovaných čidel v konstrukci se stěnovým vytápěním a bez stěnového vytápění
Grafické výsledky měření sledovaných topných ploch
Graf 2 - Plocha "A", měření 13. a 14.2.2003
Graf 3 - Plocha "B", měření 4. a 5.1.2003
Graf 4 - Plocha "C", měření 5. a 6.1.2003
Měření bylo prováděno při teoreticky konstantní teplotě topné vody vstupující do rozdělovače stěnových okruhů a to 40°C. Regulace byla prováděna škrcením průtoku topné vody před deskovým výměníkem, zásah TRV je zřejmý z křivky snímající teplotu trubek topných hadů. Teplotní spád mezi přívodní a vratnou vodou u rozdělovací stanice činil max. 1°C. Teplota povrchu omítky byla vždy snímána několika teplotními čidly umístěnými v "síti" rozteče 40 mm (A,B) a 50 mm (C) uprostřed měřených ploch. Interval měření činil 5 min.
Obr.6 - Snímek povrchu plochy termokamerou
Vyhodnocení měření povrchových teplot topných ploch
Hodnoty jsou stanoveny z naměřených údajů v průběhu dvou hodin u každé z ploch a to v nočních hodinách s vyloučením oslunění, v době poměrné stability teploty topné vody (mimo zásah TRV). Vzhledem k omezenému počtu čidel nemohlo být měření na všech plochách prováděno současně.
| Plocha | Průměrná teplota povrchu trubky | Průměrná teplota povrchu omítky | Max. teplota povrchu omítky | Min. teplota povrchu omítky | Max. rozdíl povrchových teplot v jednom měření |
| A | 36,8 | 36,6 | 37,7 | 35,5 | 2,2 |
| B | 40,0 | 35,9 | 36,6 | 35,4 | 1,2 |
| C | 38 | 33,4 | 35,0 | 32,2 | 2,8 |
| Tab.3 - Výsledky měření povrchových teplot ve °C |
Při kontrolním současném měření povrchové teploty uprostřed každé z ploch vykazovala v nočních hodinách plocha A teplotu povrchu nejvyšší a C nejnižší (např. A/B/C - 33/30,9/29) a to při ti=23,5°C. Všechny měřené otopné plochy jsou i při rozdílných provedeních navrženy tak, aby při stejných teplotách topné vody vykazovaly alespoň přibližně podobné hodnoty měrného tepelného výkonu ve W/m2. U potrubí PE-X plochy B se na teplotě povrchu trubky výrazně projevuje její nejvyšší tepelná propustnost vzhledem k dimenzi a součiniteli tepelné vodivosti (λ pro PE-X je 0,35 W/m.K, pro PB 0,22 W/m.K). Malá tloušťka omítky plochy A způsobuje, že teplota povrchu omítky přibližně odpovídá teplotě povrchu topného hadu a je ze sledovaných topných ploch nejvyšší.
Grafické výsledky měření hustoty tepelného toku topných ploch stěnového vytápění
Graf 5 - Tepelný tok stěnového vytápění
Vyhodnocení měření tepelného toku stěny
Pro vyhodnocení byla vybrána data z nočních hodin (19:57 až 23:57 hod) s vyloučením oslunění, v čase poměrné stability teploty topné vody. Nastavení průtoku pro jednotlivé okruhy bylo provedeno na rozdělovací stanici. Hodnocení bylo provedeno s použitím vztahů pro sdílení tepla ze svislé otopné plochy. Teplota interiéru byla měřena teplotním čidlem v černé kouli (kulovým teploměrem) ve výšce cca 1 m nad podlahou.
| Sledovaná plocha | Průměrná teplota interiéru °C | Průměrná teplota přívodní topné vody °C | Průměrná teplota povrchu °C | Průměrný tepelný tok W/m2 |
| A | 23,85 | 41,5 | 33,95 | 70,96 |
| B | 32,30 | 65,63 | ||
| C | 31,35 | 47,94 |
| Tab.4 - Měřené hodnoty |
| Plocha | Součinitel přestupu tepla sáláním | Měrný tepelný tok sáláním | Součinitel přestupu tepla konvekcí | Celkový součinitel přestupu tepla | Hustota tepelného toku W/m2 |
| A | 5,45 | 55 | 3,32 | 8,77 | 88 |
| B | 5,40 | 45,6 | 3,13 | 8,53 | 72 |
| C | 5,38 | 40,4 | 3,01 | 8,39 | 63 |
| Tab.5 - Vypočtené hodnoty pro parametry měření dle teploty povrchu |
Měřený tepelný tok byl vždy nižší než tepelný tok teoreticky stanovený pro parametry při měření (teplota povrchu, teplota interiéru). Provedená měření vykazují určitou chybu danou samotnými deskami pro měření tepelného toku, které dle jejich výrobce pracují s odchylkou do 5 K a neúplným dotykem desky ke stěně. Měřidla nebyla kalibrována.
Informatické hustoty tepelných toků u vyšší teploty topné vody jsou zřejmé z grafu 5 na počátku měření, kdy nebyla v provozu regulace přívodní topné vody.
Teplovodní systém podlahového vytápění
Charakteristika laboratorní měřené plochy
 Obr.7 - Laboratorní měřící plocha "B" s podlahovým vytápěním |
Skladba podlahy nad vytápěným prostorem:
|
|
Vyhodnocení měření povrchových teplot
| Podlahová krytina | Průměrná Ti °C | Prům. teplota potěru Tzab. °C | Prům. teplota povrchu potrubí °C | Průměrná teplota povrchu °C | Max. rozdíl povrchových teplot v jednom měření °C | |
| Holý potěr | 23,45 | 33,5 | 37,23 | 30,01 | 29/30,8 | |
| PVC | 23,18 | 32,8 | 38,6 | 29,29 | 30,1/28 | |
| Koberec | 22,85 | 31,8 | 36,45 | 26,85 | 27,8/25,9 | |
| Tab.6 - Výsledky měření povrchových teplot |
Teplota přívodní topné vody činila 39,5°C.
Vzhledem k malé rozteči potrubí je povrchová nerovnoměrnost malá (nepřesahuje 2°C) a neprojevuje se žádný vliv podlahové krytiny. Koberec se podílí na poklesu teploty povrchu sledované plochy o cca 3°C a tím i poklesu výkonu podlahového vytápění.
Doba náběhu topné desky na ustálenou hodnotu výkonu činila 3 hodiny. Po dvou hodinách vykazovala deska 84 % výkonu.
Grafické výsledky měření hustoty tepelného toku podlahové plochy
Graf 6 - Tepelný tok podlahového vytápění
| Povrch | Průměrná Tp °C | Průměrná Ti °C | Průměrná hustota tep. toku qW/m2 | Vypočtená hodnota hustoty tep. toku pro měřené parametry W/m2 |
| Holý potěr | 30,1 | 24,6 | 62,6 | 58,2 |
| Koberec | 28,2 | 24,6 | 46 | 36,5 |
| PVC | 29,8 | 22,9 | 87,9 | 74,7 |
| Tab.7 - Výsledky měření podlahové topné plochy a jejich porovnání |
Kontrola hustoty tepelného toku v závislosti na průměrné povrchové teplotě a jmenovité vnitřní teplotě (dle základní charakteristické křivky):
q = 8,92 . (Tp - Ti)1,1
viz ČSN EN 1264-2
Přesnost měření tep. toku měřící deskou se pohybuje s odchylkou 5 až 10 W/m2. Interval měření činil 30 minut. Topná voda byla udržována na 39°C. Na každé ploše byly pro kontrolu instalovány dvě měřící desky (tepelný tok 1 a tepelný tok 2). Z naměřených hodnot je v grafu viditelné, že pracují s určitou nepřesností.
ZÁVĚR
U stěnového vytápění byly naměřené hodnoty tepelného toku vždy nižší, než hodnoty teoreticky stanovené. U podlahového vytápění tomu bylo naopak a naměřené hodnoty hustoty tepelného toku byly vyšší. Rozsah měření byl časově omezen jednou topnou sezónou a dalšími činnostmi probíhajícími v nové laboratoři. Proto budou měření postupně doplňována a ověřována a to i v simulačních počítačových programech.
Graf 7 - Porovnání měřených a vypočtených hodnot hustot tepelného toku
(A = PB - Gabolite, B = PE-X - Rautherm, C = PB - Radianox)