Analýza sálavého toku podlahového a stropního vytápění – výzkumná zpráva
© Fotolia.com
Zájemci o velkoplošné vytápění se často ptají, jak velký podíl na předávání tepla má sálavá složka a složka konvekční. Základním důvodem je obava z nadměrného proudění vzduchu v místnostech, víření prachu atp. Druhým důvodem je potřeba posoudit, zda intenzita sálání tepla bude pro člověka příjemná, komfortní, že v celé místnosti bude rovnoměrné vnitřní prostředí bez rušivých zón atp.
Společnost Fenix Group a.s. jako výrobce a dodavatel přímotopných konvekčních a sálavých elektrických těles a také velkoplošných systémů založených na použití elektrických topných kabelů a fólií si za účelem ověření parametrů velkoplošného vytápění zadala u UCEEB provedení laboratorních testů s cílem ukázat, jaké jsou skutečné tepelné toky a jejich podíly jak pro podlahové, tak stropní vytápění realizované z jejích výrobků. Pro stropní vytápění byly využity vzájemně pospojované stavebnicově řešené moduly. Nutno podotknout, že naměřený vysoký podíl sálavé složky u podlahového i stropního vytápění, zejména s ohledem na relativně nízké povrchové teploty, byl do jisté míry překvapením. Analýza tak jednoznačně potvrdila, že podlahové i stropní vytápění jsou nejen oprávněně klasifikovány jako sálavé topení, ale mezi těmito systémy se vyznačují i jedním z nejvyšších podílů sálavé složky. V článku je uveden popis zadání testů, metodiky a provedení měření, zjištěné výsledky a stručné vyhodnocení.
1 PŘEDMĚT ZAKÁZKY
1.1 Základní údaje zakázky
| Objednatel: | Fénix Trading s.r.o. |
| Adresa: | Slezská 535/2, Jeseník |
| IČ: | 48399043 |
| Web: | http://www.fenixgroup.cz/ |
| Zastoupena: | Ing. Cyrilem Svozilem |
| Kontaktní údaje: | email: c.svozil@fenixgroup.cz |
| Zhotovitel: | České vysoké učení technické v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov |
| Adresa: | Třinecká 1024, 273 43 Buštěhrad |
| IČ: | 6840770 |
| DIČ: | CZ68407700 |
| Web: | www.uceeb.cz |
| Zodpovědná osoba: | Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. |
| Předmět objednávky: | Stanovení sálavého tepelného toku pro elektrické podlahové a stropní vytápění v závislosti na vzdálenosti od vytápěné plochy. Sálavý tok je stanoven pro ustálený teplotní stav v měřící kabině (teplota interiéru 21 °C, teplota exteriéru -10 °C). Dále je předmětem stanovení podílu tepelného toku sáláním k elektrickému příkonu vytápěné plochy. |
1.2 Specifikace obsahu zakázky
Předmětem této výzkumné zprávy je stanovení sálavého tepelného toku pro elektrické podlahové a stropní vytápění (výrobek objednavatele) v závislosti na vzdálenosti od vytápěné plochy. Sálavý tok je stanoven pro ustálený teplotní stav v měřící kabině (teplota interiéru 21 °C, teplota exteriéru -10 °C).
Předmětem zprávy je také stanovení podílu tepelného toku sáláním k elektrickému příkonu pro podlahové a stropní vytápění.
2 METODICKÝ POSTUP
Stanovení sálavého tepelného toku i výsledného podílu tepelného toku sáláním bylo provedeno při experimentálním měření v klimatické kabině zhotovitele.
2.1 Metodika experimentálního měření
2.1.1 Měřící situace
Měření proběhlo v klimatické kabině Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT v Praze. Jedná se o místnost, v jejímž okolí lze upravovat tepotu a napodobit tak reálné podmínky působící na budovy v letním a zimním období.
Podlahové i stropní vytápění bylo realizování pomocí elektrické topné folie. Folie ECOFILM F (40 W/m2) byla u podlahového vytápění osazena pod nášlapnou vrstvou (laminátová „plovoucí podlaha“) a u stropního vytápění folie ECOFILM C (100 W/m2) nad sádrokartonovou deskou. Systém vytápění spolu s jeho regulací (prostorový termostat umístěn na stěně kabiny) byl v kabině osazen objednatelem standardním způsobem. Schéma kabiny viz obr. 2-1.
Veškerá měření proběhla při ustáleném stavu, při kterém byla teplota interiéru řízena prostorovým termostatem na hodnotu 21 °C a teplota meziprostoru (exteriéru) dosahovala -10 °C.
Obrázek 2-1 Schéma měřícího místa a umístění panelů
2.1.2 Postup měření sálavého tepelného toku.
Měřicí kabina byla nejprve vybavena potřebnou měřicí technikou (viz Tab. 2-1):
- Na stěny byla osazena teplotní čidla pro měření povrchové teploty,
- na podlaze a stropu byly vyznačeny kontrolní body pro vyhodnocení měřítka záběru termokamery,
- byl instalován stojan s kulovým teploměrem (výška 1.1 m),
- byl instalován výškově posuvný stojan s čidlem sálavého tepelného toku,
- byl instalován pomocný zdroj tepla (plechový válec s žárovkou o příkonu 75 W).
Poté byla připravená kabiny uvedena do teplotně ustáleného stavu (nastavená teplota termostatu 21 °C, teplota meziprostoru nastavena na -10 °C). K prvotnímu ustálení kabiny došlo po cca 40 hodinách (podlahové vytápění). Při ustalování byl kromě vlastní otopné plochy v činnosti i doplňkový zdroj tepla.
Při vlastním měření byla nejprve otopná plocha snímkována termokamerou a bezprostředně poté byl měřen sálavý tepelná tok v jednotlivých vzdálenostech od otopné plochy (300 mm, 800 mm, 1300 mm, 1800 mm, a 2300 mm). Měření sálavého tepelného toku bylo opakováno 3 krát bezprostředně po sobě. Vlastní měření probíhalo po dobu cca 30 minut. Po měření podlahového vytápění bylo do činnosti uvedeno vytápění stropní. Po opětovném ustálení kabiny bylo měření stejným způsobem provedeno i pro vytápění stropní.
Snímkování termokamerou a měření sálavého tepelného toku vyžadovalo přítomnost osoby v kabině. Tato osoba mohla po dobu měření ovlivnit tepelnou bilanci kabiny (vzestup tepoty snímané termostatem a v důsledku snížení výkonu otopné plochy). Aby k tomuto nedocházelo, byl v kabině instalován již zmíněný pomocný ohřívač o výkonu 75 W. Tento ohřívač byl v průběhu přítomnosti osoby v kabině vypnut. Tepelná bilance kabiny tak nebyla v průběhu měření významně narušena.
V průběhu měření i vlastního ustalování byla v kabině průběžně měřena (a v minutových intervalech zaznamenávána) povrchová teplota stěn, teplota kulového teploměru, teplota vzduchu v kabině a chlazeném meziprostoru a také příkon otopné plochy (viz Tab. 2-2).
2.1.3 Měřicí přístroje a zařízení
Tabulka 2-1 Souhrn vlastností použitých přístrojů
| Popis | Typ | Rozsah | Přesnost | Číslo čidla |
|---|---|---|---|---|
| Měřicí ústředna „Indoor Climate Analyzer | Brüel & Kjær type 1213 | 1406645 | ||
| Čidlo pro měření radiační asymetrie | Radiant Temperature Asymmetry Transducer MM 0036 | ±50 °C (teplota vzduchu) | ±0,05 K při (tr – ta) < 15 K, ±0,05 až ±2,0 K při 15 < (tr – ta) < 50 K | 372-010 |
| Měřící ústředna | Datataker DT85-3 | 3 V | 0,08 mV | 106146 |
| Teplota vzduchu (2ks) | TG8-40, Pt 1000 | -20 až 60 °C | 0,21 °C | - |
| Povrchové teploty (6 ks) | TG7, Pt 1000 | -20 až 60 °C | 0,21 °C | |
| Elektrický příkon – 1f | EKM 265 | 1,5 W - 2650 W | ±1 % | - |
| Termokamera | InfraTec VarioCAM HD 1024 x 768 IR px | teplotní rozsah -40 až 1200 °C | 1,5 K (nebo 1,5 %) | 1007616 |
2.1.4 Souhrn měřených veličin
Tabulka 2-2 Souhrn měřených veličin
| Název | Značka | Jednotka |
|---|---|---|
| Tepelný tok | Q | W |
| Měrný sálavý tepelný tok | q | W/m2 |
| Teplota vzduchu | ta | °C |
| Teplota povrchu | ts | °C |
| Elektrický příkon 1f | Pel | W |
3 VÝSLEDKY
3.1 Sálavý tepelný tok u podlahového vytápění
Tabulka 3-1 Změřený sálavý tepelný tok pro podlahové vytápění
| Vzdálenost od plochy (mm) | 300 | 800 | 1300 | 1800 | 2300 |
|---|---|---|---|---|---|
| měrný sálavý tok podlahy (W/m2) | 443 | 440 | 438 | 435 | 432 |
| měrná sálavý tok pozadí (W/m2) | 426 | 426 | 426 | 427 | 428 |
| měrný sálavý tepelný tok (W/m2) | 17 | 14 | 11 | 8 | 4 |
Obrázek 3-1 Podmínky v kabině v průběhu měření podlahového vytápění
Obrázek 3-2 Závislost tepelného toku na vzdálenosti od plochy (podlahové vyt.)
3.2 Podíl tepelného toku sáláním k elektrickému příkonu pro podlahové vytápění
Podíl tepelného toku sáláním k elektrickému příkonu byl zjištěn z měřených hodnot rozložení povrchových teplot v kabině (otopná plocha hodnocena termokamerou). Z hodnot byl následně vypočten tepelný tok sáláním z otopné plochy, který byl porovnán z příkonem otopné plochy. Změřené a vypočtené hodnoty jsou uvedeny v Tab. 3-2
Zjištěný podíl tepelného toku sáláním z podlahy k elektrickému příkonu dosahuje 77 %.
Tabulka 3-2 změřené a vypočtené hodnoty pro stanovení sálavého tepelného toku
| Aktivní otopná plocha (stanoveno termokamerou) | S1 | 8.308 | m2 | |
|---|---|---|---|---|
| Konstanta | Značka | Hodnota | Jednotka | |
| Emisivita sálání povrchu skutečného tělesa | ε | 0.95 | - | |
| Stefan-Boltzmanova konstanta | σ0 | 5.67E-08 | W/(m2.K) | |
| Povrchová teplota | Značka | Hodnota | Jednotka | |
| Průměrná teplota povrchu vytápěné plochy | ts,p | 26.20 | °C | |
| Průměrná termodynamická teplota vytápěného povrchu | Ts,p | 299.35 | K | |
| Teploty povrchů okolních konstrukcí (ve středu plochy) | ||||
| 1 - okno | ts1 | 1.82 | 16.81 | °C |
| 2 - levá stěna (od vstupu) | ts2 | 11.97 | 21.64 | °C |
| 3 - pravá stěn (od vstupu) | ts3 | 11.97 | 20.97 | °C |
| 4 – strop | ts4 | 13.23 | 21.36 | °C |
| 5 - stěna s oknem (bez plochy okna) | ts5 | 7.16 | 20.97 | °C |
| celková plocha okolních stěn | 46.15 | m2 | ||
| Průměrná teplota povrchů okolních stěn | ts | 21.1 | °C | |
| Průměrná termodynam. teplota povrchů okolních stěn | Ts | 294.24 | K | |
| Veličina | Značka | Hodnota | Jednotka | |
| Elektrický příkon (průměrný v ustáleném stavu)* | Pel | 308.7 | W | |
| Tepelný tok sdílený sáláním z podlahy | Qs | 239.1 | W | |
| Podíl tepelného toku sáláním k elektrickému příkonu | ηs | 77.43% | - |
* Maximální zaznamenaný příkon dosahoval 535 W
3.3 Sálavý tepelný tok u stropního vytápění
Tabulka 3-3 Změřený sálavý tepelný tok pro stropní vytápění
| Vzdálenost od plochy (mm) | 300 | 800 | 1300 | 1800 | 2300 |
|---|---|---|---|---|---|
| měrný sálavý tok stropu (W/m2) | 459 | 448 | 442 | 438 | 434 |
| měrná sálavý tok pozadí (W/m2) | 426 | 426 | 426 | 427 | 427 |
| měrný sálavý tepelný tok (W/m2) | 33 | 22 | 16 | 11 | 7 |
Obrázek 3-3 Podmínky v kabině v průběhu měření stropní vytápění
Obrázek 3-4 Závislost tepelného toku na vzdálenosti od plochy (stropní vyt.)
3.4 Podíl tepelného toku sáláním k elektrickému příkonu u stropního vytápění
Podíl tepelného toku sáláním k elektrickému příkonu byl zjištěn z měřených hodnot rozložení povrchových teplot v kabině (otopná plocha hodnocena termokamerou). Z hodnot byl následně vypočten tepelný tok sáláním z otopné plochy, který byl porovnán z příkonem otopné plochy. Změřené a vypočtené hodnoty jsou uvedeny v Tab. 3-4
Zjištěný podíl tepelného toku sáláním ze stropního vytápění k elektrickému příkonu dosahuje 84 %.
Tabulka 3-4 změřené a vypočtené hodnoty pro stanovení sálavého tepelného toku
| Aktivní otopná plocha (stanoveno termokamerou) | S1 | 5.440 | m2 | |
|---|---|---|---|---|
| Konstanta | Značka | Hodnota | Jednotka | |
| Emisivita sálání povrchu skutečného tělesa | ε | 0.95 | - | |
| Stefan-Boltzmanova konstanta | σ0 | 5.67E-08 | W/(m2.K) | |
| Povrchová teplota | Značka | Hodnota | Jednotka | |
| Průměrná teplota povrchu vytápěné plochy | ts,p | 29.60 | °C | |
| Průměrná termodynam.teplota vytápěného povrchu | Ts,p | 302.75 | K | |
| Teploty povrchů okolních konstrukcí (ve středu) | ||||
| 1 - okno | ts1 | 1.82 | 17.00 | °C |
| 2 - levá stěna (od vstupu) | ts2 | 11.97 | 21.59 | °C |
| 3 - pravá stěn (od vstupu) | ts3 | 11.97 | 21.08 | °C |
| 4 - podlaha | ts4 | 13.23 | 21.36 | °C |
| 5 - stěna s oknem (bez plochy okna) | ts5 | 7.16 | 21.08 | °C |
| celková plocha okolních stěn | 46.15 | |||
| Průměrná teplota povrchů okolních stěn | ts | 21.1 | °C | |
| Průměrná termodynam. teplota povrchů okolních stěn | Ts | 294.29 | K | |
| Veličina | Značka | Hodnota | Jednotka | |
| Elektrický příkon (průměrný v ustáleném stavu)* | Pel | 313.6 | W | |
| Tepelný tok sdílený sáláním čelní plochou | Qs | 264.0 | W | |
| Podíl tepelného toku sáláním k elektrickému příkonu | ηs | 84.17% | - |
* Maximální zaznamenaný příkon dosahoval 538 W
4 ZÁVĚR
V této zprávě jsou shrnuty závěry z měření sálavého tepelného toku pro elektrické podlahové a stropní vytápění v závislosti na vzdálenosti od vytápěné plochy a podílu tepelného toku sáláním k elektrickému příkonu.
Závěry pro jednotlivé části zprávy jsou:
Měrný sálavý tepelný tok (měřen v bodech ve vzdálenostech 300 mm, až 2300 mm):
- Pro podlahové vytápění dosahuje měrný sálavý tepelný tok, v rozsahu měřených vzdáleností, hodnot 17 W/m2 až 4 W/m2,
- Pro stropní vytápění dosahuje měrný sálavý tepelný tok, v rozsahu měřených vzdáleností, hodnot 33 W/m2 až 7 W/m2,
- Pokles tepelného toku se vzrůstající vzdáleností je u stropního vytápění zpočátku výraznější oproti vytápění podlahovému. Tento stav je dán menší aktivní plochou (vytápěnou plochou) použitou u stropního vytápění.
Podílu tepelného toku sáláním k elektrickému příkonu ηs:
- parametr ηs dosahuje u podlahového vytápění hodnoty cca 77 %,
- u stropního vytápění dosahuje hodnoty 84 %,
Obecný souhrn:
Výsledky této zprávy odpovídají v literatuře obecně publikovaným závěrům. Tepelný tok sdílený sáláním vzrůstá se 4. mocninou rozdílu povrchových teplot. Stropní vytápění, kde je dosahováno oproti vytápění podlahovému, vyšších povrchových teplot má v důsledku toho sálavou složku sdílení tepla vyšší. Tomuto stavu dále napomáhá nižší konvekční složka u stropního vytápění.
5 FOTODOKUMENTACE
Obrázek 5-1 Pohled do měřící kabiny připravené k měření sálavého tepelného toku podlahového vytápění. Vlevo je viditelná ústředny se zapojeným snímačem pro měření sálavého tepelného toku. Na podlaze je vyznačen záběr termokamery a body pro určení měřítka záběru (obdobně u stropního vytápění). Vpravo je vidět kulový teploměr.
Obrázek 5-2 Povrchové teploty podlahy při podlahovém vytápění (ustálený stav)
Obrázek 5-3 Povrchové teploty podlahy při podlahovém vytápění – širší záběr (ustálený stav)
Obrázek 5-4 Povrchové teploty stropu při stropním vytápění (ustálený stav)
Obrázek 5-5 Povrchové teploty stropu při stropním vytápění – širší záběr (ustálený stav)