Konvektory v otopných soustavách
 Obr.1 Konvektor s trubkami oválného a kruhového průřezu se stejným obvodem - porovnání (styčná plocha trubka-lamela) |
Konvektory známe již několik desetiletí. Průběžně docházelo k jejich optimalizaci. Na začátku byla trubka s přivařeným, případně navinutým žebrováním. Kromě pozinkovaných ocelových konvektorů, kterým se budeme věnovat v tomto článku, nalezneme na trhu i konvektory s měděnými trubkami a hliníkovými lamelami. Jsou dodávány převážně v kompaktním provedení se skříní, nebo jako podlahové konvektory. Vzhledem ke své mechanické odolnosti ale nenabizejí tolik možností uplatnění. Dnešnímu stavu vývoje techniky odpovídají ocelové pozinkované výměníky konvektorů s oválným průřezem kanálku, výhodným z hlediska proudění (obr. 1).
Oválný průřez trubek umožňuje:
- dosažení vyššího vykonu při nižší spotřebě materiálu,
- zvětšení vnější přestupní plochy,
- zmenšení hydraulického odporu při proudění vzduchu.
Plocha vnitřního průřezu je u oválných trubek asi o 60 % menší. Umožňuje tak dosahovat turbulentního proudění, a to i při menýích průtocích vody. U laminárního proudění je součinitel přestupu tepla αi na straně vody a tím i tepelný výkon podstatně menší. (Pro laminární proudění platí Reynoldsovo číslo Re < 2320).
Provoz při nízkých teplotách vody
 Obr.2 Závislost exponentu n na účinné výšce skříně h podle [1] |
Často se tvrdí, že konvektory nejsou vhodné pro nízké vstupní teploty vody. Pro tepelný výkon je přitom rozhodující velikost teplotního exponentu, vyhodnoceného měřením podle EN 442.
Rozsáhlým výzkumem, kterému byly podrobeny různé typy konvektorů, byla zjištěna závislost exponentu na účinné výšce skříně (obr.2).
 Obr.3 Oprava tepelného výkonu otopných ploch s odlišnými exponenty n při jejich současném provozu |
Je patrné, že teplotní exponent n nelze přiřadit obecně výměníku tepla konvektoru jako takovému, nýbrž pouze způsobu jeho osazení. Budeme-li při projektování konvektorů uvažovat teplotní exponent n, který takovému osazení odpovídá, nestojí nízkým teplotám vody (např. 55/45 °C) ani plynulé regulaci výkonu nic v cestě. Otopná tělesa desková vykazují hodnoty exponentu n v rozmezí 1,25 až 1,32, v závislosti na podílu proudění a záření při sdílení tepla [2].
Naléhavost případných oprav při dimenzovani odlišných otopných ploch vyskytujících se v téže otopné soustavě, vyplývající z jejich různých exponentů n při porovnání s otopným tělesem o n = 1,3 lze posoudit podle obr. 3. Hodnoty Δtv (plný výkon) a ΔtT (částečný výkon) se vypočítají z teplot otopné vody a vzduchu:
kde
t1 - teplota vstupní vody (°C),
t2 - teplota výstupní vody (°C),
tr - vztažná teplota vzduchu (°C).
Možnosti regulace výkonu konvektorů
Malý vodní obsah je předpokladem dobré regulovatelnosti a umožňuje rychlý zátop, takže konvektory jsou vhodné i pro "krátkodobé" vytápění. Nízká hmotnost konvektorů při zátopu snižuje tepelnou setrvačnost a dovoluje rychlou reakci na kolísání teploty okolí, způsobené náhodnými tepelnými zisky: slunečním zářením, pobytem osob, elektrickými spotřebiči, apod. Pro regulaci lze doporučit běžně dostupné termostatické ventily. Podle způsobu osazení konvektoru mohou být požadovány termoventily s odděleným ovladačem nebo odloučeným snímačem.
 Obr.4 Provedení skříně konvektoru s příčnými přepážkami nad výměníkem tepla |
Optimální funkce konvektoru lze dosahnout pomocí skříně, jejíž výška vytvoří tzv. "komínovou šachtu" (obr. 4). Mnohostrannost využití konvektorů však může být také příčinou chyb při jejich dimenzování i montáži:
- Nedostatečný výkon, jestliže při dimenzování není brán ohled na značnou závislost výkonu na účinné výšce skříně konvektoru (obr.5)
Obr.5 Závislost tepelného výkonu konvektoru na účinné výšce skříně - Nedostatečná vstupní průtočná plocha pro proudění vzduchu. Zúžení vstupní průtočné plochy má za následek snížení tepelného výkonu (obr.6). Stejné snížení způsobuje také vstupní nebo výstupní (výdechová) mřížka.
Obr.6 Opravný součinitel na zúžení průtočného průřezu - Nad výměníkem nejsou osazeny příčné dělicí plochy. Může tak docházet ke kontrakci (zúžení) vzestupného proudu ohřátého vzduchu nebo k proudění vzduchu v podélném směru, s následným snížením tepelného výkonu (obr.4).
- Nedostatečné hydraulické seřízení celé soustavy. Jsou-li v ní současně použita otopná tělesa s malým hydraulickým odporem i konvektory, je nutné všude nastavit potřebné průtoky vody.
- Zanedbání rozdílu mezi tepelným výkonem při umístění výměníku v podlaze a ve výklenku stěny. Podklady výrobců pro projektování buď tepelný výkon podlahového uspořádání výměníku tepla vůbec neobsahují, nebo je v nich uváděno pouze hrubé procentuální snížení.
Montáž do výklenku stěny
 Obr.7 Konvektor umístěný ve výklenku stěny. 1 výměník tepla, 2 U-konzola, 3 dřevěný zákryt (na straně stavby) |
 Obr.8 Konvektor umístěny za lavicí |
Při této montáži konvektoru je zvlášť výhodné použití zákrytu (obr. 7), neboť zákryt může spoluvytvářet účinnou šachtu požadovanou pro uplatnění přirozeného vztlaku.
Velmi často se v praxi setkáváme i s nejrůznějšími jinými druhy otopných těles (desková nevyjímaje) takto umístěnými do výklenků se zákrytem - někdy i za cenu vysokých nakladů.
Výsledkem je ovšem výrazné snížení jejich tepelného výkonu - uplatnit se může pouze část tepelného výkonu sdílená prouděním.
Takové těleso ztrácí značný podíl výkonu zářením a stává se z něho konvektor (obr. 8).
 Obr.9 Přední zákryt konvektoru s kabelovou lávkou |
 Obr.10 Přední zákryt s ostrým koutem |
Čelní zákryty
Zákryty "na míru" nám nabízejí účelné kombinace s jiným nezbytným technickým zařízením, např. v kancelářských prostorách. V závislosti na daném objektu lze uplatnit nejrůznější řešení:
- rozměry přizpůsobit stavebním podmínkám,
- pod zákrytem vést i rozvodné potrubí,
- společně vést elektro-kabely a ostatní instalace (obr. 9),
- pravidelně uspořádat dělicí stěny a ostatní prvky určené k rozdělení prostoru,
- sloučit s podokenními parapety,
- v šikmých koutech přizpůsobit stavbě (obr. 10).
Horní zákryty
 Obr.11 Horní zákryt ve vstupní hale |
Díky Předpisům o hospodaření s teplem 95 [3] dochází společně s lepší tepelnou izolací objektu i ke zvyšování teploty povrchu vnitřních ploch místností.
Přesto - dnes jako dříve - je pro otopné těleso ideální poloha v nejchladnějším místě místnosti, tj. pod oknem. K největším tepelným ztrátám dochází právě v blízkosti okna, a to zejména po podstatném vylepšení tepelné izolace obvodového pláště. V neposlední řadě to způsobují netěsnosti okenních spár, projevující se právě v okolí okna.
Např. ve [4] je zmíněna rychlost proudění vzduchu, zjištěná před modelem okna s těsnými spárami, přibl. 0,3 m/s. Ideálním místem pro otopné těleso tedy zůstává prostor v bezprostřední blízkosti okna. Umístit zde podlahový konvektor není vždy možné a tak přicházejí v úvahu řešení např. dle obr. 11.
Předpisy o hospodaření s teplem
Je třeba dbát, aby použité zákryty odpovídaly požadavkům "Předpisů" [3]. Jako jejich dodatek platí [5]. Požadovanou velikost ekvivalentního součinitele prostupu tepla ε ≤ 0,9 W.m-2.K-1 lze dosáhnout např. pomocí tepelné izolace o tloušťce 10 mm (s předepsanou měrnou tepelnou vodivostí - pozn. překl.), nebo nízkou emisivitou povrchu otopného tělesa na straně obrácené k oknu eH ≤ 0,3. Nelze očekávat, že by došlo ke změně nebo ke zrušení tohoto požadavku "Předpisů" (ESVO 2000).
Často nebývá dodržena také podmínka, aby byl součinitel prostupu tepla obvodové okenní plochy kf = 1,5 W.m-2.K-1 (Předpisy [3], §3, odst. 3, příloha 1, čl. 4).
Podpovrchové uspořádání - podlahový konvektor
 Obr.12 Podlahový konvektor se stáčecí výdechovou mřížkou (roštem) z ušlechtilé oceli |
 Obr.13 Samonosná konstrukce podlahového konvektoru s rámem a stáčecí mřížkou, v nástavbě podlahy |
Ve zvýšené míře jsou podlahové konvektory osazovány v kancelářských prostorách, jejichž stavební uspořádání bývá nejednotné (obr. 12). Děje se tak z více důvodů a často s využitím nástavby podlahy (dvojité podlahy).
Zásobování prostoru teplem z dvojité podlahy umožňuje rovněž provádět dodatečné změny. Výhodné je zvláště samonosné provedení podpovrchové skříně. Skříň s rámem tvoří samostatný montážní celek, k němuž lze snadno připojit i stáčecí rošt (výdechovou mřížku - pozn. překl.) (obr. 13).
Tímto způsobem lze (v porovnání s konvektory s čelními zákryty) u komerční výstavby správních objektů významně zvětšit využitelnou (a tedy i pronajímatelnou) půdorysnou plochu místností. Je to důležitý důvod pro použití podlahových konvektorů, i když se o něm mluví jen zřídka. Kromě toho je zde možné pružně měnit uspořádání místností, v závislosti na členění budovy (obr. 12).
K moderní architektuře patří rovněž řeýení podle přání zákazníka, jako např. místnosti s vnitřními kouty (obr. 14 a obr. 15), zaobleným půdorysem stěn (obr. 16) nebo se sloupy (obr. 17).
 Obr.14 Podlahový konvektor umístěný do ostrého koutu |
 Obr.17 Koutové uspořádání se sloupem |
 Obr.15 Podlahový konvektor se stáčecí mřížkou v koutovém uspořádání |
 Obr.16 Podlahový konvektor u stěny do oblouku |
Všeobecně k umístění
Umístěním podlahových konvektorů se zabývají dvě vědecké práce. V [6] je rozsáhlý výzkum zaměřen na tepelný výkon podlahového konvektoru při jeho různém umístění. Podle této práce lze dosáhnout nejvyššího výkonu u konvektoru, umístěného na straně kanálku blíže k oknu. Potvrzují to i výsledky prace [7]. Zvýšení tepelného výkonu je možné vysvětlit tím, že zde okno přebírá i funkci zadní stěny skříně. V praxi se však nejlépe osvědčilo umístění konvektoru středové nebo na stěně kanálku protilehlé oknu (obr. 18). Takové uspořádání zaručuje bezvadnou funkci i při snížených teplotách teplonosné látky nebo při zvýšeném proudění chladného vzduchu okenními spárami (infiltrace). Práce [6] takový jev u podlahových konvektorů potvrzuje: "... při nízkých teplotách teplonosné látky Δt = 30 K, jako např. v soustavě kombinované s podlahovým vytápěním, se na straně vzduchu v místnosti vyskytují nestabilní podmínky a dochází tak k výraznému kolísání tepelného výkonu ... "
 Obr.18 Umístění konvektoru v kanálku v podlaze |
Zkušenosti z praxe mohou takové tvrzení jen potvrdit. Funkce podlahových konvektorů umístěných v kanálku na straně blíže k oknu bývá za výpočtových podmínek (vysoké vstupní teploty) bez problémů. Jakmile však dojde ke snížení vstupní teploty, dochází k výraznému kolísání výkonu. Z tohoto důvodu nelze běžně takové umístění doporučit. Vhodné je jen tam, kde je výslovně požadováno zvýšení teploty povrchu okna, aby na něm nedocházelo ke kondenzaci (vlhkosti ze vzduchu - pozn. překl.). Z předchozích úvah pak vyplývají následující doporučení:
Umístění na straně místnosti
Sestupný proud chladného vzduchu vstupuje do skříně konvektoru. Vzestupné proudění ohřátého vzduchu pak napomáhá přirozenému oběhu vzduchu v místnosti a vytváří před okenní plochou clonu. Toto uspořádání je vhodné tam, kde se jedná o jediný zdroj vytápění místnosti a kde je podíl tepelných ztrát okna na celkové tepelné ztrátě místnosti značný - přibližně 70 až 100 %.
Středové umístění
Středové umístění podlahového konvektoru umožňuje vstup chladného vzduchu z obou stran. Toto uspořádání se nabízí zvláště tam, kde se jedná o jediný zdroj vytápění místnosti a kde je podíl tepelných ztrát okna na celkové tepelné ztrátě místnosti přibližně jen 20 a. 70 %. Obvykle je tomu všude tam, kde kromě okna dochází k tepelným ztrátám ještě na dalších plochách jako jsou obvodová konstrukce, strop nebo podlaha. Středově umístěný konvektor pak umožňuje optimální ohřev chladného vzduchu od okna a vznik rovnoměrného přirozeného oběhu vzduchu v místnosti.
Umístění na straně okna
Toto umístění se používá jen ve výjimečných případech. Jedná-li se o jediný zdroj tepla v místnosti, je vhodný pouze tam, kde převažují tepelné ztráty na straně místnosti, jen s malým podílem ztrát okna (nejvíce 20 %). Vzdálenost mezi kanálkem a oknem je třeba volit pokud možno malou, aby mohlo docházet k nerušenému a rychlému přechodu vzestupného proudění ohřátého vzduchu na okno (tzv. "Coandův jev"). Nemělo by však docházet k příliš velkému poklesu teploty teplonosné látky. Chladný vzduch od okna se pak dostává do střetu se vzestupným prouděním ohřátého vzduchu a může jej překonat ("odstřihnout"). Vzájemné střetání obou proudů může mít za následek nerovnoměrné vytápění místnosti. Toto řešení by proto mělo být používáno jen výjimečně.
Podlahový konvektor pro dohřívání větracího vzduchu
 Obr.19 Podlahový konvektor jako dohřívák |
Vzduch vstupuje do konvektoru zdola, děrovaným plechem. Současně dochází ke směšování s proudem chladného vzduchu od okna a k jeho strhávání. Teplota vzduchu vystupujícího z konvektoru do místnosti je regulována termostatickými ventily. Seřízení poměru mezi objemovými průtoky vzduchu se provádí jednoduchým šoupátkem na vstupu do skříně konvektoru.
Zvláštní výhodou konvektoru je, že jsou konstrukčně tvárným prvkem. Zákryty a způsob jejich umístění lze přizpůsobit interiéru místnosti, a to bez ztráty výkonu. Nabízí se nám mnoho různých řešení, střižených danému objektu "na míru". Malý vodní obsah a nízká hmotnost konvektorů umožňují dobrou regulaci jejich výkonu. Navrhování a montáž konvektorů však vyžaduje - vzhledem k mnohostrannosti možných řešení - odbornost a zkušenosti projektanta.
U smíšených otopných soustav (s výskytem různých druhů otopných těles - pozn. překl.) má velký význam hydraulické seřízení. Je-li provedeno, lze konvektory bez problémů provozovat např. i u nízkoteplotních soustav s vlečnou regulací.
Literatura:
[1] Technischer Katalog Kampmann Konvektoren Art.-Gr. 1.10-1.40 (Technický katalog "Konvektory Kampmanniy Art. Gr. 1.10-1.40).
[2] Buderus Handbuch für Heizungstechnik, Beuth Verlag Berlin 1994 (Topenářká příručka Buderus, Naklad. Beuth Berlin, 1994).
[3] Wärmeschutzverordnung vom 5.7.1994 (Předpisy o hospodařeni s teplem z 5.7.1994).
[4] Schlapmann, D.: Luftgeschwindigkeit über beheiztem Fusboden, VD-Bericht 464, 1982 ("Rychlost proudění vzduchu nad vytápěnou podlahou", zpráva VD e. 464, 1982).
[5] Auslegung und Prüfung von Fusbodenheizungen, Bundesanzeiger v. 19.7.195, Nr.132, Seite 7770 (Navrhování a zkoušení
soustav podlahoveho vytápění, Spolkový Věstník z 19.7.1995, e. 132, str. 7770).
[6] Kast, W. - Klan, M.: Die Wärmeleistung von Unterflurkonvektoren, Gesundheitsingenieur 105 (1984) Heft 2, Seite 59 ff ("Tepelný výkon podlahových konvektorů" Gesundheitsingenieur 105 (1984), e. 2, str. 59 ff).
[7] van Weele, A.M. - Laurene, J.T.M.: "Luchtstroming in en boven een convektorput Katalog verwarming en Ventilatie (NL), Dez. 1979.