Reklama

Stěnové vytápění – energeticky efektivní řešení vytápění?

prof. Ing. Jiří Bašta, Ph.D., Ing. Jindřich Boháč, Ph.D.

Recenzovaný

Výsledky výzkumů stěnového vytápění ukázaly, že umístění otopných ploch na vnitřní stěny má za následek nižší tepelné ztráty než umístění na stěny obvodového pláště, a že stěnové vytápění může mít stejnou nebo lepší energetickou účinnost ve srovnání s podlahovým vytápěním nebo otopnými tělesy.

Reklama

Úvod

Stěnové vytápění je alternativní metoda pro vytápění domácností, bazénů ale i kancelářských budov, která se však používá jen v omezené části Evropy. Patří mezi tři nejběžnější nízkoteplotní systémy vytápění s převažujícím podílem tepelného výkonu sdíleného do vytápěného prostoru sáláním, tj. podlahové vytápění (55 % sáláním), stropní vytápění (80 % sáláním) a stěnové vytápění (65 % sáláním). Nízká povrchová teplota otopné plochy a vyšší podíl sálavé složky tepelného výkonu oproti složce konvekční zvyšuje tepelný komfort ve vytápěném prostoru a energetickou účinnost celého systému vytápění.

Systémy stěnového vytápění

U stěnového vytápění jde o uložení otopného hadu na stěnu pod omítku. Na rozdíl od podlahového vytápění má stěnové vytápění svá specifika, ale i mnoho společného. Teplotní spád na okruhu, tedy i vychlazení zpátečky může být podstatně větší než u podlahové otopné plochy. Svou sálavou složkou tepelného výkonu zajišťuje příznivé vnitřní klima a bezproblémovou čistitelností otopné plochy a malými rychlostmi proudění vzduchu ve vytápěném prostoru i příznivé prostředí pro alergiky. Stejně tak lze stěnovou otopnou plochu úspěšně využít v letním období k vysokoteplotnímu chlazení.

Nevýhodou je potřeba skryté instalace, která vytváří mnohdy problém pro bezpečnost rozvodů otopné vody (zatloukání různých upevňovacích prvků do stěny), potíže s rozvodem elektroinstalací a nemožnost využití stěn k zavěšování větších designových ploch či zakrytí nábytkem. Systém stěnového vytápění také obtížně zvládá chladné konvekční proudy u intenzivně ochlazovaných ploch (prosklené plochy) a následnou tvorbu oblasti přechodného pobytu či dokonce vznik pocitu průvanu [1].

Podle způsobu aplikace, můžeme stěnové otopné plochy rozdělit na:

mokré systémy,
suché systémy.

Mokré systémy jsou vhodné pro zděné stavby a rekonstrukce. Otopný had se upevňuje šroubovacími příchytkami do hmoždinek, či se využívá zatloukacích spon. Rovněž tak je obvyklé využití hřebenových lišt především u nepravidelných či jinak specifických ploch. Po upevnění otopného hadu a omítací sítě přijde do kontaktu s otopným hadem přímo mokrá omítka. Ani zde nelze zapomínat na dodržování dilatačních spár a použití omítek určených pro stěnové vytápění.

Suché systémy jsou vhodné pro nízkoenergetické a montované domy, dřevostavby, podkroví a rovněž pro rekonstrukce. Výrazným zástupcem suchých systémů je již hotový otopný had z trubek 6×1 mm uložený v sádro-vláknitých deskách. Tyto desky s otopným hadem se montují na sádrokartonové stěny, případně na pomocné konstrukce na zděných stěnách. K dokončení povrchové úpravy se využívá vrstva stěrky či omítky [1].

Obr. 1 Instalace mokrého systému stěnového vytápění (Viega) [7]

Obr. 2 Suchý způsob pokládky stěnové otopné plochy (Kermi) [7]

U klasické stěnové otopné plochy je na stěnu nejdříve upevněna tepelná izolace o tloušťce 10 až 80 mm. Dostatečnou tloušťku tepelné izolace vyžadují především stěny obvodového pláště objektu. Na tepelnou izolaci jsou upevněny trubky, které jsou zakryty omítkou. Trubky se používají plastové s bariérou proti difúzi vzdušného kyslíku, měkké měděné povlakované trubky a výjimečně i vícevrstvé trubky. U stěnového vytápění se s výhodou používá také tzv. kapilárních rohoží. Dříve se trubky projektovaly o průměrech okolo 10 mm i více. Vhodnější je však použít trubky o malých průměrech např. 6×1 a 8×1 mm, aby výška omítky nemusela být veliká. Zároveň se dosahuje poloměru oblouku 10 až 40 mm a rozteče trubek v otopném hadu 20 až 75 mm. Takto se vytváří předpoklad pro využití nízkých teplot přívodní vody a rovnoměrnější rozložení teplot na stěně. Rozteče mezi trubkami větších průměrů vycházejí obdobně jako u podlahového vytápění. Neméně důležité je řešení dilatací. Otopná plocha, a zejména ta, která tvoří pouze část stěny, by měla být oddělena od zbytku stěny stále pružnou dilatační spárou. Pouze tak zaručíme, že nedojde k pozdějšímu popraskání omítky stěny.

Kapilární rohože tvoří registr z tenkých polypropylenových trubiček (vnější průměr je cca 3,5 mm), do kterého je trubkami většího průměru přiváděna voda (resp. odváděna). Mezi kapilárami registru je malá rozteč, která umožňuje rovnoměrné rozložení teplot na vytvořené otopné ploše. Kapilární rohože se nejčastěji instalují pod omítku. Tloušťka omítky je díky malým rozměrům kapilární rohože standardní (10 až 15 mm). Kapilární rohože se vyrábějí na zakázku v různých rozměrech a na stavbu se dodávají jako celek, připravený k montáži na stěnu [1].

Specifická stěnová otopná plocha vzniká vytažením podlahového otopného hadu na stěnu. Toto stěnové vytápění je provozováno stejně jako vytápění podlahové, neboť je hydraulicky a tudíž i z hlediska dodávky tepla součástí podlahového otopného hadu. Takovéto „stěnové vytápění“ je pouze jakýmsi doplňkovým řešením nedostatečné velikosti podlahové otopné plochy z hlediska tepelného výkonu (např. malé koupelny) [2].

Studie

Studie provedená na univerzitě v Kragujevaci v Srbsku porovnávala podlahové, stropní a stěnové vytápění [3, 5]. Hodnota součinitele prostupu tepla U stěn obvodového pláště byla 0,57 W/m²K. Předpokládalo se, že stěnová otopná plocha bude instalována pouze na ochlazovaných stěnách obvodového pláště. Všechny matematické simulace vycházely ze střední teploty otopné vody 37 °C.

Vyhodnocení studie vycházelo z exergie, která je vhodnějším parametrem vzhledem k primárním energetickým parametrům, než je energie. Byla hodnocena exergie dodávaná do kotle zemním plynem, exergie uniklá a nevyužitá během přenosu tepla mezi kotlem a otopnou plochou a exergie spotřebovaná vlastní otopnou plochou. Stropní vytápění vykazovalo největší dodávanou, ztracenou během přenosu a spotřebovanou exergii. Nejnižší spotřeby byly pozorovány u podlahového vytápění. Druhým nejnižším z hlediska spotřeby exergie bylo stěnové vytápění, a to přibližně o 10 % vyšší než tomu bylo u podlahového vytápění [3, 5].

V další studii z Royal Institute of Technology (KTH) ve Stockholmu [4] byl vytvořen pro kancelář model s využitím CFD. Místnost byla o rozměrech 4,8 × 2,4 × 2,7 m se dvěma okny. Větrací vzduch byl přiváděn o teplotě −5 °C větracími mřížkami v rámech oken s intenzitou větrání 0,5 h⁻¹. Studie porovnávala použití stěnové otopné plochy s tzv. tradičními metodami, tj. otopnými tělesy a podlahovou otopnou plochou. Byly sledovány čtyři varianty. 1) otopné těleso s bilančně navrženou střední teplotou otopné vody a délkou odpovídající oknu (MT), 2) krátké otopné těleso s vyšší střední teplotou (HT), 3) podlahové vytápění a 4) stěnové vytápění s využitím všech dostupných stěn místnosti. Součinitel prostupu tepla stěn obvodových konstrukcí včetně oken byl uvažován 0,35 W/m²K [4].

Výsledky rychlostního pole ve vytápěné místnosti pro jednotlivé varianty jsou uvedeny na obr. 3. V případě stěnového vytápění se chladný větrací vzduch dostal od oken téměř do poloviny hloubky místnosti, než se dostatečně promísil s teplým vzduchem v místnosti. To bylo téměř shodné s použitím podlahového vytápění. V obou případech se v zóně dlouhodobého pobytu osob (0,6 m od všech okolních stěn až do výšky 1,8 m) objevily rychlosti proudění vzduchu, které byly vyšší než doporučených 0,15 m/s. Vertikální teplotní profil je u stěnového vytápění výraznější (větší rozdíl teplot po výšce), než je tomu u podlahového vytápění. V případě instalovaných otopných těles, stoupal teplý konvekční proud vzduchu vzhůru a blokoval studený proud vzduchu od oken, který tak nemohl dosáhnout zóny trvalého pobytu osob. V případě podlahového vytápění dosahoval chladný proud vzduchu nejdále, tj. nejhlouběji do pobytové zóny.

U stěnového i podlahového vytápění se hodnoty PPD (procento nespokojených se stavem) blížily pěti procentům. U varianty s otopným tělesem byly hodnoty PPD nepatrně vyšší, těsně nad pěti procenty.

Obr. 3 Výsledky matematické simulace ukazující rychlostní pole vedené vertikálním řezem ve středu místnosti pro a) otopné těleso s bilančně navrženou střední teplotou a délkou odpovídající oknu, b) krátké otopné těleso s vyšší střední teplotou, c) podlahovou a d) stěnovou otopnou plochu [4]

Modely

Na Lulea University of Technology ve Švédsku byla provedena matematická simulace pro model lehkého dřevěného domu obsazeného jednou rodinou. Výsledky simulací přinesly nové důležité poznatky, neboť se snažily postihnout vliv umístění stěnové otopné plochy na spotřebu energie potřebné pro vytápění. Ve všech třech modelech se předpokládalo, že místnosti budou větrány intenzitou 0,5 h⁻¹ [6].

Jednalo se o tři varianty, resp. modely:

Model 1: Stěnová otopná plocha je umístěna pouze na ochlazovaných stěnách obvodového pláště budovy v délce 51 m;
Model 2: Stěnová otopná plocha je instalována pouze na vnitřních neochlazovaných stěnách o délce 55,5 m;
Model 3: Stěnová otopná plocha je instalována pouze na vnitřních neochlazovaných stěnách, ale o stejné celkové délce otopné plochy jako pro model 1, tj. 51 m.

První tabulka ukazuje celkovou potřebnou energii na vytápění a druhá tepelné ztráty obvodovým pláštěm budovy v podobě energie příslušející jednotlivým modelům ve čtyřech městech.

Tab. 1 Energie potřebná pro modely 1, 2 a 3 v [kWh] [6]
Město	Model 1	Model 2	Model 3
Gothenburg	10631	9988	9810
Östersund	14652	13515	13266
Kiruna	21406	18946	18584
Stockholm	11308	10580	10393

Tab. 2 Tepelné ztráty obvodovým pláštěm (stěnami) budovy v podobě energie příslušející modelům 1, 2 a 3 v [kWh] [6]
Město	Model 1	Model 2	Model 3
Gothenburg	4810	4592	4500
Östersund	5850	5488	5290
Kiruna	7247	6436	6202
Stockholm	5062	4821	4723

Nejnižší potřebnou energii a tepelné ztráty vnějšími částmi budovy vykazoval model 3. Model 1 naopak přináší nejvyšší hodnoty v rámci těchto tří zkoumaných variant, a to pro všechna čtyři města.

Důvod, proč modely 2 a 3 vyžadují méně energie než model 1, je dán sníženými tepelnými ztrátami obvodovými stěnami budovy. Nemalou roli hraje i to, jak jsou konstruovány vnitřní stěny u modelů 2 a 3. V průběhu matematické simulace modelu 2 se ukázala skutečnost, že čím mají vnitřní stěny lepší tepelně-technické vlastnosti, tím nižší je spotřeba energie u stěnového vytápění. U stěn obvodového pláště to považujeme za samozřejmé, ale nyní to bylo prokázáno i pro stěny vnitřní [6].

Závěr

Podle simulace, provedené v programu Energy Plus na Lulea University of Technology ve Švédsku, vykazuje umístění stěnové otopné plochy na vnitřních stěnách nejnižší energetické ztráty. Stěnové vytápění poskytuje vhodné vnitřní klima ve vytápěném prostoru, ale pro každý jednotlivý případ je třeba posoudit, zda výhody převažují nad nevýhodami. Nevýhod, mezi něž patří skrytá instalace potrubí s otopnou vodou a jeho bezpečnost vůči vnějším zásahům, potíže s připevňováním designových prvků, nemožnost zastavění stěn nábytkem či možnost pocitu průvanu, je dost. Systému stěnového vytápění však nelze upřít schopnost úspor energie a výhodné využívání nízkých teplot otopné vody a s tím související použití odpovídajících moderních zdrojů tepla.

Až do této studie [6] jsme se mohli v různé literatuře dozvědět, že by se stěnová otopná plocha neměla umísťovat na vnitřní stěny proti oknu (proti částečně průteplivé konstrukci), protože sálavá složka výkonu působí přímo proti oknu a „topíme Pánu Bohu do oken“. Toto tvrzení však jednoznačně vyvrátila švédská studie pro objekt s velmi dobrými tepelně-technickými parametry (součinitel prostupu tepla stropu je 0,07, stěn 0,15, podlahy 0,12, oken 0,9 a vchodových dveří 1 W/m²K). Její výsledky ukázaly, že umístění stěnových otopných ploch na vnitřních stěnách stavební konstrukce má za následek, pro objekty s velmi dobrými tepelně technickými vlastnostmi, nižší tepelné ztráty, než instalace na stěny obvodového pláště. Rovněž prokázala, že stěnové vytápění může mít stejnou, nebo lepší energetickou účinnost ve srovnání s podlahovým vytápěním či otopnou soustavou s otopnými tělesy.

Použitá literatura

Bašta, J.: „Velkoplošné sálavé vytápění“. Grada Publishing, a.s., Praha 2010, 128 s., ISBN 978-80-247-3524-5.
Bašta, J.: „Regulace v technice prostředí staveb“. Česká technika – nakladatelství ČVUT. Praha 2014, 194 s., ISBN 978-80-01-05455-0.
Bojic, M., Cvetkovic, D., Miletic, M., Malesevic, J., and Boyer, H. (2012). “Energy, cost and CO₂ emission comparison between radiant wall panel systems and radiator systems”, Energy and Buildings 54, 496-502.
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2012.04.024.
Myhren, J. A., and Holmberg, S. (2008). “Flow patterns and thermal comfort in a room with panel, floor and wall heating,” Energy and Buildings 40, 524-536. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2007.04.011.
Bojic, M., Cvetkovic, D., Marjanovic, V., Blagojevic, M., and Djordjevic, Z. (2013). “Performances of low temperature radiant heating systems”, Energy and Buildings 61, 233-238. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2013.02.033.
Turesson, J., Wang, X., Gustafsson, A.: “Wall Heating - An Energy Efficient Solution for Wooden Buildings?” Bioresources 2016 https://doi.org/10.15376/biores.11.1.530-544.
Volně dostupné firemní materiály na www (Rehau, Kermi, Viega).

English Synopsis

Wall Heating - an Energy Efficient Heating Solution?

Conference paper debates results of researches into wall heating which are showed that placement of wall heating panels in interior walls results in a lower heat loss than placement in outer walls, and that wall heating can have equal or better energy-efficiency compared to floor heating and conventional radiators.