Teplovzdušné vytápění obytných budov

Teplovzdušné vytápění obytných budov není ve srovnání s občanskými a průmyslovými stavbami v Evropě příliš rozšířeno (stav v roce 2000). Důvodem jsou především klimatické podmínky, historický vývoj palivové základny a úzká vazba systému vytápění na konstrukci budovy. Kořeny tohoto stavu lze najít v tradičním evropském pojetí " solidní" obytné stavby stavebně řešené na bázi těžkých obvodových konstrukcí z kamene nebo cihel s přirozeným větráním obytných místností, pro které je optimální tradiční teplovodní otopná soustava s radiátory. Tyto soustavy eliminují negativní sálání chladných povrchů obvodových konstrukcí (především oken) a zajišťují v takových stavbách relativní tepelnou pohodu vyváženou kombinací sálavé a konvekční složky sdílení tepla mezi osobou a místností. Tradiční teplovodní otopné soustavy jsou také nejvýhodnější pro klasické, málo pružné zdroje na pevná paliva. Další příčinu malého rozšíření těchto soustav je možné hledat také v negativní zkušenosti s teplovzdušným vytápěním z 60. let. Vývoj techniky, používaných technologií a kritérií stanovení užitné hodnoty stavebního díla vede k nutnosti přehodnotit zaběhnuté přístupy a nezaujatě se podívat na řešení vytápění v kontextu dnešního světa. Jednou z možností, která naznačuje možný směr dalšího vývoje je aplikace principu teplovzdušného vytápění pro zajištění tepelné pohody v obytných budovách.

Principy

Teplovzdušné vytápění je systém, kdy tepelná energie se do vytápěné místnosti dostává výhradně proudícím teplým vzduchem, v místnosti se vzduch vlivem tepelných ztrát ochlazuje na požadovanou vnitřní teplotu a odvádí se mimo místnost. Teplonosnou látkou je zde vzduch. Z porovnáním fyzikálních vlastností vody a vzduchu je patrné, že vzduch je díky podstatně menšímu měrnému teplu a nižší teplotě horším nosičem tepla.

Parametr	Voda	Vzduch
měrné teplo c [J.kg-1.K-1]	4186	1010
hustota [kg.m-3]	980	1,28
teplotní spád používaný pro vytápění obytných budov [K]	10 až 25	20 až 30

Tato skutečnost vede k větším dimenzím rozvodů při teplovzdušném vytápění a tím většímu zásahu systému do stavby. Na druhou stranu, ve srovnání s tradičním teplovodním vytápěním, zde nejsou potřebné otopné plochy, teplovzdušné vytápění je pružnější ( dokáže rychleji reagovat na změnu výkonových požadavků), potřebuje však k dosažení tepelné pohody díky absenci sálavé složky vyšší teploty vzduchu, což vede k vyšším tepelným ztrátám a k odlišnému vnímání tepelné pohody uživateli. Teplovzdušné vytápění se také velmi obtížně kombinuje s tradičním centrálním zdrojem na pevná paliva, neboť takový zdroj nedokáže reagovat dostatečně pružně na proměnné výkonové požadavky. Toto jsou hlavní důvody, proč se teplovzdušné vytápění obytných staveb v našich zemích zatím příliš nerozšířilo. Výjimku tvoří případy většinou dnes už rekreačních objektů, kde se využívají pro lokální teplovzdušné vytápění teplovzdušná kamna na pevná paliva (obr.1).

Tento pohled na způsob stavění se však v posledních letech vlivem ekonomických tlaků změnil a kromě tradičních zděných staveb se objevují lehké stavby na bázi dřeva s vyhovujícími tepelně-izolačními vlastnostmi ale minimální akumulací tepla, pro které je tradiční teplovodní otopná soustava málo pružná a z hlediska návrhu velmi citlivá na případné nedodržení projektovaných hodnot. V těchto typech objektů je v zahraničí běžné použití klasického teplovzdušného vytápění s cirkulačním provozem, tzn. s nulovým řízeným přívodem čerstvého vzduchu, kterého se používá především v USA a Kanadě. Negativní chladné sálání běžně izolovaných obvodových konstrukcí se v zahraničí řeší instalací doplňkového lokálního sálavého zdroje tepla - krbu nebo kachlových kamen, který v hlavní místnosti bytu nebo domu zajistí v případě potřeby tepelnou pohodu i při nižší teplotě vzduchu.

Druhý aspekt, který vede k přehodnocení pohledu na volbu systému vytápění je zapříčiněn celosvětovým tlakem na snižování potřeby energie na vytápění, který dramaticky mění požadavky na tepelně- technické vlastnosti obalových konstrukcí budov. Nejedná se pouze o zvýšení požadovaného tepelného odporu neprůhledných obvodových konstrukcí, pevných výplní a oken, ale také minimalizaci infiltrace - nekontrolovatelné výměny vzduchu. Vývoj v této oblasti vyústil v paradoxní stav, kdy moderní těsná okna mají tak malou infiltraci, že nepostačuje k pokrytí minimální hygienické výměny vzduchu v místnostech. V rané fázi používání "těsných" oken tento stav vedl k hygienickým problémům způsobeným nedostatečnou výměnou vzduchu v obytných místnostech. Tyto problémy se projevují poruchami staveb jako je vznik plísní a další. Řešení tohoto problému je možné v principu dvěmi způsoby. První spočívá v umělém zvýšení infiltrace oken vytvořením dodatečných větracích štěrbin v konstrukci oken, druhá možnost je v řízeném větrání obytných budov. Zvýšením infiltrace se ztrácí původní myšlenka snížení tepelných ztrát větráním a proto, i když současné názory nejsou jednotné, spěje vývoj při snižování spotřeby energie k řízenému větrání. Řízené větrání však vyvolává zvýšené investiční náklady instalací dalšího systému do budovy a tak se nabízí možnost spojit větrání s vytápěním a tak využít dvakrát jednoho systému. Řízené větrání má kontrolovaný přívod i odvod vzduchu a tak je možné využít dalších prvků pro snížení potřeby energie, jako je zpětné získávání tepla nebo cirkulační provoz a objekt se tak dostává do kategorie nízkoenergetických budov. V těchto objektech většinou díky velmi kvalitním obvodovým konstrukcím není problém s nízkou povrchovou teplotou a tak se snižuje i význam sálavé plochy tradičního radiátoru z hlediska dosažení tepelné pohody.

Systémy s cirkulačním provozem

Obr.2 Teplovzdušné vytápění s cirkulačním provozem

Systémy s plně cirkulačním provozem patří ke klasickým systémům teplovzdušného vytápění, používaným v USA, Kanadě a některých skandinávských zemích. Srdcem tohoto systému je teplovzdušný agregát, na který je napojen rozvod vytápěcího vzduchu do jednotlivých místností bytu nebo domu (obr.2). Zpětné nasávání cirkulujícího vzduchu se většinou provádí v chodbě, transport vzduchu mezi obytnými místnostmi a chodbou je zajištěn netěsnostmi kolem dveří, případně větracími mřížkami ve dveřích. Z hlediska tepelné pohody se absence sálavé složky řeší vždy umístěním krbu v hlavní místnosti bytu nebo domu.

Teplovzdušný kotel

Obr.3 Plynová teplovzdušná jednotka 1 - výměník tepla 2 - radiální ventilátor 3 - zapalovací automatika a hořák 4 - filtrace vzduchu 5 - izolovaná skříň jednotky

Teplovzdušné kotle (anglicky furnace) používané v zahraničí jsou plynové, olejové nebo elektrické. Skládají se vždy z ventilační a filtrační jednotky, ohřívacího dílu a regulace (obr.3). Osazeny jsou většinou radiálním ventilátorem, který zajišťuje nízkou hlučnost při potřebném tlaku a dopravním množství vzduchu. Ohřívací díl u plynových a olejových agregátů se skládá z hořáku a výměníku tepla mezi spalinami a ohřívaným vzduchem. Používají se jednotky s atmosférickým hořákem v provedení otevřeném i uzavřeném, vždy však s nuceným odtahem spalin (vysoká tlaková ztráta výměníku na straně spalin a nízká teplota spalin neumožňuje řešit odtah spalin přirozeným komínovým tahem). Díky tomu mohou být odtahy spalin malého profilu a ve většině případů se provádějí z plastů. Vysoké účinnosti dosahují jednotky v provedení kondenzačním, kdy kromě spalného tepla se využívá i kondenzačního tepla spalin. Použití kondenzační techniky pro tento účel je patrně nejlepším způsobem využití tohoto principu ve vytápění, neboť na rozdíl od teplovodního vytápění zde není problém s nízkou teplotou ohřívaného média (teplota vytápěcího vzduchu bývá do 50°C). Pro umístění jednotek v budově platí stejná pravidla, jako pro ostatní odběrná plynová zařízení a proto výhodnější z hlediska bezpečnosti provozu jsou jednotky uzavřené s nuceným odtahem spalin a přívodem vzduchu z venku. Jednotlivé plynové teplovzdušné agregáty se od sebe liší také polohou připojovacích přírub a možnostmi osazení v budově. Na obr.4 jsou příklady osazení teplovzdušné jednotky v půdním prostoru a ve sklepě. Základní regulace plynové jednotky zajišťuje bezpečný provoz jedno- nebo dvoustupňového hořáku včetně zapalovací automatiky bez "věčného plamínku". Provozní regulace je většinou jednozónová, podle pokynů prostorového termostatu, umístěného vhodně v referenční místnosti. V závislosti na klimatických podmínkách místa stavby a požadavcích budoucího majitele se vždy počítá s možným doplněním ohřívacího agregátu dalšími prvky pro klimatizaci budovy jako je zvlhčovač a chladič.

Obr.4 Varianty osazení plynové teplovzdušné jednotky

Plynové agregáty v klasickém provedení jsou konstruovány pro maximální ohřev vzduchu o 35 až 55 K, v kondenzačním provedení do 20K. Jednotky se vyrábí ve výkonech od 7 do 28kW. Účinnost plynových teplovzdušných jednotek se pohybuje kolem 80% pro klasické provedení, až 96% pro kondenzační jednotky.

Teplovzdušné agregáty mohou být v provedení na zemní plyn i propan nebo lehký topný olej. V ČR jsou v současnosti ( 7/2000) certifikovány některé jednotky na zemní plyn a propan a do doby většího rozšíření používání tohoto systému je třeba vyřešit řadu legislativních překážek.

Kromě agregátu plynových a olejových je možné teoreticky používat agregátů plně elektrických, kde je však u nás problém se využitím sazby pro přímotopy. Tímto tarifem je v ČR elektrická energie do objektu dodávaná pouze 20 hodin s max. dvouhodinovými přestávkami, což postačuje pro vytápění tradiční stavby teplovodním vytápěním, kde lze počítat s akumulací tepla. V lehkých stavbách s teplovzdušným vytápěním je dvouhodinová přestávka příliš dlouhá na to, aby nedošlo k poklesu vnitřní teploty a pocitu diskomfortu uživatelů a proto jsou instalace tohoto systému vytápění za současných podmínek velmi riskantní.

Rozvody

Rozvody teplého vzduchu jsou vedeny buď v kovových kanálech v konstrukci podlahy (obr.5) nebo ve sklepě pod stropem nebo v půdním prostoru ve spiro potrubí. Vyústky jsou umístěny v podlaze v každé místnosti.Výpočet rozvodů se zpracovává běžným postupem pro rozvody vzduchotechniky.

Obr.5 Vedení rozvodů vzduchu v podlaze

Potrubí musí být vzduchotěsné, je-li vedeno v nevytápěných prostorách dobře tepelně izolované a navržené s ohledem na hluk. K diskusi o usazování a víření prachu lze konstatovat, že cirkulační teplovzdušné vytápění během provozu naopak snižuje prašnost prostředí, neboť cirkulující vzduch je při každém průchodu teplovzdušným agregátem filtrován. Problematické je pouze zapnutí systému po delší přestávce, kdy se opravdu zvíří prach v potrubí usazený. Tento problém řeší v zahraničí specializované firmy, které mají technické prostředky pro pročištění vzduchotechnických kanálů před zahájením otopné sezóny.

Systémy amerického typu s cirkulačním provozem neřeší větrání jednotlivých místností a jsou vhodné pro přízemní domy. V případě rodinných domů s obytným podkrovím není výjimkou, že teplovzdušné vytápění je z úsporných důvodů použito pouze v přízemí a patro se vytápí např. elektrickými přímotopy. Aplikace těchto principů v našich podmínkách by však měla být vždy podložena technicko-ekonomickou úvahou, vycházejících z aktuálních cen energií, které tato rozhodnutí zásadním způsobem ovlivňují.

Systémy s ventilačním nebo kombinovaným provozem

Teplovzdušné vytápění integrované s řízeným větráním objektu představuje moderní koncepci, která je využitelná především v dobře zateplených objektech s nízkou potřebou energie na vytápění . Tyto objekty se od tradičních liší v těchto aspektech:

Obr. 6 Teplovzdušné vytápění s ventilačním provozem

• mění se poměr tepelné ztráty prostupem a větráním, kdy hygienicky minimální větrání tvoří více než 50% celkové tepelné ztráty
• díky zateplení a kvalitním oknům se zvyšuje vnitřní povrchová teplota stěn a snižuje se potřeba eliminace negativního sálání a tím i význam sálavé otopné plochy v místnosti.

Zdroje tepla pro teplovzdušné vytápění s ventilačním provozem

Otopný zdroj zde musí být řešen tak, aby byl schopen ohřívat čerstvý venkovní vzduch na požadovanou vnitřní teplotu a musí být dostatečně pružný na to, aby byl schopen okamžitě reagovat na změny venkovních podmínek. Podle druhu primárního paliva je možné použít zdrojů na plyn (zemní i kapalný), olej nebo elektrických. Při použití plynu nebo oleje se jako nejúčinnější a nejjednodušší jeví aplikace plynového teplovzdušného agregátu, i když v současnosti jsou díky zakořeněným tradicím v Evropě většinou instalována zařízení s tradičním plynovým teplovodním kotlem a výměníkem v teplovzdušné jednotce. Hlavní předností tohoto řešení je možnost použít teplovodní kotel nejen pro ohřev vytápěcího vzduchu, ale řešit i vytápění části budovy klasickou teplovodní soustavou a případně zajistit ohřev TUV nebo vody v bazénu. Díky nízkým pracovním teplotám ve všech částech těchto systémů je možné aplikovat kondenzační kotle. Všechna tato řešení však vedou k topenářsky poměrně náročným zapojením se všemi známými problémy hydraulické stability a přechodových jevů v teplovodních otopných soustavách.

Využití elektrické energie je možné dvojím způsobem. Nejjednodušší řešení je aplikace odporového ohřevu buď přímo vzduchu ( pozor však na tarify přímotopného vytápění - viz poznámka u cirkulačních systémů) nebo akumulace tepla do vody a řešení s hydraulickým přenosem tepla. Druhý způsob otevírá další možnosti řešení energetického systému budovy s využitím solární energie prostřednictvím teplovodních kolektorů s akumulací tepla do vody. V případě systémů v nízkoenergetických domech lze použít i tepelných čerpadel, která předávají teplo do systému teplovzdušného vytápění buď přímo ( sekundární strana čerpadla ohřívá přímo vzduch) nebo prostřednictvím hydraulického okruhu ( sekundární strana čerpadla ohřívá vodu a ta pomocí teplovodního výměníku ohřívá vzduch). Tepelná čerpadla vzduch-vzduch mají v tomto případě výhodu v snazším přepojení na letní provoz, kdy je možné využít tepelného čerpadla v reverzním provozu pro chlazení.

Teplovzdušné vytápění s ventilačním provozem je systém, u kterého by bylo technickým prohřeškem nevyužít zpětného získávání tepla z odváděného vzduchu. Odváděný vzduch není většinou nadměrně znečištěn mechanickými příměsmi a tak je možné použít prakticky všech známých principů zpětného získávání tepla. Nejčastěji se používá deskových rekuperačních výměníků, které dosahují účinnosti kolem 80%.

Distribuční síť

Ve srovnání se systémem cirkulačním je distribuční síť teplovzdušného vytápění s ventilačním provozem složitější v tom, že systém by měl zajišťovat nejen vytápění objektu ale i jeho větrání. Aby nedocházelo k přenosu škodlivin mezi jednotlivými místnostmi, musí být důsledně řešeno rozmístění přívodních a odváděcích otvorů. Přívody vytápěcího (a současně větracího) vzduchu se umísťují do místností s malou produkcí škodlivin jako jsou obytné místnosti, šatny a chodby, zatímco odváděcí otvory se umísťují do míst se zvýšenou produkcí škodlivin jako jsou wc, koupelny a kuchyně. I když ventilační provoz teplovzdušného vytápění se navrhuje tak, aby zajistil dostatečnou rovnoměrnou výměnu vzduchu v celém objektu, doplňuje se lokálními větracími prvky pro nárazovou potřebu větrání jako je kuchyňský odsavač par a podtlakové větrání WC. Příklad možného řešení systému teplovzdušného větrání je na obr. 6.

Literatura

[1]	ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipments, ASHRAE, Atlanta 2000
[2]	Humm, O.: Nízkoenergetické domy, Grada Publishing 1999
[3]	Kabele, K.: Vytápění nízkoenergetických domů. Společnost pro techniku prostředí - Setkání topenářů Moninec 1999
[4]	Kabele,K.: K.: Moderní systémy vytápění bytových domů Přednáška. Schiedel s.r.o.. 1998
[5]	Lázňovský,M.,Kubín,M.,Fišer,P.: Vytápění rodinných domků. Nakladatelství T.Malina,Praha 1996
[6]	Recknagel, Sprenger, Schranek Taschenbuch fur Heizungs+Klima technik 94/95. R.Oldenbourg Verlag Munchen Wien
[7]	RWE Energie. Bau-handbuch 12.ausgabe 1998
[8]	Duplex RD Teplovzdušné vytápěcí a větrací jednotky s rekuperací tepla. Atrea, Liberec 1998 http://www.atrea.cz
[9]	Pulzní horkovzdušné kotle Lennox G21. Delta Climatizer http://www.deltaclimatizer.cz
[10]	Firemní literatura Lennox, Carrier, Atrea, Delta Climatizer