Experimentální ověření přímotopného stěnového systému v topném režimu

Stěnové vytápění představuje nový trend při návrhu vytápění obytných místností i s ohledem na nízký teplotní rozdíl mezi teplotou vzduchu v místnosti a teplotou topné plochy, který umožňuje využívat obnovitelné zdroje energie, jako jsou tepelná čerpadla, solární kolektory, průmyslové odpadní teplo a podobně [1, 2]. Ačkoliv výzkum sálavých povrchů je většinou zaměřen na podlahové a stropní vytápění, důkazy z nedávných studií naznačují, že v některých případech mohou být systémy sálavých stěn lepší; i proto představují potenciální proveditelné řešení pro vytápění prostor.

Několik studií přímo porovnává stěnové vytápění s jinými alternativami. Například porovnávají stěnové a stropní vytápění z hlediska spotřeby energie, exergie a provozních nákladů, jakož i jmenovitého výkonu zdroje tepla [3, 4]. V jedné ze studií se doporučuje upřednostnit stěnové vytápění před podlahovým vytápěním, protože je možné dosáhnout lepší tepelný výkon a komfort s nižší teplotou vody, čímž se sníží spotřeba paliva [5].

Počítačové simulace potvrdily, že stěnové vytápění je schopné vytvořit příjemné vnitřní prostředí v dobře izolované místnosti [6]. Zkoumaný byl i přenos tepla ve stěnovém topném systému s kapilárními rohožemi umístěnými pod povrchem a izolovanými od nosné konstrukce, který také prokázal, že stěnové vytápění může být dobrou alternativou [7].

V jedné ze studií je zdůrazňována důležitost umístění potrubí ve stěně vzhledem k tepelnému výkonu. Vložením trubek do tepelné izolace se může snížit topná kapacita o 50 % ve srovnání se systémem s trubkami zabudovanými v tepelném jádru a o 63 % v porovnání se systémem s trubkami umístěnými pod povrchem [8].

Stěny je například možné provozovat jako tepelné bariéry, aby se zabránilo tepelným ztrátám v zimě. Kombinování tepelné bariéry s akumulací geotermální energie a stanovení teploty teplonosné látky na přibližně 17 °C po celý rok může pomoci snížit tepelné ztráty přes vnější stěny o jednu třetinu ve srovnání s tradičními izolovanými stěnami [9].

Ze závěru studie, která se zabývá tepelnou bariérou, vyplývá, že u stavební konstrukce sestávající ze dvou cihlových vrstev, může tepelná bariéra snížit přenos tepla z exteriéru do vnitřního prostoru na téměř nulu, a tím výrazně snížit spotřebu energie [10].

Současný výzkum se zaměřuje na řešení stěnového vytápění s trubkami, které jsou tepelně izolovány od hlavní stavební konstrukce. Jde o řešení s trubkami, které jsou umístěny ve vnitřní omítce a ze strany exteriéru jsou izolovány tepelnou izolací od hlavní stavební konstrukce z pórobetonového zdiva. Výhodou tohoto systému je jeho vhodnost pro instalaci v nových i stávajících budovách [11].

Experimentální ověření je zaměřeno na zkoumání teplotního profilu v cihlách, povrchovou teplotu a tepelný výkon. Kromě stěnového vytápění je také možné použít nástěnný systém jako tepelnou bariéru pro snížení přenosu tepelných ztrát [12, 13, 14].

Experimentální návrh a postup

Experimentální měření probíhala na fragmentu stěny, který představuje vnější obvodovou stěnu, jež sestává z pórobetonového zdiva tloušťky 200 mm a tepelné izolace Styrodur (Fibran XPS) tloušťky 100 mm. Ve vnitřní omítce byl umístěn trubkový registr, který v tomto případě tvořil přímotopný sálavý stěnový systém.

Klimatická komora a umístění fragmentu

Experimentální fragment byl zabudován do stěny, která dělila dvě klimatické komory s regulovanou teplotou vzduchu: jedna komora simulovala vnitřní prostředí, zatímco druhá simulovala vnější klimatické podmínky (obr. 1). Požadované teploty vzduchu na vnitřní straně fragmentu se dosáhlo připojením hotboxu ke
stěně.

Během experimentů bylo požadované teploty vzduchu v obou klimatických komorách dosaženo technologií klimatické komory, a to v exteriérové komoře ohřívačem nebo chladičem a v interiérové komoře technologií hotbox, která je vyb avena výměníkem tepla a elektrickými odporovými spirálami (obr. 1). Rychlost proudění vzduchu v klimatické komoře byla zajištěna ventilátory, kde v exteriérové komoře i v hotboxu v interiérové komoře vzduch cirkuloval shora dolů (obr. 1).

Model fragmentu stěny a měřicí snímače

Fragment stěny sestával z jádra složeného z cihel z pórobetonu a vnější tepelné izolace (obr. 2) a tepelně aktivní omítky obsahující trubky (obr. 2 a obr. 3). Tepelně technické vlastnosti materiálů stěny jsou uvedeny na obr. 4. Čísla 1 až 5 představují vrstvy materiálů, z nichž byl fragment stěnového systému složen. Těmto číslům příslušejí jednotlivé materiálové charakteristiky, které je vidět na obr. 4.

Rozměry fragmentu stěny byly 1 200 mm × 1 200 m m a tloušťka cihelného jádra byla 200 mm (obr. 5). Přestože je tato tloušťka relativně nízká, předchozí teoretická studie [15] ukázala, že pro tento typ stěny má tloušťka betonu v rozsahu od 200 do 400 mm malý vliv na tepelný výkon. Ukázalo se také, že tepelný tok a distribuce teploty jsou podobné bez ohledu na umístění stěny (vnější nebo vnitřní). Snímač tepelného toku byl umístěn na povrchu uprostřed fragmentu podle doporučení [16].

Případy experimentální studie

V této studii jsou výslovně zohledněny účinky větru a deště. Vzhledem k vyšší kvalitě tepelné izolace se předpokládalo, že nezohlednění všech vnějších klimatických faktorů bude mít jen malý vliv na použitelnost výsledků. V tab. 1 jsou seřazena experimentální měření fragmentu sálavé stěny v režimu vytápění.

Výsledky

V laboratorních podmínkách klimatické komory byla provedena experimentální měření přímotopného stěnového systému v režimu nízkoteplotního vytápění.

Ověření stěnového vytápění při venkovní teplotě 10 °C

V klimatické komoře byly nastaveny okrajové podmínky: teplota vzduchu v exteriérové ​​komoře T_e = 10 °C při rychlosti proudění vzduchu v_e = 2 m/s, teplota vzduchu v hotboxu (HB) interiérové ​​komory T_i = 20 °C s rychlostí proudění vzduchu V_HB = 0 , 9 m/s a teplota vody v trubce stěnového systému T_v = 18 °C. Začátek a konec měření je znázorněn v tab. 1.

Vytápění bylo zapnuto dne 4. 3. 2020 v čase 09:35 a vypnuto dne 5. 3. 2020 v čase 09:38. Na obr. 6 je vidět průběh povrchových teplot v bodech A 1, B 1, C 1 a D 1, průběh teplot přívodní T_s a vratné vody T_r podle obr. 5 a průběh tepelného toku q_i měřený Schmidtovým koberečkem.

Na ob r . 6 jsou barevně znázorněny křivky, z nichž červená znázorňuje průběh teploty přívodní vody v trubkách, modrá křivka průběh teploty vratné vody v trubkách, šedá křivka představuje teplotu na vnitřním povrchu stěny v bodě A-1, hnědá čárkovaná křivka teplotu na vnitřním povrchu stěny v bodě B-1, růžová křivka představuje teplotu na vnitřním povrchu stěny v bodě C-1 a oranžová čárkovaná křivka teplotu na vnitřním povrchu stěny v bodě D-1.

Zelená křivka představuje průběh tepelného toku z interiéru měřený Schmidtovým koberečkem. Jak je vidět na obr. 6, po spuštění stěnového systému v režimu vytápění v ustáleném stavu při daných okrajových podmínkách dosahoval tepelný tok hodnotu přibližně q_i = 24,8 W/m² i po zopakování měření. Jak je vidět na obr. 6 po spuštění systému, časová odezva, kdy se systém přiblíží výše uvedené hodnotě tepelného toku v jeho ustáleném stavu, je relativně krátká, a dá se tedy konstatovat, že systém má rychlý náběh po jeho spuštění.

Na obr. 6 je také vidět rozdíl mezi povrchovými teplotami T A-1 a T D-1, které se nacházejí na interiérovém povrchu stěny nad trubkami, a povrchovými teplotami T B-1 a T C-1, jež jsou na interiérovém povrchu stěny mezi trubkami. Povrchové teploty měřené v bodech T A-1 a T D-1 jsou vyšší v porovnání s povrchovými teplotami T B-1 a T C-1. Lze také konstatovat, že systém v režimu vytápění je spolehlivý při daných okrajových podmínkách, jak je vidět z grafického průběhu tepelného toku na obr. 6.

Ověření stěnového vytápění při venkovní teplotě vzduchu 4 °C při různých rychlostech proudění vzduchu v HB

V klimatické komoře byly nastaveny okrajové podmínky: teplota vzduchu v exteriérové ​​komoře T_e = 4 °C při rychlosti proudění vzduchu v_e = 2 m/s, teplota vzduchu v hotboxu (HB) interiérové ​​komory T_i = 20 °C s rychlostí proudění vzduchu V_HB = 0,9 m/s a teplota vody v trubce stěnového systému T_v = 29 °C. Začátek a konec měření je uveden v tab. 1. Vytápění bylo zapnuto dne 6. 3. 2020 v čase 11:56 a vypnuto dne 7. 3. 2020 v čase 11:17. Na obr. 7 je vidět průběh povrchových teplot v bodech A 1, B 1, C 1 a D 1, průběh teplot přívodní T_s a vratné vody T_r podle obr. 5 a průběh tepelného toku q_i měřený Schmidtovým koberečkem.

Měření se opakovalo při stejných podmínkách se změnou rychlosti proudění vzduchu v HB, která se snížila z 0,90 m/s na 0,45 m/s. Začátek a konec měření je znázorněn v tab. 1. Vytápění bylo zapnuto dne 8. 3. 2020 v čase 10:40 a vypnuto dne 9. 3. 2020 v čase 11:06. Průběh teplot a tepelného toku lze spatřit na obr. 8.

Jak je vidět na obr. 8 v ustáleném stavu po spuštění systému, systém v režimu vytápění při daných okrajových podmínkách dosahoval hodnoty tepelného toku přibližně  q_i = 44,6 W/m² a na obr. 9 je zase vidět, že v ustáleném stavu po spuštění systému dosahoval systém v režimu vytápění při daných okrajových podmínkách hodnoty tepelného toku přibližně q_i = 35,2 W/m². Rozdíl v hodnotách tepelných toků tedy poukazuje na významný vliv rychlosti proudění vzduchu v hotboxu v interiérové komoře. Je tedy zjevné, že čím vyššími rychlostmi je fragment stěny v interiéru ofukován, tím větší je tepelný tok q_i.

Na obr. 8 je také dobře vidět rozdíl mezi povrchovými teplotami T A-1 a T D-1, které se nacházejí na interiérovém povrchu stěny nad trubkami, a povrchovými teplotami T B-1 a T C-1, které jsou na interiérovém povrchu stěny mezi trubkami. Povrchové teploty měřené v bodech T A-1 a T D-1 jsou vyšší v porovnání s povrchovými teplotami T B-1 a T C-1. Stejný fakt je vidět i na obr. 9.

Na obr. 7 a 8 je také možné vidět rozdíl teplot přívodní T_s = 29,5 °C a vratné vody T_v = 28,5 °C při provozu vytápění. Na základě grafického průběhu tepelného toku z obr. 7 a 8 se dá konstatovat, že při daných okrajových podmínkách je systém v režimu vytápění spolehlivý.

Ověření stěnového vytápění při venkovní teplotě -11 °C

V klimatické komoře byly nastaveny okrajové podmínky: teplota vzduchu v exteriérové ​​komoře T_e = -11 °C při rychlosti proudění vzduchu v_e = 2 m/s, teplota vzduchu v hotboxu (HB) interiérové ​​komory T_i = 20 °C s rychlostí proudění vzduchu V_HB = 0,90 m/s, a teplota vody v trubce stěnového systému T_v = 40 °C. Začátek a konec měření je znázorněn v tab. 1. Vytápění bylo zapnuto dne 10. 3. 2020 v čase 9:47 a vypnuto dne 11. 3. 2020 v čase 9:47. Na obr. 9 je vidět průběh povrchových teplot v bodech A 1, B 1, C 1 a D 1, průběh teplot přívodní T_s a vratné vody T_r podle obr. 5 a průběh tepelného toku q_i měřený Schmidtovým koberečkem.

Jak je vidět na obr. 9, stěnový topný systém v ustáleném stavu při daných okrajových podmínkách dosahoval hodnoty tepelného toku přibližně q_i = 99,7 W/m². Na obr. 9 je také dobře vidět rozdíl mezi povrchovými teplotami T A-1 a T D-1, které se nacházejí na interiérovém povrchu stěny nad trubkami, a povrchovými teplotami T B-1 a T C-1, které jsou na interiérovém povrchu stěny mezi trubkami. Povrchové teploty měřené v bodech T A-1 a T D-1 jsou vyšší v porovnání s povrchovými teplotami T B-1 a T C-1.

Na obr. 9 je možné vidět rozdíl teplot přívodní T_s = 41,3 °C a vratné vody T_v = 38,5 °C při provozu vytápění. Na základě grafického průběhu tepelného toku z obr. 9 lze také konstatovat, že systém má rychlý náběh a při daných okrajových podmínkách je systém v režimu vytápění spolehlivý.

Na obr. 10 je možné vidět fotografii experimentálního vzorku fragmentu stěny s trubkovým topným registrem a termovizní snímek přímotopného stěnového sálavého systému v režimu vytápění. Na termovizním snímku z obr. 10 je dobře vidět homogenní rozložení teplot při provozu systému v režimu vytápění.

V tab. 2 jsou znázorněny případy stěnového vytápění během jedné hodiny v ustáleném topném režimu podle tab. 1.

1. Pro případ V1 podle tab. 2 byla zkoumána 1 hodina v ustáleném stavu dne 5. 3. 2020 od 8:01 do 9:01 a topný výkon stěnového systému představoval hodnotu 24,8 W/m². Případ V2 byl v ustáleném stavu zkoumán dne 07. 03. 2020 od 10:01 do 11:01 a topný výkon stěnového systému představoval hodnotu 44,6 W/m² při rychlosti proudění vzduchu v hotboxu 0,9 m/s a ​​případ V2b byl zkoumán v ustáleném stavu dne 9. 3. 2020 od 10:00 do 11:00 a topný výkon stěnového systému představoval hodnotu 35,2 W/m² při rychlosti proudění vzduchu v hotboxu 0,45 m/s. Případ V3 byl v ustáleném stavu zkoumán dne 11. 3. 2020 od 8:31 do 9:31 a topný výkon stěnového systému představoval hodnotu 99,7 W/m².

Z tab. 2 je zjevné, že u jednotlivých měření systému v režimu vytápění jsou povrchové teploty a tepelné toky odlišné v závislosti na daných okrajových podmínkách a zejména v závislosti na rychlosti proudění vzduchu v hotboxu v případech V2 a V2b, kdy došlo ke změně rychlosti proudění vzduchu v hotboxu z hodnoty 0,9 m/s na hodnotu 0,45 m/s, což mělo vliv na rozdíl v tepelných tocích.

Z tab. 2 je také možné konstatovat, že rozdíl teplot T_{vzd, ext} nemá významný vliv na tepelné toky. Na tepelný tok q_i má vliv rozdíl mezi teplotou vzduchu v hotboxu T_{vzd, HB} a teplotou přívodní vody T_s a také má na tepelný tok q_i významný vliv rychlost proudění vzduchu v hotboxu v_{vzd, HB}. Čím vyšší je rychlost v_{vzd, HB}, tím větší je tepelný tok q_i.

Závěr

Cílem experimentálního měření bylo ověření provozu stěnového přímotopného systému v režimu vytápění v podmínkách klimatické komory při různých okrajových podmínkách. Měřenými parametry byly: tepelný tok, teploty v referenčních bodech fragmentu stěny a časová odezva systému při jeho náběhu. Zkoumány byly 4 případy provozů systému v režimu vytápění při různých okrajových podmínkách, jak je vidět v tab. 2. Ve všech
zkoumaných případech režimu vytápění se uvažovalo, že fragment stěny sousedí s exteriérem.

Z výsledků reprezentujících jednu hodinu provozu stěnového systému v režimu vytápění, které jsou znázorněny v tab. 2, vyplývá, že exteriérové podmínky teploty vzduchu nemají výrazný vliv na tepelný tok. Na straně druhé je však vidět vliv rychlosti proudění vzduchu na interiérové části fragmentu stěny v blízkosti trubkového registru.

Pro rychlost proudění interiérového vzduchu 0,9 m/s pro případ V2 je tepelný tok vyšší než pro případ V2b s rychlostí proudění interiérového vzduchu 0,45 m/s. Z grafického znázornění průběhu teplot v referenčních bodech a tepelných toků je možné konstatovat, že tento systém přímotopného sálavého stěnového vytápění má relativně rychlý náběh a ve zkoumaných případech se jeví jako spolehlivý systém vytápění.

To, že zkoumaný systém v těchto podmínkách dokáže místnost vytápět, je dobře vidět i na obr. 10. Na tepelný tok q_i má vliv rozdíl mezi teplotou vzduchu v hotboxu T_{vzd, HB} a teplotou přívodní vody T_s a také rychlost proudění vzduchu v hotboxu v_{vzd, HB}. Čím vyšší je rychlost v_{vzd, HB}, tím větší je tepelný tok q_i.

Tento systém by bylo v dalším výzkumu vhodné porovnat z hlediska jeho náběhu při spuštění provozu, topné kapacity a topného výkonu s obdobnými systémy při stejných okrajových podmínkách při různé poloze trubkového registru napříč skladbou stěny (např. v tepelné izolaci), při různých materiálech nosné stěny (železobeton, pálená cihla).

Na základě této studie je však zjevné, že zkoumaný sálavý stěnový systém při daných okrajových podmínkách s teplotou topné vody např. 30 °C by mohl v kombinaci s obnovitelnými zdroji (odpadní teplo z geotermálních koupališť, tepelná čerpadla) představovat vhodné řešení i pro vytápění obytných budov.

Poděkování

Tento výzkum podpořila Slovenská agentura pro výzkum a vývoj na základě smlouvy č. APVV-16-0126, grant Ministerstva školství, vědy, výzkumu a sportu SR VEGA 1/0847/18. Děkujeme společnosti PAVJAN, s. r. o., za pomoc při výstavbě fragmentu stěny, společnosti Regulaterm, s. r. o., za pomoc při budování zařízení zdroje tepla a chladu pro experimentální ověření stěnového topného systému a společnosti REHAU, s. r. o., za pomoc při budování tepelně aktivní topné a chladicí vrstvy fragmentu stěny.