Sálavé vytápění na principu krátkovlnného záření
Pod obchodním názvem quartzové sálače jsou v současné době do ČR dovážena topná tělesa, u nichž je jako stěžejní výhoda prezentována funkce na principu infračerveného záření, a tedy poskytnutí okamžitého tepelného účinku. Podívejme se, zda tento princip může skutečně poskytovat slibovaný uživatelský komfort.
Již delší dobu je známo, že infračervené vytápění (šíření tepla sáláním) má značné výhody proti konvenčnímu vytápění, které funguje na principu sdílení tepla od ohřívaného vzduchu (šíření tepla prouděním = konvekcí, například [1]).
Neustálé zlepšování zdrojů infračerveného záření vede k jejich stále vyšší účinnosti. K nejlepším typům infračervených zářičů (sálačů) v současné době patří křemenné sálače s parabolickými hliníkovými reflektory, vyráběné například firmami Tansun a Burda [5]. V současné době jsou dováženy do České republiky firmou Able Electric, spol. s. r. o., pod obchodním názvem „quartzové sálače“ pro jasné odlišení od všech starších typů křemenných zářičů. Všimněme si základních charakteristik těchto zářičů a jejich porovnání se staršími typy infračervených zářičů.
Charakteristika zářičů
V těchto křemenných zářičích jsou používány výbojky HeLen Philips s elektricky žhaveným wolframovým vláknem v trubici z křemenného skla. Vlákno je žhaveno na teplotu 2 600 °C, takže vyzařuje maximálně v blízké infračervené oblasti s vlnovou délkou okolo 1 000 nm (viditelné světlo je zhruba 400 až 800 nm). Ke zlepšení účinnosti zářičů jsou použity dvě speciální úpravy:
- Vnitřek trubice z křemenného skla (pro maximální propustnost infračerveného záření) je pokryt speciální zlatou vrstvou, která pohlcuje značnou část z 5 % příkonu vyzařovaného jako viditelné světlo (obr. 2) a mění je v další infračervené záření, čímž roste účinnost vyzařování v infračervené oblasti na 96 až 98 %.
- Trubice je vyplněna plynným halogenem, který reaguje s wolframem odpařovaným z povrchu vlákna na halogenid wolframu, který se v těsné blízkosti povrchu vlákna vysokou teplotou rozkládá a způsobuje zpětnou depozici wolframu na vlákno. Tím je zabráněno jednak ztenčování wolframového vlákna jeho odpařováním, jednak snižování průhlednosti trubice usazováním wolframu na jejím vnitřním povrchu. Tak je dosahováno velmi dlouhé doby životnosti křemenných zářičů – až 7 000 hodin, a to bez znatelného snižování účinnosti zářiče jeho stárnutím.
Relativně vysoká teplota wolframového vlákna 2 600 °C způsobuje, že se maximum záření soustřeďuje do úzké oblasti blízkého infračerveného záření 760 až 2 000 nm (oblast IČ A podle obr. 1).
Obr. 1 Rozdělení elektromagnetického záření
UV – ultrafialové záření, VIS – viditelné světlo, IČ – infračervené záření
Obr. 2 Vyzařovací křivky zdrojů infračerveného záření pro různé teploty. Červená křivka odpovídá nejčastějším případům plynových zářičů.
Obr. 2 Vyzařovací křivky zdrojů infračerveného záření pro různé teploty. Červená křivka odpovídá nejčastějším případům plynových zářičů.
Z obr. 2 je patrné, jak výhodný je tvar vyzařovací křivky křemenného zářiče v porovnání se staršími zářiči pracujícími s nižší teplotou vyzařování okolo 900 °C (většina plynových zářičů).
Zvolená teplota zářiče odpovídá maximálnímu podílu vyzařování v oblasti IČ A při ještě velmi malém podílu viditelného světla (u trubic HeLen je tento podíl ještě snížen vnitřní úpravou trubice zhruba na polovinu) (obr. 3).
Obr. 3 Podíl různých složek záření na celkovém vyzářeném výkonu pro žhavené wolframové vlákno v závislosti na jeho teplotě
- v této oblasti se ještě téměř neuplatňuje skleníkový efekt, záření tedy není pohlcováno ani rozptylováno ani vodní parou, ani dalšími skleníkovými plyny, přímý ohřev vzduchu zářením je minimální,
- šíření infračerveného záření v této oblasti je velmi podobné šíření světla, k jeho usměrnění je možné použít jednoduché parabolické kovové reflektory (hliník),
- většina stavebních materiálů má v této oblasti koeficient pohltivosti 80 až 90 %, pohltí tedy většinu dopadajícího záření a stěny (případně podlaha) se přímo ohřívají dopadajícím zářením,
- toto záření je velmi účinně pohlcováno i lidským tělem.
Porovnání s plynovými zářiči
Křemenné zářiče nepotřebují přívod kyslíku a nevznikají v jejich okolí žádné spaliny, jsou tedy mnohem šetrnější ke svému okolí než zářiče plynové. Výkon křemenných zářičů je možné lehce bezeztrátovým způsobem regulovat plynulou změnou jejich výkonu buď manuálně, nebo automaticky podle prostorového termostatu. Lze rovněž zapojit zářiče do sekcí a zapínat podle potřeby jen jednotlivé sekce. Regulace plynových zářičů není bezeztrátová a je složitější. Navíc doba náběhu zářičů na plný výkon i doba jejich doběhu při vypnutí se pohybuje maximálně v sekundách, jsou tedy prakticky bez setrvačnosti a jsou schopny okamžitě po zapnutí přejít na plný topný výkon.
Jednotlivé křemenné zářiče jsou lehké, umístěné na jednoduchých držácích a při změně dispozice místnosti jsou snadno přemístitelné, zářiče do 3 kW je možno napájet z běžné zásuvky jednofázové elektrické instalace.
Je možné jejich širší využití, protože minimální výška, ve které se dají umístit křemenné zářiče, je podstatně menší než pro plynové zářiče, lze je instalovat i v nízkých místnostech od výšky 1,8 m.
Porovnání s plošnými elektrickými zářiči
Čím nižší je povrchová teplota infračerveného zářiče, tím nižší a širší je jeho vyzařovací křivka (obr. 2), současně se zvětšuje vlnová délka maxima této křivky (obr. 1). Těleso o pokojové teplotě 20 °C vyzařuje s maximem při 10 000 nm (10 mikrometrech), plošné zářiče vyzařují na vlnových délkách okolo 5 000 až 7 000 nm (teplota zářiče 100 až 200 °C), tedy poměrně blízko. Plošná hustota vyzařované energie je proto poměrně malá (obr. 4), zářiče tedy musejí mít pro dostatečný vyzařovaný výkon velkou plochu a jsou rozměrné a špatně se umísťují. Křemenné zářiče mohou bez potíží dosáhnout i maximální plošné hustoty energie povolované hygienickými normami, tj. 200 W/m2.
Obr. 4 Maximální vyzařovaná hustota infračerveného záření pro nízké teploty zářičů (e – emisivita zářiče, pro uhlíkové vlákno přibližně e = 1)
Záření od plošného zářiče se vzdáleností ubývá jen velmi pomalu, záření od křemenného zářiče, který má charakter bodového zářiče (podobně jako třeba obyčejná žárovka v oblasti viditelného světla), ubývá s druhou mocninou vzdálenosti od zdroje.
Vzhledem k bodovému charakteru záření je možné velmi snadno realizovat s pomocí křemenných zářičů i tzv. zónové vytápění, kdy je vytápěna jen relativně malá část prostoru, ve které se například pohybují pracovníci – zbytek je vytápěn na podstatně nižší teplotu. Vzhledem k vysoké hustotě vyzařované energie lze použít křemenné zářiče i ve vnějších aplikacích, například k ohřevu venkovní restaurace nebo obslužných ramp. Pro zónové vytápění a venkovní aplikace je velmi podstatná možnost usměrnění záření křemenných zářičů hliníkovými parabolickými reflektory – zpravidla na obdélníkovou plochu o délce (ve směru trubice) okolo 120 % výšky trubice a šířce (kolmo na trubici) okolo 80 % výšky trubice.
Křemenné zářiče mají také řádově menší tepelnou setrvačnost než plošné infračervené zářiče, při přerušovaném vytápění je tedy jejich ovládání mnohem jednodušší.
Výhody a možnosti použití
Výhody oproti přímotopům
Elektrické přímotopy nejprve ohřívají okolní vzduch. Cirkulací teplý vzduch v místnosti stoupá ke stropu a u podlahy je chladno. I v interiérech je dosažení tepelné pohody s přímotopy proto poměrně zdlouhavé. Pro venkovní prostory jsou přímotopy zcela nevhodné.
Naproti tomu v interiérech je použití quartzových lamp výhodné. Sálače nejprve ohřívají podlahu, stěny, osoby a předměty, na které dopadá jejich tepelné záření, a teprve od nich se ohřívá vzduch.
Vytápění
Tepelný zdroj s quartzovou lampou má řadu provozních výhod: nepotřebuje přívod kyslíku a v jeho okolí nevznikají žádné spaliny, je tedy mnohem šetrnější ke svému okolí než zářiče plynové. Snadno se reguluje, doba náběhu na plný výkon i doba jejich doběhu při vypnutí se pohybuje maximálně v několika vteřinách.
Do výkonu 3 kW je možné tepelný zdroj s quartzovou lampou napájet z běžné zásuvky jednofázové elektrické instalace. Minimální výška, ve které se tyto sálače dají umístit, je v závislosti na výkonové variantě již od 1,8 m.
Quartzové sálavé lampy mohou bez potíží dosáhnout i maximální plošné hustoty energie povolované hygienickými normami, tj. 200 W/m2.
Vysoušení stěn
Infrazářiče s quartzovou lampou sáláním vysušují stěny, a jsou proto vhodnou prevencí proti plísním na zdech. Jejich okamžitý účinek tak oceníme i pro vlhká a hůře větraná prostředí (koupelny, dílny, pracovny) a všude tam, kde se nezdržujeme trvale, ale potřebujeme ihned tepelnou pohodu.
Vysoušení stěn domu klasickými topidly založenými na principu přenosu tepla ohřátým vzduchem je velmi zdlouhavé, neekonomické a také neúčinné. Vítr lehce odnese právě ten nejteplejší vzduch a za deštivého dne k vysoušení nedochází vůbec.
Tam, kde je potřeba zajistit rychlé a jednoduché vysoušení a vytápění s pohodlnou regulací a s účelným pokrytím vybraných prostorů, se sálač s quartzovou lampou jako řešení přímo nabízí.
Ve vysoušení stěn můžeme pomocí sálavého topení pokračovat i v chladných dnech. Navíc tepelný sálač s quartzovou lampou nejenže připraví příjemné prostředí pro nás i naše případné návštěvy, ale vyhne se i provozním potížím, jako jsou u jiných systémů. Jsou to: nevyhovující regulace, zbytečné ohřívání celého prostoru, vysoké náklady na jeho udržování, potíže s dokumentací, atesty a revizemi kvůli bezpečnosti.
Závěr
Závěrem tedy můžeme konstatovat, že princip infračervených topidel může skutečně onen avizovaný uživatelský komfort poskytovat. Tepelné sálače mají ale i jiné přednosti. Jsou například mobilní – v případě potřeby jednotlivé infrasálače odmontujeme a nainstalujeme kamkoliv jinam. Dají se také namontovat na přenosné stojany. Jsou vhodné i na balkon nebo terasu či do jiného otevřeného prostoru.
Literatura
1.Kotrbatý, M.: Vytápění průmyslových a velkoprostorových objektů. Dostupné na internetu: www.tzb-info.cz, 15. 10. 2007.
2.Electric Infrared Heating Manual. Fostoria Industries Inc, North Main, USA, 1998.
3.Ceramic Infrared Emitters. Salamander, Michigan, USA, 2005.
4.Hottel, H. C., Sarofim, A. F.: Přenos tepla zářením. Praha: SNTL, 1979.
5.Měření vyzařovacích křivek zářičů Ibiza a Algarve. Interní zpráva společnosti Řídicí systémy, spol. s. r. o., 2007.
6.Firemní podklady Tansun a Burda
7.Daďourek, K.: Nové možnosti infračerveného vytápění. Dostupné na internetu: www.tzb-info.cz, 2007.
Ing. Ivo Borovec
Obrázky a foto: Řídicí systémy, spol. s. r. o.
Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.
