Výzkumné projekty Fenix ve spolupráci s UCEEB

Význam a pozice společnosti FENIX v oboru elektrického vytápění vytváří také jistý závazek nejen iniciovat, ale zejména se podílet na výzkumných projektech v tomto oboru. Otevření Univerzitního centra energeticky efektivních budov (UCEEB), se špičkově vybavenými laboratořemi, bylo impulsem k významnému prohloubení spolupráce s ČVUT právě na poli výzkumu. Proto zde kromě dlouhodobého projektu Office Centra FENIX ve standardu 2020 běží od roku 2015 také výzkum, jehož účelem je vědecky prozkoumat a/nebo ověřit jevy spojené s vytápěním, které byly dosud jen vysledované nebo předpokládané.

Prvním bylo porovnat charakteristiky různých systémů vytápění – sálavého stropního (panely/velkoplošné), sálavého nástěnného, podlahového, konvekčního:
• fáze I. – měření rozložení teplot pomocí kulových teploměrů,
• fáze II. – snímání pocitu komfortu pomocí figuríny,
• fáze III. – vliv topného systému na proudění vzduchu v místnosti,
• projekt FELIX – analýza pocitu komfortu pomocí statistického vzorku uživatelů.

Fáze I.: měření rozložení teplot pomocí kulových teploměrů
Pro každý typ topného tělesa byl proveden test dynamiky náběhu teploty z počátečního stavu (vnitřní teplota komory 16 °C, vnější teplota -12 °C) na ustálený stav (20 °C), udržování ustáleného stavu se snímáním rozložení teplot.
Měření probíhala pomocí tří stojanů, na každém byla čtyři čidla (Obr. 1-10):
• výška kotníků (0,1 m),
• výška břicha sedící osoby (0,6 m),
• výška hlavy sedící osoby (1,1 m),
• výška hlavy stojící osoby (1,7 m).

Obr. 1 Schéma rozmístění čidel v místnosti – půdorys

Obr. 2 Schéma rozmístění čidel v místnosti – řez

Obr. 3 Konvektor

Obr. 4 Stropní vytápění

Obr. 5 Podlahové vytápění

Obr. 6 Stropní sálavé panely

Obr. 7 Konvektor

Obr. 8 Stropní vytápění

Obr. 9 Podlahové vytápění

Obr. 10 Stropní sálavé panely

Fáze I. byla úspěšně dokončena v říjnu 2015. Během ní bylo prokázáno, že i v objektu s parametry pasivní stavby má systém vytápění velký vliv na rozložení teplot a z toho plynoucího komfortu. Měřením se potvrdila energetická náročnost pro různé stavy – z hlediska dynamiky při zátopu jsou efektivnější a ekonomičtější konvekční systémy, naopak pro trvalé vytápění s konstantní teplotou, nebo jen malými útlumy (charakteristické pro dnešní novostavby) jsou nejefektivnější velkoplošné systémy. Výsledky měření jsou již využívány a veřejně prezentovány.

Fáze II.: snímání pocitu komfortu pomocí figuríny
Cílem testu bylo s využitím speciální figuríny, vybavené ohřevem jednotlivých částí těla a snímači teploty (Obr. 11), analyzovat míru komfortu při jednotlivých druzích vytápění. Zároveň jsme se snažili ověřit, zda sálavé teplo má pozitivní vliv na subjektivní vnímání pocitu tepla – tedy zda může být pocitu komfortu dosaženo při nižších teplotách než u konvekčních systémů.

Obr. 11 Speciální figurína vybavená ohřevem jednotlivých částí těla a snímači teploty určená pro analýzu míry komfortu při jednotlivých druzích vytápění.

Fáze II. byla dokončena v únoru 2016. Dosažené výsledky nepřinesly očekávané závěry, naopak odporovaly některým obecně známým jevům – např. vlivu teplé podlahy na celkový pocit komfortu. Software pro vyhodnocení stavů figuríny je matematicky správný, nedokáže ale zohlednit subjektivní vnímání pocitu komfortu u člověka. Jednotlivým částem těla přikládá váhu dle jejich velikosti – proto např. záda figuríny, vzhledem ke své ploše, zcela eliminovaly negativní vliv studených chodidel u konvekčního vytápění. Ukázalo se, že figurína se navzdory deklarovaným vlastnostem v zásadě chová jako kulový teploměr. Také se ukázalo nevhodné umístění figuríny při měření – nacházela se ve středu místnosti, kde byl „nejoptimálnější“ stav, natočená „tváří“ ke zdroji tepla. Chladnější prostředí ze zadní části eliminovalo křeslo.
Výsledky byly motivací ke spuštění projektu FELIX (FEnix-LIdé_eXperiment).

Fáze III.: vliv topného systému
na proudění vzduchu v místnosti
Zadáním testu bylo pomocí PIV anemometrie získat obraz proudění vzduchu v měřeném prostoru. Principem PIV je sledování značkovacích částic v rovině tvořené laserovým paprskem (Obr. 12).

Obr. 12 Principem PIV je sledování značkovacích částic v rovině tvořené laserovým paprskem.

Ze snímků pořízených v krátkém časovém odstupu (cca desítky μs) je možno určit rychlostní pole.
Měřené stavy:
• proudění vzduchu v době teplotního útlumu,
• elektrický konvektor ECOFLEX,
• sálavý topný panel MR,
• podlahové vytápění ECOFILM,
• stropní vytápění ECOFILM.

Obr. 13 Ukázka z PIV měření. 2D PIV, plocha 300 x 300 mm (proudění nad otopným tělesem)

Proudění vzduchu v době teplotního útlumu
Během testu se zjistilo, že s vypnutým topným systémem panuje ustálený stav (topení neovlivňuje proudění) (Obr. 14).

Obr. 14 Proudění vzduchu v době teplotního útlumu

Ochlazený vzduch má poměrně vysokou rychlost (za hranou parapetu až 0,17 m/s, u okenní výplně až 0,16 m/s). Výsledky ukázaly, že proud klesá k podlaze a dále proudí nad povrchem podlahy od okna dále do místnosti. Ve výšce do 50 mm nad podlahou se vytváří nejrychlejší vrstva proudícího vzduchu s rychlostí až 0,17 m/s. V testech se pracovalo s hodnotou text -15 °C / tterm 20 °C.
Na Obr. 15 až 25 dokumentujeme vliv topného systému na proudění vzduchu v místnosti podle naměřených hodnot.

Obr. 15 Elektrický konvektor ECOFLEX. Zřetelný stoupavý proud teplého vzduchu z mřížky konvektoru směrem ke stropu. Proud vzduchu, klesající od okna při útlumu vytápění (předchozí slide), je teplým proudem z konvektoru zcela eliminován. V oblasti před konvektorem nevzniká výraznější proudění vzduchu. Maximální výtoková rychlost z konvektoru je cca 0,30 m/s, ve stoupajícím proudu před oknem je dosahováno rychlostí až 0,33 m/s.

Obr. 16 Sálavý topný panel MR. Vypnutý, povrchová teplota 19 °C.

Obr. 17 Sálavý topný panel MR. Krátce po zapnutí, povrchová teplota 28 °C. Již při této povrchové teplotě panelu je zastaven pád proudu studeného vzduchu od okna směrem k podlaze.

Obr. 18 Sálavý topný panel MR. Povrchová teplota 33 °C. Při 33 °C je stoupající proud odkloněn od vertikály klesajícím proudem chladného vzduchu od okna. Rychlosti nepřesahují 0,25 m/s.

Obr. 19 Sálavý topný panel MR. Povrchová teplota 55 °C.

Obr. 20 Sálavý topný panel MR. Povrchová teplota 70 °C.

Obr. 21 Sálavý topný panel MR. Povrchová teplota 82 °C. Při teplotách blízkých nejvyšší povrchové teplotě 82 °C dosahují rychlosti až 0,55 m/s. 

Obr. 22 Sálavý topný panel MR. Povrchová teplota 40 °C. Při teplotách nad 40 °C je klesavý proud plně začleněn do stoupajícího proudu vzduchu.

Obr. 23 Podlahové vytápění ECOFILM
Proud vzduchu klesající od okna měl na úrovni spodní části parapetu rychlost cca 0,14 m/s. Nad podlahou snížil výšku a zvýšil rychlost na 0,2 m/s, která postupně klesala až do vzdálenosti 1,5 m, kde byla naměřena rychlost proudění cca 0,16 m/s (fáze měření v místě nohou figuríny).
t_ext -12 °C / t_term 23 °C

Obr. 24 Stropní vytápění ECOFILM. Teploty nad podlahou byly proti podlahovému vytápění o cca 0,7 °C nižší. Nejchladněji bylo v prostoru parapetu (20,52 °C), nejtepleji v prostoru nohou figuríny z fáze II. (22,80 °C). Teplota podlahy byla 22,82 °C, teplota stropu 35,24 °C, teplota vzduchu 500 mm nad podlahou 23,24 °C. Teploty vzduchu měřené v bodech (50 mm nad podlahou, odstíněné proti sálání).

Obr. 25 Stropní vytápění ECOFILM. Proudění u podlahy bylo pouze horizontální (podlahové doprovázeno i vzestupným vertikálním) – oblast proudění je nad podlahou nižší, ostřeji ohraničená. Pod stropem byly nejvyšší rychlosti cca 0,08 m/s, v blízkosti okenní výplně cca 0,09 m/s. Od okna vzduch klesal rychlostí cca 0,16 m/s, nad podlahou se rychlost zvýšila až na 0,175 m/s. V místě nohou figuríny naměřeno cca 0,145 m/s.
t_ext -12 °C / t_term 23 °C

Obr. 26 Podlahové vytápění ECOFILM. Teploty vzduchu v měřené 50/500 mm nad podlahou, odstíněné proti sálání podlahy.

Závěr k naměřeným hodnotám
• Rychlost proudění nad otopnou plochou je při použití konvektoru ECOFLEX výrazně nižší než u sálavého panelu MR, důvodem jsou vyšší povrchové teploty panelu MR.
• Pro odstínění studeného proudu od okna je u sálavého panelu MR dostatečná již povrchová teplota panelu 33 °C.
• Studený proud od okna dosahuje poměrně vysokých rychlostí (až 0,17 m/s).
• Podlahové ani stropní vytápění není schopné zamezit pronikání vzduchu od okna až do prostoru nad podlahou, v obou případech dosahují rychlosti u podlahy ve vzdálenosti 1,5 m od okna cca 0,15 m/s.
• Proud vzduchu od okna není při podlahovém ani stropním vytápění výrazně studenější, než je okolní teplota vzduchu v místnosti (rozdíly do 1 K při text = -12 °C).
• Proud vzduchu od okna dosahuje při podlahovém vytápění nad podlahou vyšších tlouštěk než v případě vytápění stropního.
• Proud vzduchu od okna při podlahovém (a pravděpodobně i při stropním) vytápění je v místnosti přítomen i při vyšších vnějších teplotách vzduchu (text = 5 °C).

Shrnutí
Fáze II. (měření s figurínou) přinesla výsledky, které byly v rozporu s obecně akceptovanými zkušenostmi – například, že podlahové vytápění se vyznačuje vyšší mírou komfortu. Byl proto připraven nový projekt FELIX (FEnix-LIdé_eXperiment), při kterém bude provedeno hodnocení subjektivního pocitu tepelného komfortu při různých způsobech vytápění na statisticky hodnotitelném vzorku uživatelů. Skupina čtyřiadvaceti osob (pohlaví 50/50) bude postupně (po jedné) po určený čas zaznamenávat do dotazníku své vnímání komfortu, pro různé systémy vytápění a pro různé ustálené stavy teplot.
Výsledkem by měl být závěr, při jakém systému vytápění a ustálené teplotě označil procentuálně nejvyšší počet osob svůj stav jako komfortní. Vzhledem k obrovskému množství dat analýza výsledků stále není dokončena.

Závěr
Samotný projekt FELIX – tj. statistické vyhodnocování subjektivních pocitů pro různé druhy vytápění – je naprosto ojedinělý a nikdy v takové formě nebyl prováděn. Protože průběžně byly zaznamenávány nejen standardně měřitelné hodnoty, jako jsou teploty, vlhkost nebo obsah CO₂, ale figuranti vyjadřovali i své subjektivní pocity – jak z pohledu tepelného komfortu, tak i psychického rozpoložení – je otázkou, jak toto nesmírné množství údajů vůbec vyhodnotit a interpretovat. Na projektu FELIX se tedy nadále pracuje.

Miroslav Petr

Autor je vedoucím tuzemského prodeje společnosti Fenix Group

Obrázky: Fenix Jeseník a UCEEB

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK 4/2017.