Studie vlastností otopných těles

Datum: 10.4.2017  |  Autor: Ing. Jindřich Boháč, Ing. Roman Vavřička, Ph.D., Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze

Článek je zaměřen na rozbor a experimentální porovnání provozních vlastností různých typů otopných těles. V první části je uvedena krátká rešerše dostupných otopných těles na českém trhu. Následuje teoretický rozbor tepelné setrvačnosti vybraných těles, a to jak ve fázi náběhu, tak chladnutí. Tento rozbor slouží jako podklad pro hodnocení provozních vlastností. Dalšími posuzovanými parametry otopných těles v této studii jsou geometrické charakteristiky (kritérium zastavěného prostoru podle rozměrů tělesa a velikost přestupní plochy na straně vzduchu), hmotnostní kritérium (hmotnost otopného tělesa bez teplonosné látky), objemové kritérium (objem teplonosné látky v tělese). Každé z výše uvedených kritérií je vztaženo ke jmenovitému tepelnému výkonu.

Zvolená otopná tělesa

Český trh se dnes se svou nabídkou otopných těles již v ničem neliší od toho evropského. Můžeme zde nalézt otopná tělesa, jejichž konstrukce je již dlouhou dobu známá, ale i tělesa s nejmodernějším technickým řešením. V poslední době jsou tato technická řešení vynucena především kvůli designovým požadavkům, ale také díky optimalizaci funkce těles. Pro experimentální ověření a porovnání provozních vlastností s ohledem na tepelnou setrvačnost byla vybrána skupina otopných těles zahrnující článková otopná tělesa, deskové otopné těleso, trubkové otopné těleso a různé typy konvektorů. Byla tak vytvořena skupina zahrnující veškeré druhy spadající do skupiny otopných těles. Jednotlivá zvolená tělesa, včetně jejich rozměrů a tepelných výkonů za jmenovitých teplotních podmínek dle ČSN EN 442, jsou uvedena v Tab. 1.

Tab. 1 Otopná tělesa zvolená pro hodnocení tepelné setrvačnosti
Druh tělesaOznačeníJmenovitý tepelný výkon
[W]
Rozměry H × L × B ***
[mm]
KonvektorCOIL T 50 – přirozené vybíjení (T50 – P)163*50 × 1500 × 161
COIL T50 – nucené vybíjení (T50 – N)743**50 × 1500 × 161
COIL NKF 1 – přirozené vybíjení (NKF 1 – P)179178 × 700 × 150
COIL NKF 1 – nucené vybíjení (NKF 1 – N)1039**178 × 700 × 150
COIL NWF 11339178 × 1250 × 195
ČlánkovéKALOR 500/110 – 10 článků (KALOR 1)727580 × 600 × 110
ORION – 10 článků (ORION)1280578 × 800 × 95
SOLAR – 10 článků (SOLAR)1160579 × 800 × 80
TrubkovéKORALUX LINEAR 1200/600 (KL)7981200 × 600 × 35
DeskovéRADIK KLASIK 10 – 500×1000 (KLASIK)****514500 × 1000 × 47
*      naměřeno v laboratořích Ú 12116
**    pro 2. stupeň otáček ventilátoru
***   Výška × Délka × Hloubka otopného tělesa
**** Deskové otopné těleso KLASIK se neliší s ohledem na tepelný výkon a způsob zatékání otopné vody od typu VK (Ventil Kompakt). Základní rozdíl je pouze v napojení na otopnou soustavu (boční – KLASIK, spodní – VK). Dále uváděné výsledky jsou tak kompatibilní jak pro RADIK KLASIK, tak i RADIK VK.

Z tabulky 1 je zřejmé, že u dvou typů konvektorů je uvažován provoz nejen s nuceným, ale i s přirozeným vybíjením tepla. Byl tak zaznamenán a vyhodnocen stav, který není zcela běžný a pro který nejsou konvektory s nuceným vybíjením tepla primárně určeny. Charakteristika jednotlivých těles bude uvedena později.

Pro porovnání a popis podle geometrických charakteristik, objemového, hmotnostního a cenového kritéria byla do studie, k výše uvedeným tělesům, doplněna tělesa dle Tab. 2. Z celkového porovnání pak byly vyjmuty konvektory typ T50 a NKF 1, které jsou na rozdíl od ostatních vybraných otopných těles určeny především pro provoz s nucenou konvekcí a došlo by tak k nechtěnému zkreslení výsledků studie.

Tab. 2 Otopná tělesa doplněná do studie pro hodnocení podle zvolených kritérií
Druh tělesaOznačeníJmenovitý tepelný výkon
[W]
Rozměry H × L × B
[mm]
ČlánkovéKALOR3 500/110 – 10 článků (KALOR 3)783580 × 600 × 110
STYL 500/130 – 10 článků (STYL)697580 × 600 × 130
ATOL C3 – 10 článků (ATOL)609600 × 490 × 107
VOX 500 – 10 článků (VOX)1460690 × 800 × 95
GL 500/80 – 10 článků (GL)1260590 × 800 × 95
CHARLESTON 3050 (CHARLESTON)516500 × 460 × 100
DeskovéTHERM X2 Profil 10-500×1000 (THERM X2)514500 × 1000 × 61
LOGATREND K 10-500×1000 (K PROFIL)540500 × 1000 × 65
HYGIENE 10-600×1000 (HYGIENE)639600 × 1000 × 30
SENSA 11-500×1000 (SENSA)520500 × 1000 × 50
TrubkovéSWINGO (SWINGO)6751210 × 610 × 54
COOL 1160 × 600 (COOL)6201152 × 628 × 26
BM 11101-08 (BM)6761186 × 600 × 34
PRIMO-N 1160/600 (PRIMO-N)5931160 × 600 × 30
KORALUX LINEAR COMFORT 1220/600 (KLT)6501220 × 600 × 35

Tepelná setrvačnost – teoretická část

Setrvačnost obecně je dynamickým dějem a při provozu každého otopného tělesa je třeba obecně rozlišovat dva takové děje – náběh a chladnutí. Podrobná analýza např. viz [1] nebo [2]. Každý z těchto dějů je charakteristický svou přechodovou křivkou, tzn. závislostí změny tepelného výkonu na čase. Zatímco pro chladnutí otopných těles je typický průběh křivky se závislostí v zásadě prvního řádu, a je tak relativně snadno matematicky popsatelný [3], tak pro náběh je situace mnohem složitější. U přechodové charakteristiky zpočátku nevíme, jakého bude u konkrétního tělesa řádu, minimálně však druhého či vyššího. Toto je způsobeno samotným principem děje náběhu, kdy mnoho veličin při chladnutí konstantních, se pro náběh stává proměnnými.

K hodnocení zmíněných dynamických dějů otopných těles lze využít několika časových parametrů vyplývajících z různých metodik použitých pro náběh nebo chladnutí. Základní princip hodnocení ukazuje Obr. 1.

Obr. 1 Základní princip grafického vyjádření parametrů přechodové odezvy nekmitavého systému
Obr. 1 Základní princip grafického vyjádření parametrů přechodové odezvy nekmitavého systému

Náběh je ustalující proces, jehož průběh je téměř vždy charakterizován nekmitavou křivkou druhého či vyššího řádu. Taková křivka se v závislosti na tepelné kapacitě měřeného tělesa, na rozdíl od chladnutí, projevuje určitou inflexí, resp. přítomností doby průtahu, která závisí hlavně na tepelné kapacitě tělesa. Pro popis náběhu je tedy třeba zvolit jednodušší formu. Jednou z možností je myšlené nahrazení skutečné přechodové křivky křivkou prvého řádu se stanovením určitého dopravního zpoždění, které bude pokládáno za dobu průtahu (skutečné čisté dopravní zpoždění Td je však u všech průběhů rovno nule tzn., že průběhy jsou na počátku oříznuty přesně na začátek dynamické změny). Nahrazení se provede tak, že v naměřené charakteristice nalezneme inflexní bod a tím proložíme tečnu [4]. Průsečík tečny v inflexním bodě s osou 0 % pak udává přímo hodnotu doby průtahu Tu a průsečík s novým ustáleným stavem (100 %) pak po odečtení průsečíku s osou 0 % udává hodnotu doby náběhu Tn. Doba náběhu jako taková udává časový úsek, za který by došlo k ustálení na nové hodnotě, pokud by byla zachována počáteční rychlost změny. Doba přechodu Tp je pak již jen součtem nalezených dob průtahu a náběhu a je doplňkovým parametrem. Další uváděné parametry vychází ze známé vlastnosti časové konstanty τ pro systém prvního řádu. Časovou konstantu, vyjadřující dynamické vlastnosti tělesa, lze zjednodušeně položit rovnu době setrvačnosti náběhu Tn63, která uplyne mezi skončením doby průtahu a časem, v němž přechodová charakteristika dosáhla 63,2 % své nové ustálené hodnoty. Setrvačnost náběhu Tn90 je pak z hlediska této teorie pouze doplňkovým parametrem popisujícím rychlost dosažení téměř konečné hodnoty (doba, která uplyne mezi skončením doby průtahu a časem, v němž přechodová charakteristika dosáhla 90 % nové ustálené hodnoty), má však význam především pro konečného uživatele zařízení (základní grafické vyjádření výše uvedených veličin ukazuje Obr. 1).

Chladnutí je rovněž nekmitavý proces. Lze o něm však konstatovat, že se projevuje většinou charakteristikou prvního řádu. Nelze zde proto hovořit o žádné době průtahu a není tak třeba provádět žádné nahrazování. Pokud i zde nebudeme uvažovat s počáteční dobou dopravního zpoždění, pak vynesení tečny z počátku přímo na ose 0 % indikuje časovou konstantu τ. Časová konstanta přesně odpovídá setrvačnosti chladnutí Tch63, která je definovaná stejně jako u náběhu. Analogicky je možné určit i setrvačnost chladnutí Tch90. Další parametry (dobu chladnutí, dobu přechodu) není nutné dle přijaté metodiky uvádět, neboť jsou také rovny časové konstantě τ, která přímo udává dobu, za kterou by veličina dosáhla nové ustálené hodnoty při zachování počáteční rychlosti změny.

Příklad reálného vyhodnocení na konkrétním typu otopného tělesa ukazují Obr. 2 a Obr. 3.

Obr. 2 Metoda vyhodnocení naměřené charakteristiky konvektoru NKF 1 s přirozeným vybíjením tepla NÁBĚH
Obr. 2 Metoda vyhodnocení naměřené charakteristiky konvektoru NKF 1 s přirozeným vybíjením tepla NÁBĚH
Obr. 3 Metoda vyhodnocení naměřené charakteristiky konvektoru T50 s přirozeným vybíjením tepla CHLADNUTÍ
Obr. 3 Metoda vyhodnocení naměřené charakteristiky konvektoru T50 s přirozeným vybíjením tepla CHLADNUTÍ

Náběh otopných těles

Vyhodnocení procesu náběhu byla podrobena pouze tělesa uvedená v Tab. 1. Všechna tělesa byla snímána termovizní kamerou Flir ThermaCam T460. Experimentální měření nebylo prováděno primárně za účelem zjištění absolutních hodnot tepelných výkonů, jak tomu většinou bývá, ale především za účelem porovnání dynamické odezvy zvolených druhů a typů otopných těles. Díky tomu bylo možné snímat i konvektory, u kterých by jinak exaktní vyhodnocení průběhu tepelného výkonu bylo z hlediska této metody nemožné. Příklad standardního termografického záznamu deskového otopného tělesa ukazuje Obr. 4.

Desková, článková a trubková otopná tělesa byla snímána z čelní strany. Konvektory pak při pohledu na žebrovou plochu shora. Přechodové charakteristiky náběhu vyhodnocené na Obr. 5 jsou tedy porovnáním pouze relativních průběhů tepelných výkonů za nestejných podmínek teploty okolí. Teplota vstupní otopné vody však byla pro všechny vzorky shodná (75 °C) s tím, že průtok byl vypočten a nastaven ze jmenovitého tepelného výkonu udávaného výrobcem. Pokud je však cílem prostá studie a porovnání základního tepelného chování na základě tepelné kapacity konkrétního tělesa, je takové srovnání zcela přijatelné.

Obr. 4 Ukázka procesu náběhu u deskového otopného tělesa 10 – 500 × 1000 napojeného jednostranně shora-dolů při vstupní teplotě vody 75 °C a jmenovitém hmotnostním průtoku
Obr. 4 Ukázka procesu náběhu u deskového otopného tělesa 10 – 500 × 1000 napojeného jednostranně shora-dolů při vstupní teplotě vody 75 °C a jmenovitém hmotnostním průtoku

Grafické vyhodnocení náběhu zvolených otopných těles prezentuje Obr. 5, kde jsou zobrazeny charakteristiky vč. přirozeného i nuceného vybíjení žebrové přestupní plochy u konvektorů T50 a NKF 1. Časová osa všech obrázků je sjednocena pro lepší porovnání mezi vybranými tělesy.

Obr. 5 Přechodové charakteristiky při náběhu měřených typů otopných těles
Obr. 5 Přechodové charakteristiky při náběhu měřených typů otopných těles

V Tab. 3 jsou uvedeny číselné hodnoty tepelné setrvačnosti definované výše. Zhodnocení průběhů křivek, resp. dosažených hodnot a z toho vyplývající důsledky pro provoz otopných těles bude provedeno souhrnně s kapitolou chladnutí.

Tab. 3 Tepelná setrvačnost náběhu měřených otopných těles
Otopné tělesoTu
[min]
Tn
[min]
Tp
[min]
Tn63
[min]
Tn90
[min]
τ
[min]
NKF 1 – nucené vybíjení0,100,720,820,551,480,55
NKF 1 – přirozené vybíjení0,204,304,503,126,203,12
T50 – nucené vybíjení0,371,431,801,054,221,05
T50 – přirozené vybíjení0,325,035,353,337,153,33
NWF 10,181,031,220,651,250,65
KLASIK 10 – 500 × 10000,454,575,022,974,782,97
KALOR 500/110 – 100,9010,1811,086,5210,756,52
KORALUX LINEAR 1200 × 6000,6310,2810,927,7316,127,73
Solar 500/80 – 100,254,104,352,624,782,62
Orion 500/95 – 100,323,934,252,635,082,63

Chladnutí otopných těles

Analogicky k procesu náběhu byla při chladnutí zaznamenána pouze tělesa uvedená v Tab. 1. Při tomto experimentálním měření bylo zvláštností zaznamenání chladnutí konvektorů T50 a NKF 1 s nuceným vybíjením tepla žebrovky (tj. zapnutým ventilátorem), které v praxi není běžné.

Obr. 6 Přechodové charakteristiky při chladnutí měřených typů otopných těles
Obr. 6 Přechodové charakteristiky při chladnutí měřených typů otopných těles

Tabulka 4 pak opět obsahuje vyhodnocené dynamické veličiny. Obsahuje pouze část údajů oproti náběhu z důvodů, které jsou popsány v teoretické části článku.

Tab. 4 Tepelná setrvačnost chladnutí měřených otopných těles
Otopné tělesoTch63
[min]
Tch90
[min]
τ
[min]
NKF 1 – nucené vybíjení2,226,922,22
NKF 1 – přirozené vybíjení15,7844,4215,78
T50 – nucené vybíjení6,2518,656,25
T50 – přirozené vybíjení17,5848,3217,58
NWF 15,1814,775,18
KLASIK 10 – 500 × 100025,3362,0025,33
KALOR 500/110 – 1063,33129,6763,33
KORALUX LINEAR 1200 × 60028,4260,4228,42
Solar 500/80 – 1018,0850,4218,08
Orion 500/95 – 1017,4053,5017,40

Vyhodnocení provozních vlastností na základě tepelné setrvačnosti

Zapojení všech experimentálně měřených otopných těles bylo vždy jmenovité v souladu s ČSN 06 1101. U deskových a článkových otopných těles to bylo napojení jednostranné shora-dolů. U trubkového otopného tělesa pak oboustranně zdola-dolů. Konvektory byly zapojeny dle doporučení výrobce.

Výsledek experimentu potvrdil, že co do provozní dynamiky a reakce na regulační zásah jsou nejrychlejšími typy otopných těles konvektory. Je to dáno především jejich malou tepelnou kapacitou. Konstrukce konvektoru je tvořena potrubím (obvykle měděným) a přestupní plochou v podobě žeber (nejčastěji hliníkovými). U konvektorů s nuceným vybíjením tepla (tj. se zapnutým ventilátorem), v tomto případě typy NKF 1 a T50, je tepelná setrvačnost náběhu výrazně časově kratší, než v případě, kdy dojde k vyřazení ventilátorů z provozu. Tepelná setrvačnost při vypnutém nuceném vybíjení tepla je pak srovnatelná například s deskovými tělesy.

NKF 1 je velice nízký (cca 18 cm) nástěnný konvektor, jehož ventilátor pracuje ve třech stupních otáček. Tento konvektor dosahuje při druhém stupni otáček výkonu cca 1000 W. Nevýhodou zůstává nutnost dodatečné elektrické energie v podobě 12 V DC napětí. Co se týče vlastního průběhu dynamické odezvy s nuceným vybíjením tepla, je zřejmé, že tato křivka se velice blíží průběhu prvého řádu, tedy téměř bez doby průtahu, která je pouhých 6 sekund. Celková doba náběhu (opět se zapnutým ventilátorem) je cca 43 sekund. Velmi podobně z tohoto srovnání vychází podlahový konvektor s označením T50. Jedná se o podlahový konvektor o celkové výšce pouze 50 mm. Na rozdíl od typu NKF 1 s axiálními ventilátory umístěnými pod žebrovkou konvektoru, jsou u tohoto typu umístěny dva diagonální ventilátory podél žebrované plochy konvektoru (celková délka 1500 mm). Dosažený tepelný výkon je pro konvektor T50 743 W, opět pro druhý stupeň otáček. Co se týče vlastní dynamiky náběhu při nucené konvekci, pak je celková doba náběhu 1,43 minuty.

Zajímavostí je provoz konvektorů NKF 1 a T50 s vypnutým ventilátorem. Výkon naměřený v laboratořích ústavu techniky prostředí pro přirozenou konvekci u typu T50 je 163 W a u typu NKF 1 dle výrobce pak 179 W. Což je hodnota, s ohledem na primární použití těchto konvektorů pro provoz s nucenou konvekcí, velmi nízká.

Jiné výsledky naopak prokázal nástěnný konvektor typu NWF 1. Tento vzorek je stejně vysoký jako typ NKF 1, ale je téměř dvojnásobně dlouhý (1250 mm). Zásadním rozdílem ale je, že neobsahuje ventilátor. Tzn. je navržen pro provoz s přirozeným vybíjením tepla. I přes to byla jeho dynamická odezva rychlejší než u typu T50 s ventilátorem nastaveným na druhý stupeň otáček a téměř shodná s typem NKF 1, taktéž při druhém stupni otáček ventilátoru. Doba náběhu činila cca 1 minutu, což je druhý nejlepší výsledek experimentu. Společně s tím, že konvektor disponuje i nejvyšší hodnotou jmenovitého tepelného výkonu (1339 W) mezi zahrnutými tělesy, z něj činí téměř ideální prostředek k velmi rychlému dosažení vysokého tepelného výkonu. Tam, kde není speciální požadavek na sálavou složku výkonu, lze tento typ jednoznačně doporučit. Přidanou hodnotou je samozřejmě fakt, že není třeba žádné dodatečné energie. Navíc bylo i ve srovnání dynamického chování s ostatními typy konvektorů v přirozeném režimu pro vybíjení, dosaženo nižších hodnot setrvačnosti chladnutí.

Nejrychleji chladnoucím konvektorem se stává NKF 1 při nuceném vybíjení tepla (τ = Tch = 2,22 minut), následuje NWF 1 s přirozeným vybíjením tepla (Tch = 5,18 minut) a posledním z této trojice je podlahový konvektor T50 (Tch = 6,25 minut) s diagonálními ventilátory opět nastavenými na druhý stupeň otáček. Zde na tomto rozdělení je zcela zřetelné, že nucená konvekce má na dynamiku výraznější vliv než tepelná kapacita tělesa jako celku. U chladnutí je však zcela zásadní položit si otázku, zda budou konvektory vybavené ventilátorem nuceně vybíjeny? V případě, že nepožaduji aktuálně dodávat tepelný výkon, není nutné, aby byly ventilátory v provozu. Pokud přijmeme tuto myšlenku, pak se situace v dynamice konvektorů zásadně změní. Konvektor typu NWF 1 s přirozeným vybíjením tepla má dobu chladnutí Tch = 5,18 minut. U konvektoru NKF 1 je to pak Tch = 15,78 minut, resp. Tch = 17,58 minut u konvektoru T50. Což jsou hodnoty přibližně trojnásobně vyšší oproti chladnutí se zapnutým ventilátorem. Je zajímavé, že přesto že typ NKF 1 je stejně vysoký, dosahuje zcela rozdílných hodnot při provozu bez ventilátorů, a to jak při náběhu, tak chladnutí. Možné vysvětlení bychom mohli nalézt v tom, že přirozené konvekci u typu NKF 1 pravděpodobně brání vlastní zařízení ventilátoru, které je umístěno přímo pod žebrovou plochou.

Deskové otopné těleso (ve studii se jedná o typ Klasik 10 o rozměrech 500 × 1000 mm – tj. tepelný modul) je, co se týče parametrů při nárůstu tepelného výkonu, v podstatě srovnatelné s konvektory s vypnutým ventilátorem. Vzhledem k tomu, že klasické deskové otopné těleso disponuje větším vodním objemem a tím pádem i vyšší tepelnou kapacitou je zajímavé, že v určitých aspektech dokáže konkurovat konvektorům. Dalším poznatkem je, že z pohledu náběhu se ve stejné oblasti křivek (Obr. 5) nalézají rovněž náběhové charakteristiky článkových otopných těles z hliníku. Doba náběhu těles typu Orion i Solar se pohybuje těsně okolo 4 minut. Deskové těleso Klasik pak disponuje nepatrně delší dobou náběhu Tn = 4,57 minut.

Jiný pohled nabízí porovnání hliníkových a litinových článkových těles. Litinové článkové otopné těleso Kalor má vodní objem přibližně 8 litrů (10 článků), hliníková tělesa Solar a Orion (rovněž 10 článků) pak přibližně 4,2 litru. Z pohledu menší tloušťky stěny, vyššího součinitele tepelné vodivosti a nižšího vodního objemu je proces náběhu (a pochopitelně i chladnutí) u hliníkových těles rychlejší než u litinového otopného tělesa Kalor. Důležitá je rovněž členitá konstrukce přestupní plochy na straně vzduchu u hliníkových těles, která na rozdíl od litinového tělesa umožňuje zvýšit konvekční složku výkonu pomocí příslušného součinitele přestupu tepla.

Obr. 7 Porovnání střední povrchové teploty při náběhu článkového tělesa Kalor 500/110 – 10 a trubkového tělesa Koralux 1200 × 600 v čase T = 10 minut (t dolní index m,Kalor = 56,1 °C; t dolní index m,Koralux = 51,8 °C)
Obr. 7 Porovnání střední povrchové teploty při náběhu článkového tělesa Kalor 500/110 – 10 a trubkového tělesa Koralux 1200 × 600 v čase T = 10 minut (tm,Kalor = 56,1 °C; tm,Koralux = 51,8 °C)

V případě setrvačnosti náběhu jsou zajímavé výsledky u ocelového trubkového otopného tělesa Koralux. Doba náběhu tohoto tělesa je srovnatelná s litinovým tělesem Kalor (Koralux Tn = 10,28 minut; Kalor Tn = 10,18 minut). Z pohledu setrvačnosti náběhu při 90 % přechodového děje je však rozdíl daleko markantnější v neprospěch trubkového tělesa Koralux (Koralux Tn90 = 16,12 minut; Kalor Tn90 = 10,75 minut). Setrvačnost náběhu Tn90 je z hlediska teorie vyhodnocení parametrů přechodového děje pouze doplňkovým parametrem. Může mít však význam pro reálné použití konečným uživatelem zařízení. Zdůvodnění tentokrát není pouze v materiálu a jeho akumulační schopnosti (u trubkového otopného tělesa se jedná nejčastěji o uzavřené ocelové profily) nebo vodním objemu, který je téměř shodný. Pravděpodobně jej můžeme nalézt v konstrukci trubkového tělesa, které na rozdíl od článkového litinového tělesa při standardní instalaci disponuje horizontálním zatékáním teplonosné látky do jednotlivých vodorovných kanálků. Tento rozdíl v obou zmíněných typů otopných těles ukazuje obrázek 7.

Při chladnutí je litinové článkové otopné těleso s časovou konstantou více než 63 minut nejdéle chladnoucí těleso. Trubkové otopné těleso naopak v podstatě kopíruje průběh křivky chladnutí deskového tělesa a jeho časová konstanta je 28,42 minut. Tento rozdíl je dán opět zřejmě konstrukcí trubkového otopného tělesa, která při standardní instalaci (oboustranné napojení zdola-dolů) poskytuje díky své výšce daleko větší prostor pro vývoj přirozené konvekce (součinitele přestupu tepla z povrchu otopného tělesa do okolního prostředí) po výšce tělesa a tím i větší ochlazování teplosměnné plochy.

Porovnání dle zvolených kritérií

V následující části je uvedeno srovnání všech do studie zahrnutých otopných těles (viz Tab. 1 a Tab. 2), kromě konvektorů typu T50 a NKF 1, které jsou určeny především pro provoz s nucenou konvekcí a došlo by tak k nechtěnému zkreslení výsledků díky rozdílnému principu sdílení tepla do vytápěného prostoru. Studie je provedena formou porovnání podle pěti různých kritérií. Prvními jsou geometrické charakteristiky, do nichž můžeme zahrnout kritérium zastavěného prostoru podle rozměrů tělesa (v metrech kubických) a velikost přestupní plochy na straně vzduchu (v metrech čtverečních). Dalšími jsou hmotnostní kritérium (hmotnost otopného tělesa v kilogramech bez teplonosné látky), objemové kritérium (objem teplonosné látky v tělese v litrech) a také cena (cena obvyklá, nalezená ve velkoobchodní dodavatelské síti), vždy vztaženo k jmenovitému tepelnému výkonu. Tyto parametry dávají základní přehled nejen o principu, jakým těleso sdílí tepelný výkon, ale jsou to rovněž kvalitativní ukazatele poměřující celou konstrukci a materiál přestupní plochy ve vztahu k absolutní hodnotě jeho výkonu. Cenové kritérium a kritérium zastavěného prostoru je pak velmi důležité pro konečného uživatele. Tabulka 5 shrnuje výsledky dosažené v jednotlivých kritérií.

Tab. 5 Srovnání měrných kritérií zvolených otopných těles
TělesoA [W/m3]B [W/m2]C [W/kg]D [W/l]E [W/Kč]
ATOL19 359411,5040,30640,17
BM27 940510,2055,901120,11
COOL32 961518,00121,601270,18
GL28 100282,10109,803150,25
HYGIENE35 500430,6050,702130,47
CHARLESTON22 435469,1043,00430,09
K PROFIL16 615461,5047,401690,32
KALOR 118 992403,9018,20910,29
KALOR 320 455364,2016,70980,28
KL31 667530,6046,301010,50
KLASIK21 872455,7054,101900,38
KLT25 371496,9059,60880,36
NWF 130 861302,30131,301 4880,15
ORION29 139251,00106,704270,26
PRIMO-N28 400546,0058,101140,36
SENSA20 800454,9052,901930,33
SOLAR31 304263,6092,802900,33
STYL15 407407,6018,30870,27
SWINGO16 935512,1021,20730,10
THERM X216 852469,4050,101900,20
VOX27 841270,7086,902920,28
Legenda:
A – Kritérium zastavěného prostoru tělesem
B – Kritérium velikosti přestupní plochy tělesa na straně vzduchu
C – Kritérium hmotnosti tělesa bez teplonosné látky
D – Kritérium objemu teplonosné látky v tělese
E – Kritérium pořizovací ceny tělesa (velkoobchodní běžná cena bez DPH)

Ke každému z kritérií je uveden komentář, avšak pouze k tělesům, které v dané kategorii dosáhly nejvyššího, resp. nejnižšího hodnocení. Další rozbor je ponechán na čtenáři.

Kritérium A, tedy zastavěný prostor otopným tělesem, ovládl deskový typ otopného tělesa HYGIENE. Je to dáno především jeho minimální hloubkou 30 mm, a přesto poměrně vysokým jmenovitým tepelným výkonem 639 W. Jinak je však tato kategorie velmi vyrovnaná – výrobci z logických důvodů nemají snahu vyrábět tělesa, která zabírají příliš prostoru. Z tohoto pohledu je tedy zřejmé, že na opačném pólu hodnocení tohoto kritéria se umístí litinová článková otopná tělesa, která z technologických důvodů a také z principu jejich využití zabírají v poměru k jmenovitému výkonu nejvíce místa. Překvapením však je i nízká hodnota kritéria A u deskových těles K PROFIL a THERM X2, která jsou na tom co do hodnoty kritéria A shodně jako článková litinová tělesa.

Kritérium B, přestupní plocha na straně vzduchu, je doménou trubkových otopných těles. Všechna trubková tělesa dosáhla minimálně hodnoty 500 W/m2. Nejlépe z pohledu kritéria B dopadl typ PRIMO-N, těsně následovaný dalšími tělesy. Je to dáno tím, že trubková tělesa v naprosté většině nemají žádným způsobem rozšířenu přestupní plochu nad rámec základního uzavřeného profilu. Naopak článková otopná tělesa z hliníku nedosahují vzhledem ke své velmi členité přestupní ploše takových měrných výkonů jako například desková tělesa.

V případě hmotnostního kritéria (kategorie C), jsou v popředí taková tělesa, která ve své konstrukci využívají hliník. Není tedy překvapením, že na nejlepších výsledků v kritériu C dosáhl konvektor NWF 1, následovaný hliníkovými článkovými tělesy. V opačném gardu hodnocení dle kritéria C pak působí celá skupina litinových článkových otopných těles.

Výsledky objemového kritéria (kategorie D) jsou v podstatě analogické kritériu hmotnosti suchého tělesa, tzn., že vyzdvihují opět konvektor s přirozenou konvekcí NWF1. Zde je hodnota 1488 W/litr zdaleka nejvyšší. V závěru sledované kategorie je rovněž skupina litinových článkových otopných těles společně s ocelovými trubkovými tělesy. Je zřejmé, že při pohledu na průběhy křivek v obrázku 5 a na dosažené výsledky v tabulce 5, jsou tato dvě kritéria, tedy C a D, těmi podstatnými vlastnostmi těles pro jejich dynamiku náběhu. Vyplývá z toho tedy (nyní i na větším vzorku otopných těles), že vodní objem, jakožto nedílná součást tepelné kapacity jakéhokoli otopného tělesa, má na dynamiku zcela zásadní a přímo úměrný vliv.

Posledním kritériem byla cena otopného tělesa (E). Tento parametr je velmi subjektivní. Byl zařazen spíše pro zajímavost a pro vytvoření čistě základní představy o pořizovací ceně. Toto kritérium je tedy třeba brát s jistou rezervou a nemá z hlediska otopného tělesa takovou váhu jako kritéria předešlá. Ceny byly nalezeny na internetových stránkách prodejců. Bylo snahou nalézt všechny ceny od jednoho dodavatele, což však nebylo možné. Některé typy nejsou příliš obvyklé a nebyly tak zařazeny do nabídky běžných e-shopů. V nejnepříznivějším případě je uvedena obvyklá prodejní cena nalezená v přímo v katalogu výrobce. Všechny ceny jsou ve variantě bez DPH. Celkem logicky se na ceně nejvíce projevuje materiál tělesa. Nejpříznivěji se v tomto smyslu jeví standardní ocelová tělesa, bez designových doplňků jako je např. trubkové těleso typu KL (0,503 W/Kč), dále následované dalšími ocelovými trubkovými či deskovými tělesy. Na opačném konci spektra se nachází otopná tělesa s podílem hliníku, tedy článková, konvektor i trubkové těleso.

Závěr

Tato studie si neklade za cíl hodnotit jednotlivá otopná tělesa, ale nabízí porovnání různých druhů a typů otopných těles mezi sebou, za účelem zjištění jejich dynamických a obecně provozních vlastností a geometrických charakteristik. Byli zvoleni zástupci všech druhů otopných těles. V rámci jednotlivých druhů byla volena tělesa s přibližně obdobnými rozměry či se shodným počtem článků.

V experimentální části této studie byla hodnocena tepelná setrvačnost otopných těles uvedených v Tab. 1. Z hlediska komplexnosti vlastností je jedním z nejlépe hodnocených těles přirozeně vybíjený konvektor NWF 1, který v několika parametrech dokonce předčí i nuceně vybíjené konvektory, a to jak při náběhu, tak při chladnutí. Bylo dokázáno, že konvektory, především díky celkově nízké akumulační schopnosti, jsou vhodné tam, kde je třeba rychle reagovat na aktuální teplotní podmínky v prostoru skrze regulační zásahy. Takové prostory nalézáme dnes stále častěji v nových administrativních budovách s lehkými obvodovými plášti, ale rovněž v běžných rodinných domech s velkými prosklenými plochami, jako jsou francouzská okna apod. Na druhou stranu je nutné připomenout, že u konvektorů je velmi výrazně potlačena jejich sálavá složka tepelného výkonu oproti srovnání s např. deskovými otopnými tělesy typu 10.

Velmi slušně z hlediska provozních vlastností dopadla článková otopná tělesa z hliníku. Jejich dynamika je velice podobná té, kterou vykazují desková otopná tělesa. Z pohledu instalace v otopné soustavě je nutné u hliníkových otopných těles dbát na jejich opačný elektrodový potenciál materiálu oproti např. mědi, atd. Desková tělesa obecně vyšla jak z experimentálních dat, tak ze závěrečného srovnání podle daných kritérií, jako ideální kompromis mezi dynamickými a akumulačními vlastnostmi. Toto může být spolu s přijatelnou pořizovací cenou důvod jejich širokého zastoupení. Jednu z nejhorších dynamických odezev vykazují s ohledem na dobu náběhu trubková a litinová článková otopná tělesa. Ve své reakční rychlosti jsou přibližně na stejné úrovni. Do jisté míry je to dáno velmi podobným objemem teplonosné látky a odlišným způsobem zatékání do standardně instalovaného trubkového otopného tělesa.

Výsledný poznatek je, že při náběhu otopných těles je kromě akumulační hmoty velmi důležitá vlastní konstrukce, kdy lze pomocí snížení odporu průtočných cest tělesem významně zlepšit také dynamickou odezvu. Naopak při chladnutí jsou dominantní nejen akumulační vlastnosti dané vodním objemem a materiálem otopného tělesa, ale také jeho konstrukce, která může poskytovat možnosti pro vývoj přirozené konvekce při ochlazování stěny otopného tělesa.

Poděkování

Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605.

Literatura

  1. BOHÁČ J., BAŠTA J.: Dynamické chování otopných těles s ohledem na regulační zásah. Konference vytápění Třeboň 2013. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2013, s. 120–124. ISBN 978-80-02-02431-6.
  2. BOHÁČ J.: Dynamické chování otopných těles. Diplomová práce. Praha: ČVUT, 2012, 136 s.
  3. JANČÍK L., BAŠTA J.: Posouzení dynamického chování otopných těles termografickou metodou. 5. Konference simulace budov a techniky prostředí SBTP´08. Brno: IBPSA-CZ, 2008, s. 45–49. ISBN 978-80-254-3373-7.
  4. HOFREITER, M.: Základy automatického řízení. V Praze: České vysoké učení technické, 2012. ISBN 978-80-01-05007-1.
  5. VAVŘIČKA, R.: Střední teplota deskových otopných těles s ohledem na průtok otopné vody. In: Topenářství instalace, 2015, roč. 48, č. 2, s. 36–40. ISSN 1211 - 0906.
  6. VAVŘIČKA, R.: Otopné soustavy nízkoenergetických a pasivních domů. In: II. Sympozium integrovaného navrhování a hodnocení budov 2011, s. 112–117. Praha. 2011. ISBN 978-80-02-02345-6.
  7. LUKEŠ, J.: Vliv napojení otopných těles na tepelný výkon. Diplomová práce. Praha: ČVUT, 2009, 100 s.
  8. RAŠKA, J.: Napojení článkových otopných těles a tepelný výkon. Diplomová práce. Praha: ČVUT, 2010, 107 s.
  9. PRAŽÁK, O.: Využití mobilního zdroje tepla. Diplomová práce. Praha: ČVUT, 2008, 64 s.
  10. VAVŘIČKA, R.: Využití termovize v praxi. Vytápění, větrání, instalace, 2008, roč. 17, č. 5, s. 255–257. ISSN 1210 - 1389.

Pozn.: V článku byly dne 20.4.2017 opraveny chybné údaje v tabulce č. 5.

 
Komentář recenzenta
Rychlost reakce otopného tělesa na dodávku otopné vody nebo na její přerušení je údajem, který není běžně dostupný v materiálech popisujících vlastnosti otopného tělesa. Výsledky měření se shodují s předpoklady spojenými s konkrétními typy těles a poskytují údaje pro jmenovité podmínky. Výsledky tak mohou pomoci při výběru vhodného otopného tělesa pro konkrétní aplikaci. Vzájemné porovnání těles podle zvolených kritérií je určeno spíše pro poukázání na rozdíly mezi jednotlivými konstrukčními typy těles. Otopná tělesa jsou často určena pro specifické prostory a těm jsou podřízeny i jejich vlastnosti (například prostorové limity při umístění do podlahy).
English Synopsis
Study of the properties of heating radiators and convectors

The paper focuses on the analysis and experimental comparison of operating characteristics of various types of radiators. The first part contains a brief search of radiators available on the Czech market. The following is the theoretical analysis of the thermal inertia of the selected objects, both in the phase of start-up and cooling-down. This analysis serves as a basis for evaluating operating performance. Additional consideration by the parameters of the radiator in this study are the geometrical characteristics (the criterion of the space occupied by the dimensions of the body and the size of the transfer surface on the air side), the weight criterion (radiators without heating fluid) volume criterion (heat-carrying substance in the body). Each of the above criteria is related to nominal thermal output.

 

Hodnotit:  

Datum: 10.4.2017
Autor: Ing. Jindřich Boháč, Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v PrazeIng. Roman Vavřička, Ph.D., Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze   všechny články autora



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (12 příspěvků, poslední 25.04.2017 10:29)


Projekty 2017

Partneři - Vytápění

logo FENIX
logo GEMINOX
logo FV PLAST
logo DANFOSS
logo THERMONA
logo ENBRA

Spolupracujeme

logo Asociace odborných velkoobchodů

 
 

Aktuální články na ESTAV.czMONETA Money Bank přichází s novým architektonickým řešením pobočekNahlédněte do nepřístupných budov v rámci festivalu Open house Praha 2017Ministerstvo životního prostředí vyhlásilo nový program DešťovkaNejužší dům světa stojí ve Varšavě, bydlení v něm připomíná pohyb po lešení