Měření povrchové teploty podlahových krytin při podlahovém vytápění a výpočet měrného tepelného toku podlahy

Úvod

Při volbě podlahového vytápění a vytápění obecně je pro uživatele hlavním hodnotícím kritériem výsledná teplota v užívaných místnostech. Za tuto teplotu můžeme považovat tzv. operativní teplotu to, blíže např. zde [1]. Důležitým aspektem podlahového vytápění je povrchová teplota podlahy, která při správné hodnotě zvyšuje užitnou hodnotu podlahového vytápění oproti jiným systémům vytápění (otopná tělesa, teplovzdušné vytápění apod.) [2]. Na výslednou operativní teplotu má vliv mimo jiné také povrchová teplota podlahy, respektive tepelný tok podlahy. Tento článek se zabývá měřením povrchové teploty šesti druhů podlahových krytin, porovnáním výsledků a následnému výpočtu měrného tepelného toku podlahového vytápění těchto šesti variant dle stávající legislativy. Cílem článku je poukázat na vzájemný vztah mezi teplotou podlahy a výsledným tepelným tokem z pohledu volby podlahové krytiny pro podlahové vytápění.

Měření povrchových teplot

Měření povrchových teplot šesti vybraných podlahových krytin bylo provedeno v laboratoři Ústavu technických zařízení budov Fakulty stavební, Vysokého učení technického v Brně.

Obr. 1 Schéma podlahového vytápění

V této laboratoři se nachází soustava podlahového vytápění typu A o půdorysné ploše 2,0 × 2,0 m s trubním systémem Rehautherm S 16 × 2,0 mm, který je kladený ve tvaru meandru viz obrázek 1. Rozteč potrubí je 0,2 m. Zdrojem tepla byl plynový kotel umístěný ve stejné místnosti.

Měřicí sestava

Povrchová teplota byla měřena čtyřmi termodráty Ahlborn NiCr-Ni typ T190-0 umístěnými na podlahové krytině, 2 termodráty na ose potrubí, 2 ve středu rozteče (4 výsledné hodnoty byly dále zprůměrovány), další čidlo bylo umístěno přímo na betonové mazanině k měření povrchové teploty bez podlahové krytiny, poslední čidlo bylo umístěno v kulovém teploměru k měření teploty v místnosti. Termodráty byly vyvedeny do měřící ústředny ALMEMO 3290-8. Způsob provedení měřící sestavy je patrný z obrázku 2 a 3.

Obr. 2, 3 Měřicí sestava

Vybrané podlahové krytiny, jejichž povrchová teplota byla měřena, byly umístěny na betonové mazanině podlahy se systémem podlahového vytápění. Vzorky podlahových krytin byly následující:

Obr. 4 Podlahové krytiny (vlastnosti dle výrobců krytin)

Výsledky měření

Naměřené hodnoty byly statisticky zpracovány a výsledky jsou přehledně uvedeny v tabulce 1 a v grafu na obrázku 5.

Obr. 5 Povrchové teploty vzorků podlahových krytin

Obr. 6 Soustava s trubkami uvnitř roznášecí vrstvy (typ A a typ C) [4]

Výpočet měrného tepelného toku soustavy s trubkami instalovanými v roznášecí vrstvě (typ A a typ C)

Typ A je charakterizován jako soustava s trubkami uvnitř roznášecí vrstvy. Typ C je dán soustavou s trubkami ve vyrovnávací mazanině, na které položena mazanina s dvojitou separační vrstvou. Tloušťka vyrovnávací mazaniny musí být alespoň o 20 mm větší než průměr otopných trubek, nanesená mazanina má tloušťku min. 45 mm [3].

U otopných soustav typu A a C (obrázek 6) se určí měrný tepelný tok následovně

(1)

kde je

B = B₀ = 6,7 [W.m⁻².K⁻¹] pro tepelnou vodivost trubky λ_R = λ_R,0 = 0,35 [W.m⁻².K⁻¹] a pro tloušťku stěny trubky S_R = S_R,0 = (d_a − d_i) / 2 = 0,002 m. V případě užití materiálů s odlišnou tepelnou vodivostí nebo u jiných tloušťek stěn trubky nebo u trubek s opláštěním se hodnota B vypočítá dle [4] podle odstavce 6.6.

a_B

– součinitel podlahové krytiny, výpočet viz níže [–],

a_T

– součinitel rozteče trubek podle tabulky 1 [–],

a_u

– součinitel krycích vrstev podle tabulky 2 [–],

a_D

– součinitel vnějšího průměru trubky dle tabulky 2 [–].

Δϑ_H

– rozdíl teplot mezi otopnou kapalinou a teplotou místnosti dle [4] a [5], [K], výpočet viz níže.

(2)

kde je

α

 = 10,8 [W.m⁻².K⁻¹],

λ_u,0

 = 1 [W.m.K⁻¹],

s_u,0

 = 0,045 [m],

R_λ,B

– tepelný odpor podlahové krytiny [m².K.W⁻¹] viz obr. 4,

λ_E

– tepelná vodivost mazaniny [W.m⁻¹.K⁻¹], pro roznášecí vrstvu se sníženou vlhkostí a pro otopné    mazaniny se uvažuje λ_E = 1,2; v případě použití jiné hodnoty musí být ověřená její platnost.

Ve vztahu (1) dále platí

(3) pro 0,05 m ≤ T ≤ 0,375 m

(4) pro s_u ≥ 0,015 m

(5) pro 0,010 m ≤ D ≤ 0,030 m

V rovnicích (3) až (5) je

T

– rozteč trubek [m],

D

– vnější průměr trubky včetně opláštění, pokud je použito [m],

s_u

– tloušťka vrstvy krycí mazaniny nad trubkou [m].

Pro krycí vrstvy nad trubkou platí s_u ≤ 0,065 m stejně jako pro vrstvy nad trubkou 0,065 m < s_u ≤ s_u* se užije rovnice (1). Hodnota s_u* je závislá na rozteči trubek takto:
V případě rozteče T ≤ 0,200 m platí s_u* = 0,100 m.
V případě rozteče T > 0,200 m platí s_u* = 0,5 T.
Ve zvláštních případech, je-li rozteč trubek T > 0,375 m, v případě s_u > s_u*, je výpočet mírně odlišný, viz [5].

(6)

kde je

ϑ_V

– teplota vstupní vody [K],

ϑ_R

– teplota vratné vody [K],

ϑ_i

– jmenovitá vnitřní teplota místnosti [K].

Dle výše uvedených vztahů byl vypočten měrný tepelný tok pro jednotlivé krytiny použité v experimentu, tabulka 4 a obrázek 7.

Obr. 7 Povrchové teploty a měrný tepelný výkon

Závěr

Měření prokázalo, že tepelný tok podlahového vytápění není závislý jen na teplotě povrchu podlahy. Významný vliv na výsledný tepelný tok má typ použité podlahové krytiny. Nejvýrazněji je tento jev patrný dle obrázku 7 na výsledcích pro tlustý koberec. I když je teplota povrchu zhruba na stejné úrovni jako ostatní typy povrchu (30,7 °C), výsledný tepelný tok (53,29 W.m⁻²) je nejnižší ze všech typů podlah. Na výsledném tepleném toku se projevuje velkou měrou součinitel podlahové krytiny a_B dle normy ČSN EN 1264, respektive parametr tepelného odporu krytiny R_λ,B. U tlustého koberce je hodnota tepelného odporu nejvyšší, což negativně ovlivňuje výsledný tepelný tok této krytiny ze všech vzorků. Nejnižší hodnota tepelného odporu je u tenkého linolea, což se projevilo maximálním tepelným tokem, byť naměřené teploty u tohoto vzorku jsou ve srovnání s ostatními nízké.

Výstup do praxe z provedeného experimentu je vcelku zřejmý a logický. Používání koberců, zvláště těch tlustých, snižuje účinnost podlahového vytápění. Ideální podlahovou krytinou je tenké linoleum, pokud budeme volit mezi zkoumanými vzorky. Vysokých hodnot tepelného toku by patrně dosahovala i krytina z dlažby, což jsme bohužel z technických důvodů nemohli v rámci experimentu ověřit. Vyšší tepelný tok u dlažby je způsoben vlivem kvalitního kontaktu dlažby s podlahou pomocí lepidla a velkých hodnot tepelné vodivosti daných materiálu (lepidlo a dlažba). Na základě interpretace výsledků měření lze také říci, že desky Cetris nejsou nejvhodnější krytinou z pohledu přenosu tepla z podlahového vytápění.

Poděkování

Tento článek byl napsán s přispěním projektu Specifický výzkum FAST-J-13-2118.

Literatura

• [1] Modelování operativní teploty. K. Kabele, Z. Veverková. Tzb-info [online]. 2004
  [cit. 2013-9-9]. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/1422-modelovani-operativni-teploty
• [2] H. Recknagel, E. Sprenger, E. R. Schramek, Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik 13/14, Verlag Dashöfer 2012, ISBN 978-3835633018.
• [3] ČSN EN 1264-4. Zabudované vodní velkoplošné otopné a chladící soustavy – Část 4: Instalace. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2010
• [4] ČSN EN 1264-3 Zabudované vodní velkoplošné otopné a chladící soustavy – Část 3: Dimenzování. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2010
• [5] ČSN EN 1264-2 Zabudované vodní velkoplošné otopné a chladící soustavy – Část 2: Podlahové vytápění: Průkazné postupy pro stanovení tepelného výkonu výpočtovými a experimentálními metodami. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2009