Elektrické převážně sálavé vytápění (I)

Elektrické vytápění lze rozdělit podle několika základních hledisek. Jednotlivá hlediska se však prolínají a tak se mnohdy jedná o totéž vytápění avšak z různého úhlu pohledu. Uveďme si na samém začátku dělení:

• podle akumulační schopnosti otopné plochy
  • přímotopné
  • poloakumulační
  • akumulační
• podle umístění otopné plochy
  • podlahové
  • stěnové
  • stropní
• podle druhu otopné plochy
  • velkoplošné (využití topných kabelů a rohoží)
  • sálavé panely
  • (přenosná lokální elektrická topidla - nepatří do otopných ploch)

1. Velkoplošné otopné plochy

U elektrického vytápění zahrnují velkoplošné otopné plochy především podlahové a stěnové vytápění. Stropní vytápění se realizuje především sálavými panely.

1.1 Podlahové vytápění

Elektrické podlahové vytápění klade na svůj návrh a provozování stejné požadavky jako teplovodní podlahové vytápění. V tomto případě však není v podlahové otopné ploše otopný had v podobě svazku trubek, ale je zde uložen buďto topný kabel nebo topná rohož.

Úkolem vytápění je zajistit tepelnou pohodu ve vytápěném prostoru. To znamená, že musíme dosáhnout takových poměrů, za kterých člověk nepociťuje ani chlad ani nadměrné teplo či se mokře potí, tedy cítí se tepelně neutrálně.

Základní faktory, které ovlivňují tepelnou pohodu jsou :

a) faktory osoby

• činnost vyjádřená metabolickým tepelným tokem q_m (W/ m² nebo met)
• tepelný odpor oblečení R_ob (m².K/W) či poměrný tepelný odpor R_ob (clo)

b) faktory prostředí

• teplota vnitřního vzduchu t_i (°C)
• střední radiační teplota t_r (°C) (dříve účinná teplota okolních ploch t_u (°C))
• rychlost proudění vzduchu w (m/s)
• tlak vodních par ve vzduchu p_D (Pa).

Kombinací všech těchto parametrů můžeme stanovit rovnici tepelné pohody. Za akceptovatelný pokládáme stav, kdy je procento nespokojených se stavem menší jak 15 %. Současně však musí za požadavku tepelné neutrality být splněno, že se žádná část těla nepřehřívá či nepodchlazuje. Jinak řečeno musíme splnit i požadavky na eliminaci lokální tepelné nepohody na libovolné části lidského těla, která vzniká:

• asymetrickým tepelným sáláním
• vertikálním teplotním gradientem vzduchu
• příliš teplou či chladnou podlahou
• zvýšeným prouděním vzduchu.

Vzhledem k přímému kontaktu chodidla s podlahou může u podlahového vytápění dojít k lokální tepelné nepohodě v důsledku vysoké povrchové teploty podlahy. Proto je velmi důležité znát, jaké povrchové teploty podlahy člověk akceptuje a během jaké doby kontaktu chodidla s podlahou a při jakém druhu obutí.

Podlahový materiál	Optimální povrchová teplota podlahy		Doporučené rozmezí povrchové teploty podlahy tP (°C)
	1. min	10. min
Textilie	21	24,5	21,0 až 28,0
Korek	24	26	23,0 až 28,0
Dřevo - borovice	25	26	22,5 až 28,0
Dřevo - dub	26	26	24,5 až 28,0
PVC na betonu	28	27	25,5 až 28,0
Linoleum na dřevě	28	26	24,0 až 28,0
Plynobeton	29	27	26,0 až 28,5
Betonová mazanina	28,5	27	26,0 až 28,5

Tab. 1 - Optimální povrchová teplota podlahy užívané bez obutí

Pro podlahy kde se vyskytují neobutí lidé (plovárny, tělocvičny, koupelny, ...) je rozhodující jejich skladba. Na základě teorie sdílení tepla je pak možné stanovit optimální povrchové teploty pro různé druhy podlah (viz tab.1) Podlahy využívané obutými lidmi neovlivňují z hlediska materiálu podlahové krytiny lokální tepelnou pohodu člověka. V tomto případě se doporučuje optimální teplota podlahy pro dlouhodobě sedící osoby 25 °C a pro stojící a chodící osoby 23 °C. Obecně je u podlahového vytápění rozhodující, že průměrná teplota podlahy by neměla překročit 29 °C.

Rovněž důležité je prostorové rozložení teplot, tedy jak v rovině vertikální tak horizontální. Vertikální rozložení teplot uvnitř vytápěného prostoru je způsobeno nerovnoměrným přívodem tepla a nerovnoměrným ochlazováním jednotlivých stěn místnosti. Vertikální nerovnoměrnost je tím vyšší, čím vyšší je povrchová teplota otopné plochy. S ohledem na skutečnost, že u podlahového vytápění je povrchová teplota otopné plochy ze všech druhů vytápění nejnižší, je vertikální rozložení teplot téměř ideální. U ostatních druhů vytápění je vertikální průběh teplot dosti nerovnoměrný. Ideální vytápění by mělo zajistit takové rozložení teplot s výškou místnosti, aby v oblasti hlavy stojícího člověka byla teplota vzduchu min. o 2 °C nižší než je v oblasti kotníků. Takovémuto ideálnímu průběhu teplot se nejvíce blíží podlahové vytápění.

Horizontální rozložení teplot ovlivňuje hlavně umístění otopné plochy ve směru od obvodové ochlazované konstrukce. U podlahového vytápění je horizontální průběh teplot téměř rovnoměrný, blížící se ideálnímu, až na úzkou oblast u ochlazované konstrukce. Tento nedostatek se dá většinou kompenzovat okrajovou (intenzivní) zónou.

Elektrické podlahové vytápění topnými kabely má již s ohledem na konstantní výkon kabelů svá specifika. Může být navrhováno jako:

• akumulační
• poloakumulační
• přímotopné

O akumulační schopnosti rozhoduje především plošná hmotnost betonové vrstvy nad topnými kabely a její tepelná vodivost. Mírou akumulace je časová konstanta τ_A, což je doba, za kterou se při nabíjení ohřeje akumulační vrstva o 1 K.

[s]

kde:

sa	[m]	tloušťka akumulační vrstvy
ca	[J/kg.K]	měrná tepelná kapacita akumulační vrstvy
ρa	[kg/m3]	hustota akumulační vrstvy
Λ1	[W/m2.K]	tepelná propustnost od roviny uložení kabelů směrem do vytápěné místnosti
Λ2	[W/m2.K]	tepelná propustnost od roviny uložení kabelů směrem dolů

Časová konstanta u plně akumulačních podlah má být nejméně 8 hodin a nejlépe 10 až 12 hodin. U budov s celodenním provozem se žádá ještě více, až 15 hodin. Poloakumulační soustavy mají τ_A od 4 do 8 hodin a soustavy s časovou konstantou kratší než 4 hodiny se již označují jako prakticky přímotopné.

Elektrické podlahové vytápění lze realizovat jak u nových betonových podlah, tak např. u renovovaných dřevěných podlah. Požadovaný výkon otopné plochy se pokryje příslušnou délkou kabelu o konstantním výkonu (W/m). Na trhu se objevují i topné rohože, které usnadňují realizaci podlahových otopných soustav. Základem takové rohože je podkladové kovové pletivo nebo tkanina s pravidelnou čtvercovou strukturou. Na tomto podkladu je naformován meandr z topných kabelů s příslušnou roztečí. Rozteč spolu s měrným lineárním zatížením rozhoduje o velikosti měrného instalovaného příkonu na 1 m² topné rohože.

Obr. 1 - Řez podlahovou konstrukcí s topnými kabely

Pro podlahové elektrické přímotopné, akumulační nebo smíšené vytápění platí, že je podlaha konstruována jako plovoucí. Směrem zdola tak následuje nad stavební konstrukcí vrstva tepelné izolace, izolace proti vlhkosti, betonová vrstva (4 až 7 cm), instalační pás, topný kabel, betonová vrstva a podlahová krytina. Po obvodu všech stěn je na celé výšce od stavební konstrukce podlahy až k podlahové krytině dilatační pás. U podlah s elektrickou topnou rohoží se rohož klade nad tepelnou izolaci s ochrannou reflexní fólií (obr. 2)

U přímotopného vytápění v nových stavbách se instalovaný výkon pohybuje od 80 do 120 W/m² v závislosti na teplo-technických vlastnostech objektu a venkovní oblastní výpočtové teplotě. Tloušťka betonové mazaniny pro přímotopné podlahy vychází přibližně do 5 cm. K přesnému uložení topných kabelů v hloubce 3 až 5 cm pod povrchem podlahy slouží fixační pásy. Celková tlouš´tka podlahy včetně tepelné izolace se pohybuje v rozmezí 8 až 13 cm.

U akumulačního a poloakumulačního vytápění musí být betonová vrstva dostatečně silná. Tloušťka betonové mazaniny pro poloakumulační podlahy vychází přibližně 8 cm a pro akumulační 10 cm a více. Instalovaný výkon se pohybuje v rozmezí 180 až 250 W/m². K uložení kabelů v hloubce cca 6 cm se opět použije fixační pás. Celková tlouš´tka podlahy včetně tepelné izolace se pohybuje v rozmezí 18 až 24 cm.

Možnou variantou je i doplňkové vytápění v extrémně nízké vrstvě. V případě, že je podlaha již hotová lze využít samolepící elektrické topné rohože přímo na beton, PVC, dlažbu či parkety. Na ni se rozvine prodyšný koberec nebo položí laminátová plovoucí podlaha (obr. 3) bez vrstvy mirelonu (funkci mirelonu přebírá izolační podložka, která je součástí topné rohože) či v koupelně přilepí nová dlažba. Toto řešení slouží však pouze jako doplněk stávajícího vytápění pro zlepšení lokální tepelné pohody nohou při kontaktu s podlahou. Tepelný výkon podlahy nepokrývá tepelnou ztrátu místnosti.

Obr. 3 - Doplňkové vytápění v extrémně nízké vrstvě

1.1.1 Přímotopné podlahové vytápění

Elektrické přímotopné podlahové vytápění lze instalovat do nových i renovovaných betonových podlah, stejně jako do všech typů dřevěných podlah a to jako celkové či pouze doplňkové (obr.4).

Abychom minimalizovali prostup tepla směrem dolů od roviny topných kabelů a zajistili co nejúspornější provoz, je potřebné tepelně izolovat podlahu pod topnými kabely podle stejných zásad jako u podlahového teplovodního vytápění. Výběr podlahové krytiny není téměř omezen, přesto by tepelný odpor podlahové krytiny neměl překročit hodnotu 0,15 m².K/W.

Při montáži topných kabelů by poloměr ohybu neměl být menší než šestinásobek vlastního průměru kabelu. Hloubka uložení se pohybuje od 3 do 5 cm a vzdálenost mezi jednotlivými smyčkami by měla být stejná jako je šířka smyček (od 10 do 20 cm). Vzhledem k rovnoměrnému rozložení tepelného toku můžeme říci, že čím větší je vzdálenost mezi smyčkami, tím hlouběji by měl být kabel uložen.

Pro přesnější a snazší montáž se používají instalační pásy, které umožňují instalaci smyček v pravidelných roztečích po 2,5 cm (např. 10, 12,5, 15 cm). Tepelný tok směrem dolu omezujeme tepelnou izolací tak, aby nepřesáhl 10 až 15 % z celkového tepelného toku. Výrobci doporučují tloušťku tepelné izolace u přímotopných podlah minimálně 5 až 10 cm v závislosti na vlastnostech izolace.

Vzhledem k tepelným dilatacím podlahy se provádí jako plovoucí s maximální plochou dilatečního celku 30 m². Poměr stran by měl být menší než 1:2. Mezi dilatačními celky jsou dilatační spáry o tloušťce 1 až 2 cm vyplněné stále pružným tmelem. Topné kabely nesmí být obklopeny tepelně-izolačním materiálem, neboť nedostatečný odvod tepla by způsobil jejich přehřátí. Otopnou podlahovou plochu uvádíme do provozu postupným zvyšováním teploty až po úplném vyzrání zalévací směsi (u betonové mazaniny po 30ti dnech).

K řízení přímotopného podlahového vytápění se využívají elektronické termostaty s čidlem snímajícím teplotu podlahy, teplotu okolního vzduchu ve vytápěném prostoru nebo jejich vzájemnou kombinací. Pro celkové vytápění je potřebné využít termostat s čidly, která snímají teplotu podlahy i prostoru současně. Pro doplňkové vytápění postačí termostat s podlahovým čidlem. Termostaty se montují na zeď či na lištu do rozvaděče.

Obr. 4 - Skladba přímotopného elektrického vytápění
a) Podlaha na rostlé půdě, b) Betonová podlaha v koupelně, c) Dřevěná podlaha

U přímotopného podlahového vytápění se používají topné kabely s maximálním tepelným výkonem 18 W/m. V mnohých případech však nemůžeme pro požadovaný tepelný výkon využít celou podlahovou plochu a tak se velikost otopné plochy zmenší (např. o půdorys vany, kuchyňské linky, postele s úložným prostorem apod.). Zde musíme zvýšit instalovaný výkon v otopné ploše v místnostech určených k dlouhodobému pobytu max. na 120 W/m² a v koupelnách max. na 140 W/m², abychom pokryly tepelnou ztrátu místnosti. V objektech s nízkými tepelnými ztrátami si můžeme dovolit vzhledem k větší pružnosti reagování otopné plochy předimenzovat výkon až o 20 %. Vždy však musíme dbát požadavku nepřekročení maximální přípustné povrchové teploty podlahy.

Příklad:

Mějme kuchyň o ploše 20 m² s tepelnou ztrátou 1300 W. Využitelná plocha pro otopnou plochu (bez kuchyňské linky) je 16 m². Potřebný měrný tepelný výkon je dán podílem tepelné ztráty a velikosti otopné plochy a činí 81 W/m². Z podkladů výrobce topných kabelů tak vybereme kabel typ 18 o tepelném výkonu 1485 W, při napětí 220 V, dodávaný v délce 90 m. navýšení výkonu tak činí 14 %. Otopná plocha bude reagovat rychleji a pokryjeme rovněž tepelný tok jdoucí dolů (10 až 15 %).

1.1.2 Akumulační a poloakumulační podlahové vytápění

Akumulační elektrické podlahové vytápění je určeno především pro podlahy přízemních místností tam, kde je možno využít sníženého cenového tarifu při odběru elektřiny. Důležitým předpokladem pro návrh je zjištění, po jakou dobu budeme moci odebírat elektřinu v nižším tarifu. Zpravidla jde o osm hodin a to v celku nebo rozdělený do dvou max. tří časových úseků. Teplo dodané topnými kabely v betonové vrstvě je akumulováno v době nízkého tarifu do betonu a po zbývající část dne postupně uvolňováno do vytápěného prostoru.

Povrchová teplota akumulační podlahy by v průběhu denního provozu neměla překročit střední přípustnou povrchovou teplotu o více než 6,5 K. Typický průběh povrchové teploty během dne akumulační podlahy s dvoufázovou akumulací (8 a 2 hod.) je na obr. 5.

Obr. 5 - Denní průběh povrchové teploty akumulační podlahy

Akumulační a poloakumulační otopná plocha je řízena ekvitermními regulátory (termostaty) či regulátory nové generace s adaptivní funkcí. Speciální regulátory jsou vyvinuty pro řízení v období nízkých a vysokých tarifů. Základní verze pracují s venkovním a podlahovým čidlem a mohou být rozšířeny o spolupráci vnitřního termostatu podle údajů v referenční místnosti. Podlahové čidlo se stará o nepřekročení maximální nastavené teploty v podlaze (většinou cca 60 °C). Při regulaci akumulačního a poloakumulačního elektrického vytápění se využívají i regulátory pracující na principu fuzzy logiky, které umožňují řízení teploty na základě nepřetržitého porovnávání venkovní teploty a zbytkového tepla v podlaze (podlahové čidlo neslouží pouze k omezení max. teploty). Konkrétně to znamená, že si regulátor při náhlém poklesu venkovní teploty zjistí množství zbytkového tepla v podlaze a sám vyhodnotí, zda je zapotřebí sepnout (vytápět) či nikoli. Pokud není teplotní ekvivalent v podlaze dostatečně vysoký, regulátor určí, kolik hodin je potřeba přitápět. Tento hodnotící proces probíhá v regulátoru nepřetržitě.

Pro akumulační vytápění jsou určeny dvoužilové topné kabely většinou o výkonu 18 W/m. I u akumulačního elektrického podlahového vytápění je třeba počítat s hygienicky přípustnou nepřekročitelnou povrchovou teplotou otopné plochy, jako je tomu u teplovodního podlahového vytápění. Pro místnosti s trvalým pobytem a celkovou tloušťkou betonu 12 cm (6 cm nad kabely) vychází maximální měrný tepelný výkon na 200 W/m² a pro koupelny 240 W/m². U velkých zasklených ploch je vhodné provádět ještě tzv. okrajovou intenzivní zónu v podobě samostatné přímotopné otopné plochy, která má jak prostorové, tak podlahové čidlo teploty k zabránění přehřátí. V intenzivní okrajové zóně se kabely kladou do hloubky 3 až 5 cm, aby mohly rychle reagovat na změněné podmínky.

Změny oproti přímotopnému vytápění spočívají v navýšení betonové vrstvy nad topnými kabely (cca 5 až 8 cm) a ve zlepšení tepelné izolace pod topnými kabely. Tloušťka tepelné izolace se pohybuje v rozmezí 7 až 15 cm v závislosti na použité izolaci a na prostoru pod vytápěnou podlahou. Topné kabely jsou opět fixovány instalačními pásy pro zajištění rovnoměrné pokládky. Při instalaci se snažíme vyhýbat zastavěným plochám nábytkem plně dosedajícím na podlahu (kuchyňská linka, obývací stěna, postel s úložným prostorem apod.) a otopnou podlahovou plochu uvádíme do provozu postupným zvyšováním teploty až po úplném vyzrání betonové mazaniny, tj. cca po 30ti dnech.

U nás je obvyklé počítat s noční dodávkou elektrického proudu se sníženým tarifem mezi 24.00 až 6.00 h a denní mezi 13.00 až 15.00. Toto časové rozvržení nemusí všude odpovídat, ale důležité je, že máme k dispozici 8 hod. odběru se sníženým tarifem. Při výpočtu instalovaného výkonu uvažujeme ještě jakýsi bezpečnostní součinitel f, který zohledňuje rychlejší reakci na náhlou změnu klimatických podmínek a tepelný tok směrem dolů. Celkový instalovaný výkon Q určíme:

[W]

kde

Qc	celková tepelná ztráta [W]
τ	celková doba provozu [h]
τn	doba nízkého tarifu [h]
f	bezpečnostní součinitel = 1,2

Příklad:

Obývací pokoj s francouzským oknem má plochu 35 m². Tepelná ztráta činí 2480 W. Maximální přípustný instalovaný měrný tepelný výkon pro naši akumulační podlahu, vzhledem k povrchové teplotě podlahy, je 200 W/m². Pokud budeme celou plochu obýváku vytápět akumulačním způsobem dostaneme:

Tento výkon je nutno instalovat do podlahy v případě, že využijeme pouze výhodnější sazbu pro akumulační vytápění. Avšak maximální možný instalovaný výkon vzhledem k povrchové teplotě podlahy a možnostem kabelů je

Když porovnáme potřebný výkon a maximální přípustný zjistíme, že nepokryjeme tepelnou ztrátu místnosti. Bude tak, i vzhledem k francouzskému oknu a jeho vlivu na tepelnou pohodu prostředí, vhodné použít přímotopnou okrajovou intenzivní zónu řízenou bez ohledu na nižší tarif odběru elektrické energie. Pro akumulační vytápění využijeme plochu pouze 30 m² a instalovaný tepelný výkon této plochy bude:

Rozdíl požadovaného a celkového výkonu akumulační otopné plochy, který bude pokryt přímotopnou intenzivní okrajovou zónou o velikosti 5 m² činí 2928 W (8928 - 6000). S ohledem na možnost využívání, resp. nabíjení přímotopné otopné plochy 24 h. denně a akumulační pouze 8 h. denně (tj. 1/3) vydělíme výkon 2928 W číslem 3 a dostaneme 976 W. Tento výkon bude instalován do 5 m² a tak získáme měrný tepelný tok 195 W/m². Hodnota je přípustná a zároveň tímto řešením pokryjeme celkovou tepelnou ztrátu místnosti.

Elektrické topné rohože a kabely mají i jiné využití jako např. ohřev nádob, čističek vod, anténních parabol, potrubí okapových žlabů a svodů, venkovních ploch proti sněhu a náledí, temperování kostelních lavic atd.