Vliv reflexní Al fólie a tepelné izolace na stěně za otopným tělesem na úsporu tepla

Úvod

Již delší dobu trvající snaha o dosahování úspor energií ve vytápění vede k rozborům stávajících soustav a následně k úvahám o jejich efektivnosti. Snaha o snižování tepelných ztrát se může zaměřovat několika směry. Jedním z nich jsou i úvahy o možnostech zamezení tepelných úniků z bezprostřední blízkosti otopných těles. Tělesa jsou na základě funkčních požadavků umisťována převážně u obvodové stěny pod oknem ve velmi malé vzdálenosti od ní. V důsledku konvekce a tepelného sálání od tělesa dochází ke zvýšení teploty stěny za tělesem a tím i ke zvýšení tepelných ztrát v těchto místech. Laická veřejnost je nabádána k instalaci reflexních hliníkových (Al) fólií na stěny za otopným tělesem za účelem úspor tepla na vytápění. Budeme-li se v následujícím textu zabývat rozborem této problematiky, je třeba je rozdělit na případy, kdy se jedná o neprůteplivé a průteplivé stavební konstrukce, u nichž jsou otopná tělesa instalována.

1. Použití Al fólie u pevných (neprůteplivých) obvodových konstrukcí

Al fólie nalepená na stěnu za otopné těleso snižuje dopadající tepelnou energii sdílenou sáláním tělesa, úměrně kvalitě svého povrchu. V tomto případě je kvalitou povrchu míněna emisivita fólie. Čím je emisivita nižší, tím více tepelné energie šířící se sáláním odrazí. Za určitou dobu provozu se fólie zapráší a odrazivost (emisivita) jejího povrchu silně klesá, a to až o 45 %.

Obr. 1 Výsledky měření upravené stěny za tělesem [1]

Okolo stěny opatřené Al fólií proudí vzduch ohřátý otopným tělesem, a proto se bude její teplota blížit teplotě vzduchu, která je vyšší než ve vytápěném prostoru a může mít hodnotu 25 až 35 °C při teplotě vzduchu v definičním bodě v místnosti t_D = 20 °C v závislosti na typu a druhu otopného tělesa.

Ve skutečnosti může Al fólie vyzařovat teplo do prostoru místnosti pouze v závislosti na součiniteli vzájemného sálání, poměru osálání a na rozdílu čtvrtých mocnin absolutních teplot povrchu fólie a okolních osálaných ploch. Obdobně to platí pro zadní plochu (plochy) povrchu otopného tělesa a fólii.

Pokud dáme na stěnu za těleso tepelnou izolaci s fólií, bude o účinku fólie platit totéž, co v předchozím případě bez tepelné izolace. Dodatečným zařazením desky s velkým tepelným odporem (např. polystyrénová deska) se zvýší tepelný odpor stavební konstrukce.

Je známo, že lesklá a hlavně čistá Al fólie má velmi nízkou emisivitu e = 0,05 až 0,1. Podstatně se tak snižuje i součinitel vzájemného sálání a povrch Al fólie přijímá z povrchu otopného tělesa značně méně tepla než povrch omítky či běžný nátěr stěny za tělesem s emisivitou cca 0,92. Pro zhodnocení lze výhodně použít procentuální vyjádření rozdílů povrchových teplot při jednotlivých úpravách povrchu, které jsou graficky znázorněny na obr. 1.

Obr. 2 Teplota povrchu stěny t_pm za otopným tělesem v závislosti na střední teplotě vody t_wm [1]

Základ porovnání tvoří povrchová úprava stěny za tělesem s označením č. 1, tj. s malbou, a je tak rovna tepelné ztrátě průmětné části obvodové konstrukce za tělesem ve výši 100 %. Pokrytím stěny za tělesem čistou hliníkovou fólií, označení č. 2, poklesne povrchová teplota stěny o 21,5 %. Pokrytím stěny zaprášenou Al fólií (zaprášení odpovídá dvouměsíčnímu provozu), označení č. 3, poklesne povrchová teplota o 9,5 %. Pokrytím stěny tepelnou izolací (polystyren tloušťky 5 mm), označení č. 4, poklesne povrchová teplota o 8,9 °C. Pokrytím stěny stejnou tepelnou izolací a s čistou Al fólií, označení č. 5, poklesne povrchová teplota o 22,1 %.

Obr. 3 Průměrné úspory tepla za otopné období při použití Al fólie za tělesem v závislosti na součiniteli prostupu tepla instalační stěny [1]

Nejvyšší snížení způsobuje sice Al fólie s lesklým povrchem, ale její povrch nelze při provozu ústředního vytápění udržet trvale čistý, a tedy i lesklý. Při čištění dochází k mechanickému otěru, a tak i ke ztrátě lesku. Na základě této skutečnosti lze za prakticky použitelné hodnoty přijmout hodnoty naměřené se zaprášenou fólií. Použije-li se tepelná izolace s malbou, je její povrchová teplota obdobná jako u fólie zaprášené. Experimentálně získané porovnání teplotních poměrů je znázorněno na obr. 2.

Velikost těchto úspor závisí na skutečných tepelných ztrátách místnosti, ale zejména na součiniteli prostupu tepla obvodové konstrukce. Pro místnost o velikosti 4 × 4 × 2,8 m s osazenými jednoduchými a zdvojenými otopnými deskovými tělesy vidíme závislost úspory tepla za otopné období na součiniteli prostupu tepla obvodové konstrukce na obr. 3.

Vyjdeme-li z požadovaného (lehká = 0,3 W/m²K; těžká = 0,38 W/m²K) a doporučeného součinitele prostupu tepla stavební konstrukce (lehká = 0,2 W/m²K; těžká = 0,25 W/m²K), je zřejmé, že úspora je při dnešních tepelnětechnických vlastnostech obvodové konstrukce zanedbatelná, tj. v oblasti pod 0,5 %. Ale to nehovoříme o tom, co celé opatření udělá s tepelným výkonem otopného tělesa.

Neméně důležitou skutečností je, že Al fólie omezuje sdílení tepla sáláním ze zadní plochy tělesa na stěnu a tím snižuje i celkový tepelný výkon otopného tělesa, tj. tepelný výkon sdílený sáláním i konvekcí. Snížením teploty stěny za tělesem se sníží zpětné sdílení tepla ze stěny do proudícího vzduchu v mezeře mezi stěnou a zadní stranou tělesa, a tím se snižuje i potřebný tepelný příkon pro místnost. To se projeví poklesem vnitřní teploty ve vytápěném prostoru, kde byla Al fólie instalována, pokud nebylo otopné těleso při návrhu předimenzováno. Tento účinek, pokud je potřeba snížit výkon tělesa, bychom měli ponechat regulaci, neboť ta může na rozdíl od fólie dynamicky pracovat v čase.

Obr. 4 Celkový poměrný výkon deskových otopných těles při účinku Al fólie v závislosti na střední teplotě vody t_wm [1]

Na obr. 4 je zobrazeno experimentálně stanovené snížení celkového tepelného výkonu u dvou deskových otopných těles v závislosti na střední teplotě vody v souvislosti s nalepením Al fólie na stěnu za těleso. U jednoduchého otopného tělesa tak dochází ke snížení celkového výkonu o 13 až 15 % a u zdvojeného přibližně o 12 %. Toto snížení je hlavní příčinou dosahování tzv. „úspor tepla“ aplikací reflexní fólie za otopné těleso. Ve skutečnosti se však nejedná o úspory tepla, ale o neodborné a nežádoucí snížení výkonu otopného tělesa, které u správně dimenzovaných otopných těles může přinést pouze tepelný diskomfort ve vytápěném prostoru.

Obr. 5 Geometrie místnosti s otopným tělesem pro matematickou simulaci [2]

K obdobným výsledkům dospěl i Šikula [2], který k řešení dané problematiky využil matematickou simulaci, o níž si můžeme udělat představu z obr. 5. Nejzajímavější z řešených variant jsou ty bez bočnic deskových otopných těles bez reflexní fólie a s reflexní fólií na stěně.

Obr. 6 Teplotní pole v oblasti otopného tělesa – vertikální řez kolmý na instalační stěnu: a) bez reflexní fólie na stěně; b) s reflexní fólií na stěně [2]

Obr. 7 Rychlostní pole v oblasti otopného tělesa – vertikální řez kolmý na instalační stěnu: a) bez reflexní fólie na stěně; b) s reflexní fólií na stěně [2]

V případě instalace bez reflexní fólie můžeme na obr. 6 vidět zvýšení povrchové teploty instalační stěny. Tím vzniká dostatečný přirozený vztlak v instalačním meziprostoru včetně zvýšené rychlosti proudění vzduchu (obr. 7). Je tak umožněno otopnému tělesu využít celou jeho teplosměnnou plochu pro sdílení tepla do vytápěného prostoru.

Obrázky 6 a 7 rovněž ukazují, že při použití reflexní fólie je povrchová teplota instalační stěny nižší než průměrná teplota vzduchu v „kanálech“ otopného tělesa. Rychlost proudění vzduchu a tudíž i součinitel přestupu tepla konvekcí je rovněž nižší, než tomu bylo v předchozím případě.

Z výsledků matematické simulace je patrný především vliv na snížení tepelného výkonu otopného tělesa při použití reflexní fólie. Snížení celkových tepelných ztrát místnosti tímto opatřením je nepatrné.

Obr. 8 Šířka teplých konvekčních proudů vystupujících z otopného tělesa [2]

Studie přinesla rovněž velmi zajímavé výsledky z hlediska použití bočnic u deskových otopných těles. Vzhledem k eliminaci chladných dolů klesajících konvekčních proudů vzduchu od okna teplým konvekčním proudem stoupajícím vzhůru od otopného tělesa, je vhodnější použití bočnic (obr. 8). Použijí-li se bočnice, lze dosáhnout širšího teplého konvekčního proudu od otopných těles až o 15 % vzhledem k délce okna a lépe tak pokrýt délku okna a jí příslušející šířku dolů padajících chladných proudů.

Přečtěte si také Teplotní exponent otopných těles Přečíst článek

2. Použití Al fólie u prosklených (průteplivých) obvodových konstrukcí

Al fólie a jiné prvky s nízkou emisivitou či tepelné izolace lze použít s výhodou u prosklených obvodových konstrukcí, aby se odstínil sálavý tepelný tok z tělesa na sklo. Součinitel prostupu tepla U (W/m².K) je u prosklených ploch větší než u obvodového zdiva a sklo je částečně průteplivé. To znamená, že úspory tepla zde nebudou zanedbatelné.

Např. zákonné předpisy Německa o hospodaření s teplem (BGBl.IS.2121) požadují, aby ekvivalentní součinitel prostupu tepla stínící konstrukce za tělesem a před prosklenou plochou byl U_c ≤ 0,9 W/m².K. Věstník pak uvádí příklady stínicích konstrukcí, které tento požadavek splňují (viz tab. 1).

Vzhledem k nepřesnosti určení celkového součinitele přestupu tepla se doporučuje volit tloušťku izolace s_iz ≥ 10 mm a v souladu s tab. 1 je požadován tepelný odpor stínící desky R ≥ 0,25 m².K/W.

Dnes se nejvíce používá dodatková plocha s tepelně technickými vlastnostmi odpovídajícími tepelné izolaci, která se umisťuje za otopné těleso před okenní plochu (např. výlohu) a tak jsou splněny německé požadavky.

Závěr

Umístění Al fólie na stěnu za otopné těleso má z hlediska snížení tepelných ztrát význam, pokud jde o prosklenou plochu. V případě neprosklené zdi se úsporný efekt snížení tepelné ztráty pohybuje v úrovni cca 0,4 % u stavebních konstrukcí odpovídajících stavebním předpisům od roku 2012 až po cca 5 % u nezateplených stavebních konstrukcí s dobou výstavby v 50. letech minulého století. Do komplexního hodnocení přínosu vložení Al fólie za těleso je nezbytně nutné zahrnout i vliv snížení výkonu otopného tělesa, u nejčastěji používaných otopných těles o cca 12 až 15 %. Toto snížení výkonu tělesa je násobně větší než snížení tepelné ztráty stěnou, a proto musí být kompenzováno zvýšením střední teploty otopné vody. To negativně ovlivní energetickou účinnost kondenzačních kotlů a zejména tepelných čerpadel.

Literatura

1. Bašta, J.: Otopné plochy – Otopná tělesa. ČVUT v Praze 2016. ISBN 978-80-01-05943-2
2. Šikula, O.: Matematické modelování proudění vzduchu v oblasti otopných těles. In. Větrání, Vytápění, Instalace 1/2008.

Elektřina a plyn dále zdražují, s úsporami domácnostem pomůže nový web