CFD simulace vlivu různých typů vytápění na proudění vzduchu a tepelný komfort
Přehrát audio verzi
CFD simulace vlivu různých typů vytápění na proudění vzduchu a tepelný komfort
00:00
00:00
1x
- 0.25x
- 0.5x
- 0.75x
- 1x
- 1.25x
- 1.5x
- 2x
Příspěvek se zabývá CFD simulací vnitřního prostředí místnosti při použití různých nízkoteplotních otopných systémů. Prezentované výsledky vycházejí ze zjednodušeného 2D modelu. Cílem práce je analyzovat vliv jednotlivých způsobů vytápění na výsledné teplotní pole, charakter proudění vzduchu a parametry tepelného komfortu (PMV, PPD a riziko průvanu) v pobytové zóně. Numerické simulace byly provedeny v programu ANSYS Fluent pro několik konfigurací místnosti s rozdílnými tepelně-technickými vlastnostmi obalových konstrukcí a různými typy otopných systémů. Výsledky modelu naznačují, že v dobře tepelně izolovaných prostorech nemusí vznikat propastné rozdíly v rozložení teploty vzduchu, ačkoliv v reálném 3D prostoru lze očekávat mírně odlišný vývoj rozdělení teplot. Výrazně se však v závislosti na otopném systému liší charakter proudění a lokální rychlosti vzduchu.
Foto: Pexels
1. Úvod
V současné době roste význam nízkoteplotních otopných systémů, a to zejména v souvislosti s požadavky na energetickou efektivitu budov a zvyšování tepelného komfortu uživatelů. Kromě samotného dosažení požadované teploty vzduchu v interiéru jsou běžně opomíjenými, ale důležitými aspekty také další parametry, jako například výsledný charakter proudění vzduchu a jeho vliv na subjektivní vnímání prostředí.
Numerické simulace proudění vzduchu metodou CFD představují vhodný nástroj pro analýzu distribuce teplot a rychlostních polí v interiéru. Umožňují detailně sledovat interakci mezi otopným systémem, obálkou budovy a prouděním vzduchu v prostoru. Je však nutné brát v úvahu, že i velmi kvalitně zpracovaný model simulací jen a pouze predikuje výsledek. Není tedy vhodné považovat výstup CFD simulace za jednoznačný a reálný, a naopak je důležité experimentální ověření numerických výsledků.
Tento příspěvek prezentuje průběžné výsledky simulací vnitřního prostředí místnosti při použití nízkoteplotních otopných systémů. Cílem práce je analyzovat vliv jednotlivých způsobů vytápění na výsledné teplotní pole a charakter proudění vzduchu v pobytové zóně. Zároveň tato část konfigurací slouží jako reference výchozích stavů pro navazující výzkum. Ten bude zaměřen jednak na porovnání kvality numerických výsledků a experimentálně získaných dat a na posouzení vlivu podstropního přívodu vzduchu na výsledné mikroklimatické podmínky v prostoru.
2. Metodika
2.1 Geometrie a řešený model
Řešeným případem je model obytné místnosti o rozměrech 4,4 × 3,1 × 2,65 m. Místnost obsahuje jedno okno na pravé straně o rozměrech 1 × 1,3 m ve výšce jednoho metru nad zemí. Jedná se o experimentální prostor klimatické kabiny v rámci ústavu ČVUT UCEEB, jež má být v souvislosti s touto simulací využíván pro experimentální ověření výsledků. V rámci simulace byl uvažován zjednodušený geometrický model bez detailních konstrukčních prvků s cílem snížit výpočetní náročnost při zachování charakteru proudění vzduchu. Simulace probíhala ve formátu 2D v řezu místnosti vedeným středem, tedy na ploše 4,4 × 2,65 m.
Obr. 1 Model místnosti se zvýrazněnou 2D plochou pro simulaci
2.2 Okrajové podmínky
Okrajové podmínky byly definovány na základě typických zimních předpokladů. Vnitřní požadovaná teplota činí 22 °C. Venkovní teplota vytvářela fixní hodnotu pro výpočet a odpovídá −12 °C. V případě, že levá stěna reprezentovala příčku mezi zkoumanou místností a dalším vytápěným prostorem, byla teplota za touto stěnou stanovena na 18 °C. Součinitel prostupu tepla jednotlivých konstrukcí je popsán v tabulce 1. Hodnota součinitele pro jednotlivé konstrukce byla snížena o hodnotu Rsi podle příslušné normy [1], pro strop o 0,10 m²‧K/W, pro podlahu o 0,17 m²‧K/W a pro svislé stěny či okno o 0,13 m²‧K/W [1].
| Konstrukce | U [W/m²K] |
|---|---|
| Stěny do exteriéru | 0,134 |
| Podlaha | 0,132 |
| Strop | 0,103 |
| Příčka | 0,201 |
| Okno | 1,200 |
Otopný systém byl reprezentován jako plošný zdroj tepla (podlahové a stropní vytápění) s konstantním tepelným tokem, který odpovídal tepelné ztrátě zbylých konstrukcí při požadovaných 22 °C v interiéru. Tato konfigurace umožňuje přirozené ustálení výpočtu na určených parametrech a zároveň zachovává princip toho, že otopná plocha nemá vlivem proudění na celém svém povrchu stejnou teplotu. Emisivita všech povrchů byla stanovena na jednotnou hodnotu 0,95. Tato hodnota byla zvolena jako reprezentativní průměr odpovídající standardnímu vybavení a povrchovým úpravám běžných provedení v bytových a kancelářských prostorech [2].
2.3 Numerický model
Simulace byla provedena v programu ANSYS Fluent ve verzi 2024 R2. Výpočet byl generován ve 2D planárním prostoru s využitím tlakové formulace řešiče a aktivovanou dvojnásobnou přesností. Proudění vzduchu bylo řešeno jako nestlačitelné a turbulentní. Jako model turbulence byl zvolen typ SST k-ω s korekcí pro nízké rychlosti proudění (Low Re correction). Pro nejlepší reprezentaci přirozené konvekce je vzduch modelován jako nestlačitelný ideální plyn s konstantní měrnou tepelnou kapacitou 1006,35 J/kg‧K a linearizovanou tepelnou vodivostí a viskozitou pro rozmezí 14–36 °C [3].
Výpočet sdílení tepla sáláním byl zajištěn primárně modelem S2S, a to z důvodu jeho vysoké výpočetní efektivity pro ustálení základního teplotního pole. Vzhledem k tomu, že model S2S neumožňuje přímé vyhodnocení střední radiační teploty uvnitř objemu, byl výpočet následně pro analýzu tepelného komfortu přepnut na komplexnější model DO (Discrete Ordinates) s úhlovým rozdělením záření na 18 divizí. Tento krok byl nezbytný pro získání prostorového pole operativní a radiační teploty. Hodnota sálavého toku byla přepočítávána každých pět iterací.
Pro prostorovou diskretizaci transportních rovnic bylo využito schématu druhého řádu (Second Order Upwind) se sdruženým řešičem (Coupled Solver). Mezi kritéria ukončení výpočtu patřilo jak sledovaní residuí, tak i průběh změn hodnot jako střední teplota a rychlost vzduchu v prostoru. Výpočet byl považován za konvergovaný při poklesu reziduí rovnice energie pod hranici 10−8 a rovnic hybnosti pod 10−6. Rovnice kontinuity dosahovala pouze u systémů s podlahovým vytápěním hodnot výrazně pod 10−2, u ostatních konfigurací se pokles poměrně brzy zastavil. Vypočet byl proto definitivně ukončen až ve chvíli, kdy sledované fyzikální veličiny nevykazovaly žádný trend a celková bilance přenosu tepla se přiblížila odchylce 10−3 W.
2.4 Výpočetní síť
Výpočetní oblast byla diskretizována pomocí pravidelné strukturované výpočetní sítě tvořené mimo zahuštěnou oblast výhradně čtvercovými buňkami. Síť byla navržena s důrazem na symetrii a rovnoměrné rozložení buněk v hlavním objemu místnosti, což přispívá ke stabilitě, a především přesnosti numerického řešení. V blízkosti stěn byla síť zahuštěna s cílem zachytit mezní vrstvu proudění a teplotní gradienty. Toto zahuštění bylo realizováno pomocí vrstev buněk s postupně rostoucí tloušťkou definovanou geometrickou řadou.
Zvolený model turbulence k-ω vyžaduje detailní rozlišení mezní vrstvy, v optimálním případě to, aby první buňka ležela přímo ve viskózní podvrstvě. Výška první buňky u stěny byla proto od počátku dimenzována tak, aby bezrozměrná vzdálenost y+ na všech pevných hranicích splňovala doporučené kritérium pro tento model turbulence (y+ ≤ 1). Základní velikost buněk v objemu byla 3,5 mm a směrem ke stěnám se postupně zmenšovala až na minimální velikost buněk u povrchu, která činila 0,25 mm. Celková tloušťka zahuštěné oblasti dosahovala 80,36 mm, přičemž růst buněk byl definován kvocientem geometrické řady 1,042. Celkem bylo použito 65 vrstev v oblasti mezi stěnami a volným prostorem, což vyústilo v celkový počet buněk výpočetní sítě přibližně 1,13 milionu.
Kvalita sítě byla ověřena pomocí standardních kritérií, přičemž jednoduchá geometrie a zvolený způsob síťování vykazovaly vynikající kvalitativní parametry s maximální hodnotou asymetrie (skewness) pod 10−3 a ortogonalitou 1,0 v celé ploše. Jemná diskretizace u pevných ohraničení byla přímo podřízena zvolenému modelu turbulence, který pro správný výpočet vyžaduje detailní rozlišení mezní vrstvy.
Následná kontrola po výpočtu potvrdila, že hodnota y+ se na naprosté většině plochy spolehlivě nacházela pod hranicí 1 a pouze v konfiguracích s nejvyššími rychlostmi proudění se lokálně (např. u okna) dosahovala hodnot přesahujících tuto mez (maximálně y+ ≈ 1,6). Průměrné hodnoty všech povrchů se pohybovaly v nejsložitějších situacích v rozmezí 0,57–1,04 v závislosti na systému vytápění. Výpočetní síť tak prokázala svou vhodnost pro daný typ analýzy.
3. Výsledky simulace
Vytvořen byl soubor více než deseti různých konfigurací pro simulaci zahrnující převážně rozdílné parametry stěn, přičemž veškeré výpočty byly vytvářeny pro podlahové i stropní vytápění. Podrobně popsat všechny zkoumané případy by bylo nadmíru vyčerpávající, a proto jsou v této kapitole vyzdvihovány zejména vizuálně zajímavé části a související konfigurace jsou případně jen slovně doplněny. Detailně jsou pak popsány poslední nastavení, jež nejlépe reprezentují reálné podmínky místnosti zobrazené na Obr. 1 a popsané v kapitole Okno.
3.1 Symetrické stěny
Tento model ukazuje situaci, kdy je celá místnost svisle symetrická. To znamená, že levá i pravá stěna místnosti mají identickou tepelnou ztrátu.
Jak u stropního, tak u podlahového vytápění to znamená, že u stěn je vzduch ochlazován, což způsobuje jeho pád směrem k podlaze, odkud je přesměrován a pokračuje dál souběžně s podlahou až do středu místnosti. Zde na sebe natrefí proudy z obou stran a navzájem se vytlačí do jediného možného směru, tedy nahoru.
Zatímco u podlahového vytápění je tento fakt umocněn tím, že se vzduch při proudění kolem podlahy ohřál a získal tak opět předpoklad ke stoupání, u stropního systému je tato tendence zjevně menší. U stropu se totiž drží několik desítek centimetrů široká vrstva teplého vzduchu, která prouděním ve zbytku prostoru zůstává naprosto nedotčena a setrvává na tomto místě. Podlahové vytápění má naopak strop chladný, tudíž proud vzduchu logicky vystoupá až k němu, kde se znovu rozdělí na dva proudy zpět směrem ke stěnám podél jeho délky. Vzniknou tak dva symetrické víry v celé výšce místnosti, které poměrně účinně homogenizují teplotu vzduchu v celém prostoru a zároveň tak efektivně (byť nechtěně) přivádí teplo od podlahy k ochlazovaným konstrukcím.
Stropní vytápění takovouto rotaci vzduchu díky vrstvě u otopné plochy nedovolí. V rychlostním poli se vytvoří obrazec připomínající vodní fontánu, přičemž se proud také symetricky rozdělí, ovšem v tomto případě asi 50 cm pod stropem a zpět ke stěnám se vrací poměrně složitou „meandrovitou“ trajektorií.
Obr. 2 Obraz proudění (Stropní vytápění; Symetrické stěny)
Obr. 3 Obraz proudění (Podlahové vytápění; Symetrické stěny)
Teplotní pole v místnosti je s ohledem na příslušnou normu [2] pro hodnocení tepelní pohody naprosto vyhovující. Oba výsledky logicky v zásadě kopírují to, co lze pozorovat na obrazu proudění. U varianty se stropním vytápěním je tedy jasně patrná zmiňovaná vrstva teplého vzduchu v horní části místnosti. Do pobytové zóny ovšem nezasahuje. V této oblasti je teplota velmi vyrovnaná, přičemž jediné narušení této skutečnosti představují tenké pruhy chladnějšího vzduchu těsně u podlahy. Jedná se o vzduch, který je strhnut a ochlazen u stěn, ale zároveň není ohříván stropem ohřívanou podlahu. Rozdíl teplot však činí zanedbatelných 0,1–0,2 K.
Obr. 4 Teplotní pole (Stropní vytápění; Symetrické stěny)
U podlahového systému je velmi homogenní rozložení teplot díky výrazně intenzivnější konvekci umocněné umístěním teplého povrchu u země. Jediné zjevné místo s mírně odlišnou teplotou je střed místnosti, kde na sebe naráží ony dva proudy od stěn a vzduch tak zde dosahuje nejvyšší teploty. Opět se však jedná o zanedbatelný, respektive pro člověka nerozpoznatelný, teplotní gradient.
Obr. 5 Teplotní pole (Podlahové vytápění; Symetrické stěny)
3.2 Nesymetrické stěny (Příčka)
Tento model představuje situaci, kdy tepelná ztráta pravé stěny zůstává stejná jako v předchozím případě, ale levá stěna způsobuje jen zlomek tohoto tepelného toku. Levá strana je tedy v určitém smyslu lépe zateplená, respektive tak může být reprezentován případ, kdy tato stěna sousedí s nějakým nevytápěným prostorem, kterým může být třeba garáž. V posledním případě je pak tato plocha konfigurována tak, že odpovídá příčce, dělící zkoumaný prostor od například chodby s poměrně malým tepelným rozdílem.
Výsledkem je, co se intenzity týče, velmi podobné proudění vzduchu jako u symetrických stěn, avšak významně se mění vlastní obraz proudnic. Tím, že levá stěna není tak chladná, vzduch se v její blízkosti tolik neochladí, a tudíž nepadá s takovou rychlostí k podlaze. Na pravé straně ovšem zůstává intenzita stejná. Proudy z obou stran tedy již nekolidují uprostřed místnosti, ale narazí na sebe blíže levé stěně. Přesný bod, kde ke střetu dojde, je úměrný poměru tepelných ztrát obou stěn. Čím menší je tepelný tok přes levou stěnu, tím blíž se jí spojený stoupající proud přiblíží.
To v obou konfiguracích vytápění platí přibližně do poměru, kdy je teplená ztráta levé stěny poloviční (Obr. 6). S klesající ztrátou a vyšší povrchovou teplotou už je padající proud na této straně tak slabý, že ho proud z pravé strany přetlačí a směr proudění se otočí směrem vzhůru (Obr. 7).
Obr. 6 Obraz proudění (Podlahové vytápění; Levá stěna s poloviční ztrátou)
Obr. 7 Obraz proudění (Podlahové vytápění; Levá stěna odpovídá příčce)
V místnosti s podlahovým vytápěním se tak vytvoří místo dvou velkých vírů jediný, který obsáhne prakticky celý prostor. Vzduch nejdříve získá rychlost u nejchladnější pravé stěny, proudí kolem podlahy, kde se ohřeje, a u levé stěny začne stoupat. Následně se dostane ke stropu, kde se ještě víc ochladí a vrátí se zpět k pravé stěně.
Oproti tomu je u varianty se stropním vytápěním zřejmá menší intenzita proudění. Vzduch zde sice také postupuje podél podlahy až k levé stěně, kde se obrátí směrem vzhůru, nicméně i v tomto případě vzniká pevná vrstva teplého vzduchu u stropu, která zůstává bez pohybu. U levé stěny tudíž vzduch vystoupá opět přibližně 50 cm pod strop, kde se zastaví a v těsné blízkosti proudu mířícího doleva začne směřovat zpět k pravé stěně. Nad těmito dvěma hlavními proudy pak vzduch ve zbytku prostoru velmi pomalu a plynule postupuje rovněž k pravé straně. Tento obraz proudění poměrně přesně reprezentuje příklad rychlostního pole v případě s oknem (Obr. 8).
3.3 Okno
Poslední zde uváděný případ je konfigurace, kdy je na pravé straně umístěno okno a levá strana reprezentuje příčku dělící prostory s malým rozdílem teplot. Jedná se tak o model, který nejvíce odpovídá testovací kabině, jež je zmiňována jako reference, ale především toto nastavení koresponduje s typickou dispozicí většiny obydlí.
Zde se do velké míry opakuje jev z předchozí kapitoly 3.2, avšak s tím rozdílem, že okno má výrazně nižší povrchovou teplotu což se přímo projeví v rychlosti, jakou vzduch v této oblasti začne padat dolů. U podlahového vytápění je obraz proudění prakticky stejný jako v případě s příčkou (Obr. 7), nicméně tím, že intenzita proudu je větší, zasahuje proud, který vznikne v místnosti, více do rohů. Nejvíce pak do levého horního rohu. Tudíž vzniká vír, který rotuje po celém průřezu místnosti kopírující obvodové konstrukce.
Stropní vytápění i v tomto případě vytváří několikrát popsanou vrstvu nehybného vzduchu u stropu. Trajektorie proudu tedy postupuje paralelně s podlahou a levou stěnou, než se vzduch odrazí od vrstvy u stropu a pokračuje dál opět téměř paralelně s danou trajektorií, ovšem v opačném směru (Obr. 8). Vzduch ve zbylém prostoru má pro člověka nezaznamenatelnou rychlost, nicméně jednoznačný směr, a to pohyb k pravé stěně, kde je opět strhnut proudem převážně u okna.
Obr. 8 Obraz proudění (Stropní vytápění; Okno na pravé straně)
I v takovémto prostoru je teplotní pole velmi vyrovnané bez významných gradientů v obytné zóně v jakémkoliv směru. Zajímavé však je, že v obou případech proud u okna strhává vrstvu chladného vzduchu, který ale není v přímém kontaktu s podlahou. Ta je totiž taktéž ve všech případech teplejší než pravá stěna či okno, a i v případě stropního vytápění tak aspoň mírně kolem proudící vzduch ohřeje. Zmiňovaná vrstva ovšem v přímém kontaktu s podlahou není a je naopak od tohoto povrchu izolována. Tím těsně nad podlahou vzniká proud chladného vzduchu, jenž přivádí nižší teploty do obytné zóny ke kotníkům.
3.4 Konvektor
Jako reference vůči výše popsaným systémům velkoplošného sálavého vytápění má sloužit následující konfigurace. Ta pro pokrytí tepelné ztráty využívá velmi rozšířený konvektor. Konkrétně se jedná o konvektor uložený v podlaze ve žlabu o rozměrech 250 × 100 mm přímo pod oknem.
Konvektor, jak vyplívá z názvu, odevzdává teplo do prostoru převážně konvekcí, tedy prouděním. To je v maximálním kontrastu k předchozím variantám a převážně pak stropnímu vytápění. Konvekce hraje důležitou roli i u podlahového vytápění. Jelikož ale konvektor jako zdroj tepla pokrývá jen malou část plochy, je mnohem náročnější s takovým systémem zajistit rovnoměrně zajištěnou kvalitu prostředí v celém prostoru.
Obr. 9 Teplotní pole (Konvektor)
Konvektor vytvoří podobné výsledky jako ještě více rozšířená otopná tělesa. U konvektoru se vzduch ohřeje na přibližně 40 °C, čímž získá silnou tendenci stoupat. Zároveň se přímo nad ním u okna vzduch ochlazuje na teplotu až 18 °C a naopak začne padat k zemi. Tyto dva protiběžné proudy kolidují na úrovni spodní hrany okna, jak je vidět na teplotní mapě (Obr. 9). V tomto místě vzniká určitá oscilace, kdy se proudy trvale přetlačují, což významně ztěžuje simulaci ustáleného stavu. Trajektorie těchto proudů však nekončí tím, že by se smíchaly. Navzájem se odrazí dál do místnosti, avšak stále zůstávají oddělené. Až asi v jedné třetině šířky místnosti teplý vzduch přetlačí vzduch chladný a oba proudy směřují vzhůru, kde už se postupně mísí (Obr. 10). U stropu se proudění opět dělí. Jedna část směřuje zpět k oknu, druhá pokračuje podél stropu dál do prostoru. V místě, kde opět narazí na odražený teplý vzduch od konvektoru se proud znovu rozdělí na část, která směřuje ke stropu a rotuje v levé části místnosti a na díl, který spadne k podlaze, a nakonec ke konvektoru, kde se opět ohřeje a celý průběh se opakuje.
Obr. 10 Rychlostní pole (Konvektor)
3.5 Porovnání typů otopných systémů
Pro lepší pochopení přímého porovnání výsledků pro konfiguraci s oknem vpravo a příčkou vlevo jsou zde uvedeny některé hodnoty jako numerické porovnání, a nejen grafické zpracování, které může být mírně zavádějící.
Z tabulky 2 je vidět, že konvektor má nejchladnější povrchy, což odpovídá tomu, že se teplo do prostoru dostává prouděním. Výjimkou je pravá stěna, která je v přímém kontaktu se vzduchem stoupajícím od konvektoru. Naopak nejteplejší povrchy konstrukcí se vytvoří při vytápění stropem. Opět logické s ohledem na to, že stropní vytápění využívá pro přenos tepla hlavně sálání. V takto prázdné místnosti vzniká sálání výhradně mezi protilehlými plochami a primárně na podlahu, která má tudíž poměrně vysokou teplotu.
| Konstrukce | Podlahové vytápění | Stropní vytápění | Konvektor |
|---|---|---|---|
| Podlaha | 23,51 | 22,28 | 20,48 |
| Strop | 21,75 | 25,20 | 20,93 |
| Levá stěna | 21,99 | 22,52 | 21,03 |
| Pravá stěna | 21,12 | 21,71 | 23,70 |
| Okno | 17,84 | 17,84 | 17,26 |
Na následujících grafech (Obr. 11–13) je pak znázorněna rychlost proudění vzduchu napříč délkou místnosti v různých výškových úrovních. Ty odpovídají částem těla ve stoje či v sedě podle dané normy pro evaluaci komfortu [4].
Obr. 11 Rychlost proudění (Podlahové vytápění)
Obr. 12 Rychlost proudění (Stropní vytápění)
Obr. 13 Rychlost proudění (Vytápění konvektorem)
3.6 Vyhodnocení tepelného komfortu
Ke splnění komplexního zhodnocení mikroklimatu byly na základě vypočtených polí teploty vzduchu, střední radiační teploty a rychlosti proudění vyhodnoceny parametry tepelného komfortu napříč uvažovanými otopnými systémy v poslední konfiguraci v souladu s normou ČSN EN ISO 7730 [4]. Pro výpočet indexů PMV (Predicted Mean Vote) a PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) bylo nutné určit výchozí parametry. Vlhkost vzduchu je konstantní v celém prostoru na úrovni 40 %, tedy vzhledem k zimnímu období snížená, ale řízená hodnota a metabolický výdej na úrovni 1,2 met, což je míra odpovídající lehké sedavé činnosti reálná pro kancelář i domov [5].
Jako výchozí úroveň tepelné izolace oděvu v interiéru v zimním období se udává hodnota 1,0 clo. Různé výzkumy však ukazují, že ve skutečnosti je tato hodnota příliš vysoká a v praxi zimnímu oblečení v interiéru odpovídá úroveň maximálně 0,75 clo, což je také číslo, se kterým je výpočet prováděn [6, 7].
Z důvodu velkého množství uvažovaných variant a dosažených vizuálních výstupů jsou prostorově zprůměrované hodnoty z pobytové zóny sumarizovány v Tabulce 3. V této zóně byly vyhodnoceny průměrné hodnoty operativní teploty, střední radiační teploty, PMV, PPD a procenta nespokojených osob vlivem průvanu (DR – Draught Rate).
| Parametr komfortu | Podlahové vytápění | Stropní vytápění | Konvektor |
|---|---|---|---|
| Operativní teplota [°C] | 21,95 | 22,60 | 21,39 |
| Střední radiační teplota [°C] | 21,88 | 22,75 | 20,85 |
| Rychlost proudění [m/s] | 0,099 | 0,018 | 0,132 |
| PMV [–] | −0,495 | −0,111 | −0,849 |
| PPD [%] | 11,95 | 6,02 | 22,55 |
| Míra průvanu DR [%] | 5,28 | 0,54 | 7,90 |
Obr. 14 PMV – Podlahové vytápění
Obr. 15 PMV – Stropní vytápění
Obr. 16 PMV – Konvektor
Výsledky jasně ukazují odlišný vliv sálavé a konvekční složky. Nejvyrovnanějšího mikroklimatu dosahuje varianta se stropním vytápěním, která jako jediná bezpečně spadá do nejvyšší kategorie komfortu (kategorie A podle [4] s PPD < 6 %), vykazuje hodnotu PMV blížící se ideální nule a naprosto zanedbatelnou průměrnou hodnotu rizika průvanu. Podlahové vytápění, navzdory nižší průměrné operativní teplotě, udržuje prostředí v přijatelných normových mezích s mírným sklonem k chladnějšímu pocitu, nicméně stále splňující normové meze komfortního prostředí (−0,5 ≤ PMV ≤ 0,5). Počet potenciálně nespokojených je zde oproti stropnímu vytápění dvojnásobný, což je způsobeno primárně vyšší hybností vzduchu, jež v průměru celého prostoru je asi pětinásobná.
Konfigurace s konvektorem, u které dominuje přenos tepla konvekcí, vykazuje nejméně příznivé hodnoty. Ačkoliv byla vnitřní výpočtová teplota zadána shodně pro všechny systémy (22 °C), absence sálavé složky u konvektoru a s tím spojená nízká střední radiační teplota stlačuje operativní teplotu níže. Tento faktor, v kombinaci s nejvyšší průměrnou rychlostí proudění přes 0,1 m/s, vede k tomu, že takto vytápěná místnost bude vnímána jako spíše chladná a mírně nekomfortní (PMV = −0,85 a PPD překračující 22 %). Neznamená to však, že by s tímto systémem nebylo možné dosáhnout prostředí, které by uživatelům zajistilo tepelnou pohodu. Sníženou radiační teplotu by ale bylo nutné kompenzovat vyšší teplotou vzduchu.
Co se týče samotného rizika obtěžování průvanem, průměrné hodnoty v objemu jsou relativně nízké u všech systémů (Tab. 3). Nicméně, jak napovídají grafy rychlostí (Obr. 11–13), lokální maxima rizika průvanu se u podlahového vytápění a u konvektoru vyskytují v oblasti kotníků, a to vlivem chladného vzduchu strhávaného především povrchem okna, což může způsobovat výrazně větší lokální diskomfort navzdory vyhovujícím celkovým průměrným hodnotám [8].
4. Závěr
Prezentované výsledky vycházejí ze zjednodušeného 2D modelu. Je tedy nutné brát v potaz, že model není schopný zachytit jevy spojené s vlivem proudění v prostoru. Výsledky slouží hlavně výchozímu zobrazení a kvalitativnímu porovnání fyzikálních principů a rozdílů mezi jednotlivými soustavami.
Z výsledků simulace vyplývá, že v žádném z řešených případů není důvod pro reálnou obavu z diskomfortu způsobeného příliš velkým gradientem teplot vzduchu. Hlavní důvod této skutečnosti je, že zkoumaná místnost je mimořádně dobře izolována od vnějšího prostředí, což samo o sobě zásadně přispívá kvalitě vnitřního prostředí. Tento předpoklad byl potvrzen i dodatečným vyhodnocením indexů PMV a PPD, u kterých sálavé systémy (zejména stropní vytápění) bezpečně splnily nároky na komfortní mikroklima (PMV mezi −0,5 a +0,5). Naopak konvekční vytápění s absencí sálavé složky může bez adekvátního navýšení teploty vzduchu vést k pocitu mírného chladu.
Pozorování teploty vzduchu jako jediného měřítka tedy velké rozdíly neukázalo. Co se však ukazuje být poměrně významné je rychlost proudění, kterou jednotlivé varianty v místnosti vytvoří. Riziko obtěžování průvanem je podle normy [4] reálné až od rychlosti 0,05 m/s a dále v závislosti na teplotě vzduchu. Jak u stropního, tak u podlahového vytápění, je nejvyšší rychlost proudění u podlahy, respektive u kotníků. To by se v zásadě mohlo očekávat. Na první pohled ale může být překvapivé, že u kotníků je také nejnižší teplota. Teplota u kotníků totiž neodpovídá teplotě povrchu podlahy, ale rovině 0,1 m nad podlahou. Protože se od okna posouvá chladný vzduch napříč místností, drží se v této oblasti nižší teplota a zároveň vyšší rychlost.
Zatímco u stropního vytápění dosahuje tato rychlost hodnot maximálně do 0,08 m/s, přesahuje tato hranice u podlahového systému 0,22 m/s. V tom případě už by mohla nastat situace, kdy by průvan mohl být pociťován jako zdroj diskomfortu. Konfigurace s konvektorem obsahuje několik různě velkých vírů a tím i poměrně rozmanitý průběh rychlosti proudění na všech výškových úrovních, nicméně absolutní hodnoty se u kotníků v maximech shodují s případem podlahového vytápění.
Závěrem prezentace těchto průběžných výsledků lze konstatovat, že v dobře zateplených prostorech není volba typu vytápění zásadní z hlediska dosažení požadované teploty vzduchu v celém objemu místnosti. Významnější vliv má však zvolený systém na charakter proudění vzduchu a s tím související možnost vzniku lokálně zvýšených rychlostí proudění, které mohou být uživateli vnímány jako obtěžující průvan.
Poděkování
Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS26/010/OHK1/1T/11. Článek rozšiřuje příspěvek prezentovaný na „24. Letní škola TZB, Nové Hrady, 2026“ [9].
Vyjádření k recenzi
Recenzentovi děkujeme za konstruktivní připomínky. Je nesporné, že 2D model nemůže zachytit skutečné dění trojrozměrné reality. Naší snahou v této fázi výzkumu bylo provést primárně kvalitativní komparaci otopných systémů. Posun modelu na 3D je plánován, nicméně v tento moment je s takto detailním rozlišením mezní vrstvy i prostoru naprosto mimo výpočetní i časovou kapacitu.
Nejasnosti v metodice byly doplněny detailním popisem modelu, jež byl ve výchozí verzi omezen pro lepší stravitelnost textu širším publikem. Stejně tak byl článek doplněn o aspoň stručné vyhodnocení parametrů tepelného komfortu.
Pochybením pak bylo použití jednotné emisivity povrchů, což je parametr, který lze rozporovat. Jsme však přesvědčeni, že odchylka několika procentních bodů by se do výsledků propsala jen zanedbatelně. Test nezávislosti na výpočetní síti nebyl vzhledem k cíli práce a časové dotaci proveden, avšak i zde věříme, že by nevykázal citelnou odchylku s ohledem na už tak velmi jemnou síť vůči vnějším rozměrům.
Literatura
- ČSN EN ISO 6946 Stavební prvky a stavební konstrukce – Tepelný odpor a součinitel prostupu tepla – Výpočtová metoda. Praha: Český normalizační institut, 1998.
- Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, „Hodnoty emisivity běžných materiálů,“ [Online].
https://www.fbi.vsb.cz/export/sites/fbi/030/.content/galerie-souboru/studijni-materialy/TechnickaMereni/5_EmisivitaBeznychMaterialu.pdf. - MENTER, F. R. Improved Two-Equation k-ω Turbulence Models for Aerodynamic Flows. NASA Technical Memorandum 103975, NASA Ames Research Center, 1992.
- ČSN EN ISO 7730 Ergonomie tepelného prostředí: analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kritéria místního tepelného komfortu = Ergonomics of the thermal environment - Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria. Praha: Český normalizační institut, [2006].
- ČSN EN ISO 8996 Ergonomie tepelného prostředí – Určování metabolismu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2022.
- Lionar, R., Wang, L., Parkinson, T., Kim, J., & De Dear, R. (2026). Development of a predictive indoor clothing insulation model for Sydney. Architectural Science Review, 1–18. https://doi.org/10.1080/00038628.2026.2695219
- Kramer, T., Lyu, J., & Schiavon, S. (2026). Ankle draft risk model under winter clothing conditions. Building and Environment, 305, https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2026.115108
- Larsson, U., & Moshfegh, B. (2002). Experimental investigation of downdraught from well-insulated windows. Building and Environment, 37(11), 1073–1082. https://doi.org/10.1016/s0360-1323(01)00110-x
- T. Prajzler, D. Adamovský. CFD simulace vnitřního prostředí místnosti při použití nízkoteplotních otopných systémů. 24. letní škola TZB – Pas pro renovaci budov: 63–73. 2026.
The article deals with CFD simulation of a room's indoor environment when using different low-temperature heating systems. The presented results are based on a simplified 2D model. The aim of the work is to analyze the impact of different heating methods on the resulting temperature field, airflow patterns, and thermal comfort parameters (PMV, PPD, and draft risk) in the occupied zone. Numerical simulations were carried out in ANSYS Fluent for several room configurations with different thermal properties of the building envelope and various types of heating systems. The model results suggest that in well-insulated spaces, there may not be dramatic differences in air temperature distribution, although the 3D real-world space can be expected to show slightly different temperature distribution development. However, the airflow patterns and local air speeds vary significantly depending on the heating system.