Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Parametry ovlivňující návrh sálavého chlazení v průmyslové hale

Ing. Ondřej Hojer, Ph.D., KOTRBATÝ V.M.Z. spol. s r.o.

Recenzovaný

Výška místnosti a riziko kondenzace ovlivňují výkon sálavého chlazení. Pro volně zavěšené sálavé panely jsou stanoveny korekční faktory v závislosti na výšce a teplotním gradientu vzduchu. Při výšce 14 m a gradientu 0,5 K/m vychází celkový chladicí výkon až o 40 % vyšší než tabulkový.

Ilustrační obrázek - chlazení místnosti pro zpracování potravin

Úvod

Článek popisuje jednotlivé aspekty návrhu sálavého chlazení pro průmyslové objekty. Zaměřuje se zejména na volně zavěšené sálavé panely podle EN 14037-1. V úvodu je rešerše trhu v České republice, dále jsou zmíněny jednotlivé parametry ovlivňující chladicí výkon jako výška místnosti nebo riziko kondenzace a na závěr jsou navrženy na základě vlastního matematicko-fyzikálního modelu korekční faktory pro vyšší výšky zavěšení v závislosti na výškovém teplotním gradientu vzduchu. Například při instalaci panelů do výšky 14 m je při výškovém teplotním gradientu 0,5 K/m možné do návrhu uvažovat celkový chladicí výkon až o 40 % vyšší než tabulkový.

Výrobky pro vodní sálavé chlazení by se daly rozdělit z hlediska umístění do následujících kategorií:

podomítkové (stropní i stěnové integrované otopné / chladicí plochy),
podhledové (kazety),
volně zavěšené (sálavé panely).

V průmyslových objektech se používají sálavé panely volně zavěšené a zatím téměř výhradně pouze na vytápění. Hlavními důvody jsou:

absence zdroje chladu a náklady na jeho vybudování,
malé povědomí o možnosti kombinace vytápění / chlazení,
nižší chladicí výkon než vzduchotechnická zařízení,
komplikovanější návrh přepínání zdrojů tepla a chladu.

I díky těmto důvodům je trh sálavého průmyslového chlazení stále relativně malý, a proto se výrobcům nevyplatí vyvíjet samostatný chladicí sálavý panel. Na druhou stranu stále je to dostatečně zajímavý segment, aby se vyplatilo si standardní výrobek optimalizovaný pro vytápění nechat proměřit i v režimu chlazení.

Základní pojmy

Pracovní rozdíl teplot

Pracovní rozdíl teplot Δt [K] je rozdíl mezi návrhovou teplotou v prostoru a průměrnou teplotou teplonosné látky.

(1)

Teplota rosného bodu

Teplota rosného bodu je teplota, při které je vzduch maximálně nasycen vodními parami (relativní vlhkost vzduchu dosáhne 100 %). Pokud teplota klesne pod tento bod, nastává kondenzace.

Výškový teplotní gradient

V případě, že není vzduch v místnosti dokonale promícháván, dochází v místnosti ke stratifikaci teploty vzduchu s výškou. Jinými slovy teplý vzduch je lehčí, než studený a stoupá vzhůru. Výsledkem je, že teplota vzduchu v místnosti stoupá se stoupající výškou objektu. Toto je velmi důležité právě u velkoprostorových objektů, a i v režimu chlazení. Průměrný teplotní nárůst na jeden metr výšky se nazývá výškový teplotní gradient g.

Riziko kondenzace

Stropní sálavé chlazení ve velkoprostorových objektech není možné použít v prostorách, kde je v potenciálním prostoru umístění chladicí plochy vysoká relativní vlhkost. Vlhký vzduch je lehčí než suchý o stejné teplotě, stoupá vzhůru a jeho nejvyšší koncentrace se tedy předpokládá pod stropem místnosti. Na druhou stranu to není možné zcela zobecnit, protože u velkoprostorových objektů je často možné udělat opatření, aby v okolí instalace chladicí plochy byla relativní vlhkost co nejnižší (odsávání, umístění chladicí plochy mimo zdroje vlhkosti, …). Limitujícím faktorem je teplota rosného bodu.

V praxi se tomu předchází umístěním čidla rosného bodu na nejchladnější místo v místnosti, tedy na přívodní potrubí před panely. Je velmi důležité, aby umístění tohoto čidla co nejlépe reprezentovalo umístění chladicí plochy, včetně zvážení umístění všech zdrojů vlhkosti. Tímto čidlem je pak možné ovládat bezpečnostní uzavření směšovacího nebo zónového ventilu daného okruhu. Čidlo nesmí být ničím zakryté, nebo schované v podhledu, protože by neplnilo svou funkci.

Chladicí výkon

Chladicí výkony pro různé teploty chladicí látky uvádějí výrobci a není problém je získat. Jak ukazuje tab. 1, dosahované výkony jsou přibližně shodné bez ohledu na typu výrobku. Výkony většiny výrobků vyskytujících se na českém trhu (kromě AVL 900) se pohybují v rozmezí +/- 4 % od průměru. V tab. 1 jsou uvedeny sálavé panely šířky 900 mm, neboť se jedná o standardní šířku, kterou nabízí všichni výrobci. Vzhledem k tomu, že se na trhu objevují šířky různé, byl proveden rozbor všech výkonů a pro zobecnění byl vztažen k jednomu metru čtverečnímu chladicí plochy. Současně byla provedena kontrola závislosti výkonu na pracovním rozdílu teplot a při těchto malých rozdílech teplot bylo konstatováno, že závislost je přibližně lineární. Odtud bylo možné stanovit pouze jednu hodnotu, která s dostatečnou přesností reprezentuje chladicí výkony většiny výrobců, kteří volně zavěšené sálavé panely nabízejí. Měrný chladicí výkon vychází přibližně q_{chl,přibližný} = 9 W/(m².K).

Tab. 1 Srovnání chladicích výkonů sálavých panelů výrobců vyskytujících se na českém trhu
Pracovní rozdíl teplot Δ`t` [K]	Kotrbatý [5]	Eutherm [6]		Zehnder [7]	Sabiana [8]
Pracovní rozdíl teplot Δ`t` [K]	KSP 900 [W/m]	AVL 900 [W/m]	AVH 900 [W/m]	ZBN 900 [W/m]	DS3 900 [W/m]
6	47	41	52	52	49
8	64	57	70	70	66
10	82	75	90	88	84
12	100	91	109	109	102
14	118	106	129	130	120

Příklad

Jaký přibližný chladicí výkon bychom mohli získat při použití volně zavěšených sálavých panelů v místnosti rozměrech 30 × 12 m? V podmínkách ČR není možné do sálavé chladicí plochy pustit nižní teplotu vody než t_w1 = 16 °C. Současně je třeba držet i nízkou teplotu zpátečky, abychom získali co nejvyšší chladicí výkon. Pro první návrh vezměme např. t_w2 = 20 °C. S teplotou zpátečky je třeba být opatrný, protože definuje rychlost proudění a tedy i tlakové ztráty. Čím je systém komplikovanější, sálavé pásy delší, volíme větší rozdíl mezi teplotu přívodu a zpátečky. Vnitřní návrhová teplota je většinou dána t_i = 26 °C, takže pracovní rozdíl teplot vychází Δt = 26 − (20 + 16) / 2 = 8 K. A na závěr odhadneme pokrytí plochy stropu panely (v detailnější návrhu se následně upřesňuje). Zde vezměme např. 50 % plochy stropu, vychází S = 180 m². Celkový chladicí výkon pak vychází

Q_chl = q_{chl,přibližné} ∙ S ∙ ∆t = 9 ∙ 180 ∙ 8 = 12,96 kW (2)

Tabulkový výkon

V tab. 2 jsou zobrazeny základní výkony jednoho z výrobců, které jsou, podle tab. 1, spíše konzervativní. Samozřejmě při navrhování je nejlépe vycházet z podkladů konkrétního výrobce.

Tab. 2 Chladicí výkony v závislosti na šířce panelu a pracovním rozdílu teplot [5]
Δ`t` [K]	Šířka panelu [mm]
Δ`t` [K]	300	450	600	750	900	1050	1200	1350	1500
5	10	17	23	31	38	47	56	65	75
6	13	20	29	37	47	57	68	79	91
7	15	24	34	44	55	67	80	94	108
8	17	28	39	51	64	78	93	108	125
9	20	32	44	58	73	89	105	123	142
10	22	35	50	65	82	99	118	138	159
11	25	39	55	72	91	110	131	153	176
12	27	43	61	79	100	121	144	168	194
13	29	47	66	87	109	132	157	183	211
14	32	51	72	94	118	143	170	199	229
15	34	55	77	101	127	154	184	214	247

Odebrání vrchní izolace

Důležitou součástí každého sálavého panelu je jeho vrchní izolace. Její kvalita určuje, jaká bude ve výsledku sálavá účinnost, a tedy i spotřeba tepla. U volně zavěšených panelů v režimu chlazení je však tato izolace spíše překážkou. Vrchní povrch totiž může přispět a zvýšit celkový výkon. Navýšení výkonu se pohybuje kolem nezanedbatelných 20 % [7]. To je možné zohlednit při návrhu v případě, že se uvažuje, že panely budou použity pouze pro chlazení. Většina výrobců bez problémů dodává panely bez izolace.

Nárůst výkonu s výškou zavěšení

Další aspekt, který je možné zohlednit při návrhu je zvýšení výkonu s výškou. Chladicí výkon výrobců totiž vychází z měření v uzavřeně komoře 4 × 4 × 4 m, kde po ustálení nejsou velké rozdíly teploty vzduchu po výšce místnosti, ovšem v reálných vyšších objektech je situace odlišná. Teplý vzduch stoupá pod střechu a v případě, že není odváděn v adekvátním množství, vytváří se teplý polštář. Sálavý panel umístěný v této výšce pak má výrazně vyšší výkon konvekcí než v případě, kdy bychom tento efekt nezahrnuli. Pro zmapování tohoto efektu byl vytvořen jednoduchý matematicko-fyzikální model sálavého panelu, který byl validován (s průměrnou odchylkou 6 %) pro výšku 4 m naměřenými daty jednoho z výrobců [5]. Pro různé výškové teplotní gradienty je v obr. 1 zobrazen nárůst výkonu pro panel šířky 1200 mm.

Obr. 1 Závislost celkového chladicího výkonu volně zavěšeného panelu o šířce 1200 mm na výšce zavěšení pro různé výškové teplotní gradienty g

Stejná analýza, která je znázorněna na obr. 1, byla provedena pro panely všech používaných šířek a zprůměrováním získaných dat vyšly přirážkové faktory zobrazené v tabulce 3. Tato přirážka by se měla aplikovat prostým vynásobením celkového tabulkového výkonu od výrobce faktorem pro danou výšku a daný výškový teplotní gradient.

Tab. 3 Přirážka `f`_chl k návrhovému chladicímu výkonu v případě vyšší výšky zavěšení a určitého výškového teplotního gradientu `g`
Výškový teplotní gradient		Výška zavěšení
Výškový teplotní gradient		4 m	6 m	8 m	10 m	12 m	14 m
`g` = 0,3 K/m	`f`_chl0,3	1,00	1,05	1,10	1,15	1,20	1,25
`g` = 0,5 K/m	`f`_chl0,5	1,00	1,08	1,16	1,24	1,32	1,40

Návrh sálavé chladicí plochy

U tohoto druhu chlazení se v průmyslových objektech vzhledem k technickým možnostem nedá hovořit o návrhu dle standardní metodiky, tedy začít stanovením tepelné zátěže [6]. Většina běžně užívaných technologií má tak velké zisky, že i v případě, že vnější tepelné zisky jsou minimální, tak málokdy se stane, že by návrh pouze sálavých panelů a pouze pro režim chlazení dával ekonomicky rozumné výsledky. Je ovšem možné si sálavými panely významně pomoci. Odhad dosažitelného výkonu lze provést podle příkladu v úvodu. Při návrhu se postupuje obdobně jako při návrhu sálavého vytápění. Návrh zahrnuje:

rozmístění a zapojení sálavých panelů [1],
výpočet dostupného chladicího výkonu (kapitola chladicí výkon [5], [6], [7], [8], pokud nepostupujeme podle [2]),
návrh potrubí od zdroje chladu, přepínání teplo / chlad [3], [4],
návrh zdroje chladu.

Kombinace sálavého chlazení a větrání

Stejně jako v případě sálavého vytápění, tak i v případě sálavého chlazení je možné společným návrhem s větráním ušetřit značné množství energie. Při sálavém chlazení je střední radiační teplota nižší než návrhová operativní teplota, naopak teplota vzduchu může být vyšší. Proto je možné při návrhu větrání ušetřit určité množství energie v souvislosti s chlazením přiváděného vzduchu.

Závěr

Se stoupajícími nároky na pracovní prostředí i v letním období se zvyšuje tlak na energeticky efektivní řešení. Tento požadavek se stále více objevuje i v průmyslu. Ne vždy je ovšem nutné hledat řešení v komfortní klimatizaci, mnohdy je možné využít i již stávající instalované technologie, jakými mohou být například volně zavěšené sálavé panely. Stejně tak již při ekonomické rozvaze nové investice je možné do argumentů pro sálavé panely zařadit i aspekt, že při vhodném návrhu mohou poskytnout i funkci chlazení. V článku jsou popsána základní doporučení pro návrh sálavého chlazení do průmyslových hal a jsou zdůrazněna jednotlivá specifika, na která je třeba se zaměřit. Z rozboru vlivu výšky zavěšení na celkový výkon panelů vychází, že při běžných výškových teplotních gradientech vzduchu je možné reálně počítat až se 40% navýšením chladicího výkonu (u 14m haly).

Literatura

KOTRBATÝ M.: Vytápění průmyslových a velkoprostorových objektů (IV). Rozmisťování a zapojování sálavých panelů. Portál tzb-info.cz, publikováno 17. 04. 2006 Dostupné z:
https://vytapeni.tzb-info.cz/vytapeni-prumyslovych-hal-a-velkych-objektu/3223-vytapeni-prumyslovych-a-velkoprostorovych-objektu-iv.
ZMRHAL, V., DRKAL, F., LAIN, M., MAREŠ, L. Stanovení vnitřní tepelné zátěže průmyslových hal. In Vytápění, větrání, instalace, ročník 18, č. 2, s. 61–64. ISSN 1210-1389, 2009.
ZMRHAL V. Sálavé chladicí systémy (I). Portál tzb-info.cz, publikováno 1. 5. 2006. Dostupné z:
https://vetrani.tzb-info.cz/klimatizace-a-chlazeni/3251-salave-chladici-systemy-i.
ZMRHAL V. Sálavé chladicí systémy (II). Portál tzb-info.cz, publikováno 15.5.2006. Dostupné z:
https://www.tzb-info.cz/3284-salave-chladici-systemy-ii.
Kotrbatý. Kotrbatý KSP cool – Sálavé panely pro chlazení. Výkony. Interní firemní publikace. 2014
4heat. Eutherm – Stropní sálavé teplovodní panely. Návod k používání a údržbě pro projekci, uživatele a montážní techniky. Firemní katalog, Version 0714.
Zehnder. Zehnder ZBN – Stropní systém pro vytápění a chlazení – Plánovací podklad. Firemní katalog, ZCZ-RHC-ZBN-PU-BR, V0910, CZ.
Hydronic system. Sálavé panely. Vytápění / Chlazení. Firemní katalog, 12/2010.

English Synopsis

Parameters influencing the design of radiant cooling in an industrial hall

Room height and the risk of condensation affect radiant cooling performance. Correction factors are determined for freely suspended radiant panels depending on the height and temperature gradient of the air. At a height of 14 m and a gradient of 0.5 K / m, the total cooling capacity is up to 40% higher than the table.