Sálavé vytápění infračervenými zářiči a jeho navrhování

Při výběru vhodného způsobu vytápění hledáme řešení, která jsou účinná, rychle reagují, snadno se obsluhují a řídí. Neměla by být však ani drahá, rovněž jako jejich montáž či regulace. Sálavé vytápění, popsané níže, všechny tyto požadavky splňuje.

Jde o nejpřirozenější způsob zajištění tepla a správné teploty v budovách, přesněji řečeno, člověk to ze své podstaty tak vnímá. Sálavé vytápění pomocí infračervených zářičů (dále také IČ zářiče) je založeno na stejném principu, který od nepaměti funguje v přírodě a který dal vzniknout i člověku. Je jím sálavý ohřev Země Sluncem, který lze popsat ve čtyřech bodech:

1. horký zdroj tepla – Slunce o teplotě ca 5 500 °C – ohřívá povrch Země,
2. ohřátý povrch Země, včetně povrchu staveb, sálá teplo proti obloze,
3. sálání ze zemského povrchu vytvoří příznivé prostorové tepelné záření,
4. od povrchu Země a prostorového tepelného záření se ohřívá vzduch.

Princip sálavého vytápění infračervenými zářiči

Sálavé vytápění s infračervenými zářiči pracuje kvalitativně stejně. Přibližme si to na příkladu quartzových zářičů, kterým se v tomto příspěvku věnujeme:

1. horký zdroj – quartzový infrazářič o teplotě cca 2 200 °C – ohřívá povrchy místnosti, včetně osob,
2. zářičem ohřáté povrchy (stěny, strop, podlaha, nábytek apod.) sálají teplo do místnosti,
3. sálání stěn vytvoří prostorové tepelné záření o požadované teplotě (cca 20 °C),
4. od stěn a prostorového tepelného záření se ohřívá vzduch.

Horký zářivý zdroj je v obou případech zdánlivě malý, tzn., že na obloze, resp. v místnosti, zaujímá malou plochu. Musí proto být dostatečně horký, aby odvedl očekávanou službu; v případě infrazářičů to znamená udržet teplotu v místnosti na požadované úrovni cca 20 °C, a to i v případě výjimečně tuhé zimy.

Správný návrh sálavého vytápění v místnosti by měl obsahovat jedno nebo více sálavých zdrojů umístěných tak, aby svým sáláním pokrývaly co největší plochu místnosti – podlahu, strop, stěny i nábytek. Tyto plochy jsou pak velkoplošným zdrojem tepla, vytvářející správnou teplotu prostorového tepelného záření, které má rozhodující vliv na pocit tepelné pohody. Z důvodů předcházení zbytečným ztrátám tepla je vhodné vyhýbat se osálávání zvenku silněji ochlazovaných konstrukcí, např. oken.

Trocha teorie týkající se navrhování

Je vhodné vstřebat myšlenku, že tepelné záření není produktem hmoty a jejího „sálání” (např. od stěn), ale pouze a jen produktem teploty. Když psal Planck teorii záření černého tělesa, nemyslel záření opouštějící těleso, ale hustotu záření v černém tělese, což byla dutina ve hmotě. Hmota dodává dutině jen teplotu, nikoliv záření. Planck tuto hustotu počítal na základě představy, že elektromagnetické záření v dutině tvoří stojaté vlny, které se z principu nemění s obklopující hmotou energie. Přidal ještě podmínku, že se energie fotonů v dutině mění po celistvých kvantech. Výsledkem je teorie, která dodnes udivuje shodou s pozorovanou zkušeností. Každou hmotu si pak lze představit jako porézní materiál, nasáklý tepelným zářením právě v takové míře, jak to odpovídá jeho teplotě.

Snadné navrhování vytápění s IČ zářiči

Návrh vytápění, které je založeno na sálaní (tepelném záření), má jednoduchý princip. Vychází z toho, že tepelné záření má všude v místnosti stejnou teplotu, což pro teplotu vzduchu neplatí. A z toho, že v objemných prostorech typu místnost nebo venkovní prostředí je tepelné záření dominujícím teplosměnným médiem.

a) Pro vytápěnou místnost vybereme jeden či více infrazářičů tak, aby jejich celkový maximální tepelný výkon pokryl potřebu tepla i v extrémních mrazech.

b) Infrazářiče orientujeme tak, aby jejich sálavý úhel pokryl co největší plochu místnosti – stěny, podlahu, strop, nábytek apod.

c) Infrazářiče prvotně ohřívají stěny, strop a podlahu a s tím zároveň roste teplota prostorového tepelného záření. Až následně se ohřívá vzduch v místnosti.

Nejrychlejší a nejúčinnější vytápění

Automatické řízení a regulace provozu infrazářičů udržuje v místnostech stabilní teplotu podle nastaveného provozního režimu. V přítomnosti osob může uživatel provoz infrazářičů řídit přímo. Největší výhodou vytápění infrazářiči je jejich okamžitá topná akce:

a) Start infrazářičů, včetně quartzových, je otázkou vteřin. Přítomné osoby sálaní infrazářičů – zejména v chladné místnosti – ihned zaregistrují.

b) Infrazářič sálá na stěny, podlahu, strop a nábytek a ty zakrátko ohřeje. Ohřáté plochy generují prostorové tepelné záření, jehož teplota t_S je daná (dostatečně přesně) teplotním průměrem t₁, t₂, ... t_N všech ploch, které obklopují místnost, váženým podle velikosti jejich ploch S₁, S₂, ... S_N:

Pro návrh většinou stačí provést výpočet pro prázdnou místnost, kdy zářič sálá na strop, stěny a podlahu. Nábytkové vybavení efekt sálavého vytápění pak většinou zlepší (není-li zářič zarovnán nábytkem apod.).

c) Ohřátí povrchů stěn a stropu lze urychlit termoizolačním obkladem na jejich vnitřní straně nebo termoizolační podlahovou krytinou na podlaze. Toto opatření zpomalí akumulací tepla do těžkých stěn, stropu a podlahy z betonu, cihel apod.

d) Je-li součinitel prostupu tepla stěnou na úrovni normového požadavku U = 0,38 W/(m²K), pak při teplotě vnitřního povrchu osálané stěny t₁ a při venkovní teplotě t_E = –15 °C uniká zdí ztrátový tok tepla o intenzitě I ve W/m²:

Stejný tok tepla pak proudí do stěny od infrazářiče a prostorového tepelného záření. Příspěvek infrazářiče se odvíjí od jeho výkonu (z něhož část pokrývá ztráta naší stěny), zatímco příspěvek sdílení tepla stěny s prostorovým tepelným zářením o teplotě t_SP je dán Stefanovým – Boltzmannovým zákonem:

kde σ = 5,67×10^–8 W/(m²K⁴) je Stefanova-Boltzmannova konstanta.

Mnohoparametrický výpočet, do něhož započítáme vedle výkonu zářičů také prostorové záření a všechny stěny, podlahu a strop, je sice algebraicky podobně náročný, jako normový výpočet reprezentovaný prouděním vzduchu na základě podobnostních čísel, ale je daleko výstižnější a přesnější.

Tepelná pohoda a co to vlastně je

Definice říká, že pocit pohody nastává právě tehdy, když je součet teploty stěn a teploty vzduchu rovný cca 42 °C. Na této definici je záhadou, jak člověk může vnímat povrchovou teplotu stěn na dálku.

Člověk ve skutečnosti vnímá sálání stěn. Přesněji, vnímá teplotu prostorového sálání, které vzniká jako důsledek teplot obklopujících stěn. Prostorové sálání si nepředstavujeme jako paprsky, které na nás dopadají, ale jako energii, v níž jsme ponořeni. Tak, jako když jsme ponořeni ve vodě, místo pod sprchou.

Člověk vnímá tepelné záření intenzivněji, než teplotu vzduchu. Proto se cítíme dobře i při teplotě vzduchu 17 °C, ale s teplotou sálání 20 °C! S tímto efektem pracujeme při návrhu sálavého vytápění s infračervenými zářiči. V místnosti se sálavým vytápěním cítíme i intenzivní větrání mnohem méně.

Regulace vytápění infračervenými zářiči

Přední česká společnost Able Electric, spol. s r.o. z Liberce se v oblasti sálavých topidel pro domovní i průmyslová použití specializuje na výrobkové značky TANSUN (tradiční výrobce topidel z Velké Británie), BURDA (výrobce moderních topidel z Německa), SMARTHEATER (moderní topidla vnitřní i vnější), HEATSCOPE (výrobce luxusních topidel z Německa a WARMWATCHER (mobilní designová topidla z Číny).

Všechna sálavá topidla uvedených značek jsou dodávána s regulační technikou, která ovládá a řídí více topidel tak, aby byla v dané místnosti stabilní teplota prostorového tepelného záření na požadované úrovni. Na tuto teplotu se po čase dorovná i vzduch. Výjimkou jsou silně provětrávané prostory, kde sálavá topidla však udrží vhodnou teplotu prostorového sálání. U venkovních aplikacích nás sálavá topidla ohřívají přímo.

Výhody Quartzových topidel

SNADNÁ INSTALACE, PROVOZ A ÚDRŽBA

• Mohou být velmi rychle nainstalována bez omezení nebo narušení provozu. Instalace je jednoduchá, nevyžaduje speciální nástroje nebo znalosti. Podle potřeby lze vytápění kdykoliv rozšířit nebo přemístit bez zvláštních nákladů.
• Obsluha je jednoduchá a nevyžaduje zvláštní znalosti, kvalifikaci nebo školení.
• Vyžadují minimální údržbu.

VYSOKÁ EFEKTIVITA

• Poskytují okamžité a přímé teplo, bez nutnosti předehřívání.
• Teplo lze zaměřit, jsou ohříváni pouze lidé nebo objekty a ne vzduch mezi nimi. Není třeba vyhřívat prostory, které nepotřebujete.

NEJÚSPORNĚJŠÍ INFRA VYTÁPĚNÍ

• Provoz je velmi ekonomický. Prakticky veškerá elektrická energie je přeměněna na využitelné teplo a nedochází ke ztrátám. Díky tomu lze v porovnání s jinými druhy vytápění dosáhnout až 80 % úspor.

Závěr

Sálavé zářiče, včetně quartzových, si z mnoha důvodů zaslouží pozornost. Je to ryze přírodní, nekomplikovaný, rychlý a velmi účinný způsob, jak sálavým vytápěním realizovat teplo domova. Tradiční cesty, které pod pojmem teplo rozumí jen teplý vzduch, nabízejí jen komplikované řešení s malou účinností.