Tepelnotechnické správanie panelových vykurovacích telies
Panelové vykurovacie telesá patria v súčasnosti medzi najrozšírenejší druh vykurovacích telies používaných vo vykurovacích sústavách. Ich výhody spočívajú v jednoduchosti konštrukcie z pohľadu riešenia prestupnej plochy a malého vodného objemu, ktorý umožňuje rýchlu odozvu na regulačný zásah. Poskytujú širokú škálu možností pripojenia vykurovacieho telesa na vykurovaciu sústavu. Rozličné spôsoby vyhotovenia dvojbodového napojenia pri panelových vykurovacích telesách však prinášajú iné výsledné rozloženie povrchových teplôt.
Klasické vyhotovenie
Takéto vyhotovenie umožňuje bočné dvojbodové napojenie vykurovacieho telesa, a to buď ľavé, alebo pravé, alebo ich vzájomnú kombináciu (obr. 1); vcelku ide teda o šesť rozličných spôsobov napojenia vykurovacieho telesa na vykurovaciu sústavu. Súčasťou tohto vyhotovenia nie je žiadna ďalšia armatúra či nákrutka, preto vykurovacie telesá vykazujú pomerne nízku tlakovú stratu.
Kompaktné vyhotovenie s integrovaným ventilom
Tento spôsob využíva spodné dvojbodové napojenie vykurovacieho telesa, a to buď ľavé, alebo pravé, alebo stredové (obr. 2). Napojenie vykurovacieho telesa s tzv. prepojovacou garnitúrou je spodné pravé, ľavé alebo stredové. Prepojovacia garnitúra je časť pripojovacieho potrubia zlúčená s telesom tak, aby nenarúšala výsledný vzhľad vykurovacieho telesa. Z pohľadu spôsobu hydraulického napojenia vykurovacieho telesa ide o jednostranné napojenie zhora nadol (obr. 1), keďže prepojovacia garnitúra privádza vykurovaciu vodu do hornej rozvodnej komory a z dolnej zbernej komory vykurovacieho telesa na tej istej strane ju zasa odvádza.
Výrobcovia vykurovacích telies uvádzajú rozličné modifikácie, napríklad vyhotovenie VKL, ktoré sa konštrukčne zhoduje s vyhotovením VK – odlišuje sa len umiestnením prepojovacej garnitúry vľavo. Vyhotovenie VKM má prepojovaciu garnitúru umiestnenú uprostred, a to v rozličných kombináciách dvojbodového napojenia (obr. 4).
Obr. 1: Možnosti dvojbodového napojenia vykurovacích telies vo vyhotovení KLASIK
Obr. 2: Možnosti dvojbodového napojenia vykurovacích telies vo vyhotovení VK
Osobitný prípad predstavuje tzv. univerzálna prepojovacia garnitúra pri vyhotovení VKU, ktorá umožňuje napojenie v podobe všetkých možných kombinácií nielen klasického bočného napojenia, ale aj spodného ľavého alebo pravého. Treba však pripomenúť, že niektorí výrobcovia vykurovacích telies ponúkajú pod názvom VKU vykurovacie teleso vo vyhotovení VK bez navarených príchytiek na zadnej strane vykurovacieho telesa. To umožňuje vykurovacie teleso otočiť o 180° a inštalovať ho ako VKL (t. j. so spodným ľavým napojením).
Všetky panelové vykurovacie telesá s kompaktným vyhotovením majú integrovaný termostatický ventil alebo ventilovú vložku (TRV) – na ne možno osadiť termostatickú hlavicu. Vzhľadom na tvar a konštrukčné riešenie má integrovaný TRV (ventilová vložka) odlišné vlastnosti ako klasické TRV. Pri hydraulickom návrhu vykurovacieho telesa je preto nevyhnutné brať do úvahy tlakovú stratu vykurovacieho telesa, ventilovej vložky a prepojovacej garnitúry ako jedného neoddeliteľného celku.
Kompaktné, hydraulicky centrované vyhotovenie
Tento typ predstavuje spodné dvojbodové stredové napojenie vykurovacieho telesa
(obr. 4c). Ide o ďalšiu modifikáciu kompaktného vyhotovenia, v tomto prípade s otvormi na prívod a odvod vykurovacej vody umiestnenými uprostred hornej rozvodnej a dolnej zbernej komory. Ďalej sa líšia aj spôsobom inštalácie integrovaného termostatického ventilu – TRV sa umiestňuje samostatne pod vykurovacie teleso. Pripojovacia armatúra má pri týchto telesách funkciu nielen klasického termostatického ventilu, ale aj nákrutky vykurovacieho telesa (obr. 3) a inštaluje sa uprostred pod vykurovacím telesom na prívodnej a vratnej vetve vykurovacej sústavy.
Obr. 3: Pripojovacia armatúra typu VHS s integrovaným TRV a uzatvárateľným skrutkovaním
Pri všetkých panelových vykurovacích telesách so spodným, hydraulicky stredovým napojením možno napojiť telesa klasickým dvojbodovým spôsobom (jednostranne zhora nadol a podobne). Preto sa študovali rozdiely v natekaní vykurovacej vody pri rozličných spôsoboch napojenia panelových vykurovacích telies a tiež vplyv tejto skutočnosti na rozloženie povrchových teplôt.
Podľa uvedeného sa hydraulicky centrované napojenie môže deliť podľa úpravy na kompaktné vyhotovenie (t. j. s integrovaným TRV – obr. 4a a b) a na klasické vyhotovenie (bez TRV – obr. 4c). Kompaktné, hydraulicky centrované vyhotovenie s integrovaným ventilom sa v súčasnosti dodáva na trh vo dvoch modifikáciách. V prvom prípade (obr. 4a – VKM) ide o úpravu prepojovacej garnitúry a prívodu vykurovacej vody, ktorý je umiestnený v pravom hornom rohu vykurovacieho telesa, kde je integrovaný termostatický ventil. V druhom prípade (obr. 4b – T6) možno integrovaný TRV a potom aj termostatickú hlavici umiestniť nielen v ľavom, ale aj v pravom hornom rohu vykurovacieho telesa.
Táto úprava v sebe zahŕňa špeciálnu odvzdušňovaciu zátku, ktorá je upravená tak, aby zabránila vstupu vykurovacej vody do hornej rozvodnej komory. Tým sa zabezpečí natekanie vykurovacej vody do hornej rozvodnej komory len v mieste integrovaného ventilu. Obe vyhotovenia – VKM aj T6 – majú potom výstup vykurovacej vody umiestnený uprostred dolnej zbernej komory vykurovacieho telesa. Dvojbodové spodné hydraulicky centrované napojenie bez integrovaného TRV (obr. 4c – MM) sa rieši vstupom aj výstupom vykurovacej vody uprostred hornej rozvodnej, resp. dolnej zbernej komory telesa. Výhodou je kratšia prepojovacia garnitúra, z čoho vyplývajú aj menšie nároky na konštrukčné úpravy rozšírenej prestupnej plochy pri panelových vykurovacích telesách typu 11, 21, 22 a 33.
Metodika merania
Merania prebiehali v laboratóriách Ústavu techniky prostredia ČVUT v Prahe. Experimentálne zariadenie pozostávalo z mobilného zdroja tepla, ktorý umožňuje udržiavať konštantnú vstupnú teplotu vody do vykurovacieho telesa a konštantný hmotnostný prietok teplonosnej látky. Po ohriatí vody na príslušnú teplotu sa uzatvorí skratovacie potrubie primárneho okruhu mobilného zdroja tepla a otvoria sa guľové kohútiky na vstupe a výstupe vykurovacieho telesa. Zároveň sa začnú v jednotlivých časových intervaloch snímať jednotlivé prevádzkové stavy vykurovacieho telesa termovíznou kamerou ThermaCAM S65. Merali sa vykurovacie telesá zhodného typu 10 – 500 × 1 000 pri teplotnom spáde 75/65 °C. Ako prvé sa meralo panelové vykurovacie teleso vo vyhotovení Radik Klasik napojené jednostranne zhora nadol (obr. 1) a ďalej – na vzájomné porovnanie – teleso Radik MM zhodných rozmerov. Druhú dvojicu meraných telies tvorili panelové vykurovacie telesá vo vyhotovení T6 typ 10 – 500 × 1 000 (obr. 4b) a CosmoNova (obe telesá majú rovnaké rozmery aj výrobcu). Na porovnanie sa pri každom telese so spodným stredovým napojením meralo aj jednostranné napojenie zhora nadol.
Výsledky meraní
Na obr. 5 je teplotné pole panelového vykurovacieho telesa Klasik 10 – 500 × 1 000 napojeného jednostranne zhora nadol. Spočiatku vidieť výrazné prehriatie ľavého horného prívodného rohu vykurovacieho telesa. Vstupujúcu teplú vodu strhávajú prvé kanáliky späť k odvodu na rovnakej strane vykurovacieho telesa. Dôvodom je nárast tlakových strát v hornej rozvodnej komore s následným postupným utlmovaním prúdenia po celej dĺžke vykurovacieho telesa. Tri minúty po otvorení vstupnej armatúry je zreteľný ostrý trojuholník teplôt, ktorý zasahuje takmer celú hornú rozvodnú komoru a len hornú časť kanálikov v prvých 2/3 dĺžky vykurovacieho telesa. Po piatich minútach už vstupujúca teplá voda prepláchla takmer celý objem vykurovacieho telesa.
Obr. 5: Panelové vykurovacie teleso Radik Klasik typ 10 – 500 × 1 000 napojené jednostranne zhora nadol (časový údaj pri termogramoch zodpovedá času od otvorenia vstupnej armatúry)
Posledný termogram na obr. 6 ukazuje rozloženie povrchových teplôt po 20 minútach od otvorenia vstupnej armatúry do vykurovacieho telesa. Tento čas však nie je v nijakom prípade časom nábehu panelového vykurovacieho telesa. Ide o čas, ktorý sa zámerne zvolil na ustálenie meracej sústavy, odčítanie dosiahnutého tepelného výkonu a zobrazenia výsledného termogramu. Pri panelovom vykurovacom telese Radik Klasik typ 10 – 500 × 1 000 napojeného jednostranne zhora nadol sa stanovili časy nábehu T63 = 3,5 min a T90 = 5,2 min (tab. 2). Pri telese CosmoNova s jednostranným napojením zhora nadol sa snímky neprezentujú, keďže jednotlivé termogramy a hodnoty povrchových teplôt sa podobajú; výsledky meraní jednotlivých parametrov uvádzame vo vyhodnotení meraní v závere článku.
Tab. 2: Hodnoty zotrvačnosti nábehu a chladnutia TN
Na obr. 6 je teplotné pole panelového vykurovacieho telesa s úpravou prepojovacej garnitúry podľa obr. 4b (t. j. T6). V ľavom stĺpci sú znázornené termogramy pri jednostrannom napojení zhora nadol (obr. 6a) a v pravom pri spodnom hydraulicky stredovom napojení toho istého telesa (obr. 6b). Priebeh natekania v prvých fázach zohrievania vykurovacieho telesa je pri jednostrannom napojení zhora nadol takmer zhodný ako pri vykurovacom telese vo vyhotovení Klasik. Po piatich minútach od otvorenia vstupnej armatúry však vidieť, že do prvej polovice vykurovacieho telesa nateká väčšie množstvo teplej vody než do druhej. Spôsobuje to vradený odpor v podobe odvádzacieho otvoru uprostred dolnej zbernej komory. Vďaka tomu sa v prvej polovici telesa dosahuje vyššia povrchová teplota než v druhej. Rozdiel povrchových teplôt v prvej a druhej polovici telesa je 0,6 °C. Z pohľadu celkovej povrchovej teploty a tepelného výkonu vykurovacieho telesa možno preto po ustálení meracieho zariadenia odčítať podobnú hodnotu ako pri vyhotovení CosmoNova.
Pri hydraulicky centrovanom napojení (obr. 6b) sa natekanie vody do telesa mierne odlišuje od predchádzajúcich prípadov. Vykurovacia voda zaplavuje takisto najskôr hornú rozvodnú komoru, voda sa však rovnomernejšie distribuuje po celej dĺžke telesa. Po ustálení teplôt voda zateká rovnomerne takmer do všetkých kanálikov vykurovacieho telesa a zasahuje až do 1/2 jeho výšky. Vďaka odvodu teplonosnej látky uprostred dolnej zbernej komory má teplotné pole po celej dĺžke telesa vyrovnanejší charakter než pri jednostrannom napojení zhora nadol. V porovnaní s napojením rovnakého telesa, ale jednostranne zhora nadol, sú pri stredovom napojení zaujímavé nižšie hodnoty povrchových teplôt v časových okamihoch 1,5; 3 a 5 minút.
Obr. 6: Panelové vykurovacie teleso T6 typ 10 – 500 × 1000
a) jednostranné napojenie zhora nadol s úplne otvoreným integrovaným ventilom
b) stredové spodné napojenie s úplne otvoreným integrovaným ventilom a špeciálnou odvzdušňovacou zátkou umiestnenou v pravom hornom rohu VT
Je to spôsobené rovnomernejšou distribúciou hmotnostného prietoku vody do všetkých kanálikov vykurovacieho telesa. Zohriatie vykurovacej plochy je tak pri stredovom napojení mierne pomalšie oproti jednostrannému napojeniu zhora nadol pri tom istom telese. Vykurovacie teleso v úprave T6 typ 10 – 500 × 1 000 vykazuje pri jednostrannom napojení zhora nadol menšie hodnoty zotrvačností nábehu (TN) oproti spodnému stredovému napojeniu. Rozdiel dosiahnutých hodnôt je však len niekoľko sekúnd (tab. 2). Na druhej strane, po ustálení hodnôt je rozdiel povrchových teplôt medzi oboma spôsobmi napojenia približne 1,5 °C, a to v prospech stredového spodného napojenia, čo vyplýva z rovnomernejšieho zatekania vykurovacej vody. Rozdiel teplôt sa potom prejavil aj v rozdiele celkových dosiahnutých tepelných výkonov oboch spôsobov napojení. Pri menovitých teplotných podmienkach to bolo 5 % (tab. 1).
Tab. 1: Porovnanie tepelných výkonov pri menovitých teplotných podmienkach 75/65/20 °C
Na obr. 7 je znázornené teplotné pole panelového vykurovacieho telesa vo vyhotovení MM. Pri jednostrannom napojení zhora nadol (obr. 7a) je rozdiel v zatekaní vody do prvej polovice vykurovacieho telesa oveľa výraznejší než pri vyhotovení T6. Vyhotovenie MM má prívodný a výstupný otvor uprostred rozvodnej aj zbernej komory telesa. Každý otvor má tzv. dištančný krúžok, ktorý pôsobí pri prúdení vody ako vradený odpor. Ako vidieť z obr. 7a, 1,5 minúty po otvorení vstupu do telesa voda neprúdi tak výrazne hornou rozvodnou komorou, ale tlačí sa výraznejšie prvými kanálikmi smerom k výstupu z telesa. Po piatich minútach možno vidieť výrazné prúdenie prvým kanálikom smerom k výstupu z telesa a vytvorenie teplejšej oblasti uprostred hornej rozvodnej komory práve okolo dištančného krúžku. To znamená, že dištančný krúžok kladie výrazný odpor prúdeniu vody. Na rozdiel od telesa vo vyhotovení T6 (otvor je len v dolnej zbernej komore) je pri vyhotovení MM pri jednostrannom napojení zhora nadol výraznejší rozdiel vo výslednom teplotnom obraze telesa. Rozdiel priemernej strednej povrchovej teploty v prvej a druhej polovici vykurovacieho telesa je po ustálení 3,5 °C.
Obr. 7 Panelové vykurovacie teleso MM typ 10 – 500 × 1000
a) jednostranné napojenie zhora nadol
b) stredové spodné napojenie
Pri spodnom stredovom napojení toho istého panelového vykurovacieho telesa MM 10 – 500 × 1 000 (obr. 7b) je teplotné pole vyrovnanejšie. Vykurovacia voda nateká rovnomerne do ľavej aj pravej časti telesa. Hodnoty povrchových teplôt dosiahnutých v jednotlivých časových úsekoch sú rovnako ako pri telese vo vyhotovení T6 nižšie v porovnaní s jednostranným napojením zhora nadol toho istého telesa. Príčinu treba opäť hľadať v rovnomernejšom natekaní vody do všetkých kanálikov vykurovacieho telesa pri spodnom stredovom napojení. Ako ukazujú termogramy, po ustálení hodnôt sa pri spodnom stredovom napojení dosahujú vyššie povrchové teploty (o 1,1 °C) a vďaka tomu je aj tepelný výkon vykurovacieho telesa vyšší o približne 3 % (tab. 1).
Vyhodnotenie získaných výsledkov
Tabuľky ukazujú namerané hodnoty tepelných výkonov (tab. 1) a zistené hodnoty zotrvačností nábehu a chladnutia (tab. 2). Porovnávajú sa dvojice telies vždy od rovnakého výrobcu. Prvú dvojicu tvoria panelové vykurovacie telesá Radik Klasik a MM, druhú dvojicu tvoria panelové vykurovacie telesá CosmoNova a T6. Ako vidieť z tab. 1, rovnomernejšie zatekanie vody pri telesách so spodným stredovým napojením má vplyv na dosiahnutie vyššej povrchovej teploty vykurovacieho telesa v porovnaní s telesom v klasickej úprave a jednostranným napojením zhora nadol. Preto sa dosahuje aj vyšší tepelný výkon. Rozdiel oproti panelovému vykurovaciemu telesu vo vyhotovení Klasik je 8 % pri vyhotovení MM a 7 % pri vyhotovení T6.
Z pohľadu dynamického správania meraných telies sa preukázalo, že panelové vykurovacie telesá so spodným stredovým napojením vykazujú nižšie hodnoty zotrvačnosti nábehu. Ukazujú to hodnoty pri napojení rozmerovo identického telesa bez úprav, umožňujúcich spodné stredové napojenie a jednostranné napojenie zhora nadol. Rozdiely v hodnotách zotrvačností pri týchto telesách vyplývajú z rozličného spôsobu zohrievania teplovýmennej plochy vykurovacieho telesa. Pri hodnotách zotrvačností chladnutia vznikajú tieto rozdiely na základe toho, že pri menovitom stave nemajú merané telesá všetky časti teplovýmennej plochy zohriate na rovnakú teplotu (rozličné napojenie, rozličné zatekanie vody a podobne), preto všetky oblasti telesa nechladnú rovnako. Tieto závery potvrdzuje aj tab. 2. Tu však treba zdôrazniť, že na hodnotu zotrvačnosti – tak chladnutia, ako aj nábehu – má okrem iného vplyv aj tepelná kapacita hmoty telesa a jeho náplne. V prípade panelového vykurovacieho telesa vo vyhotovení T6 a CosmoNova bol objem vody v telese 3,3 l, pri telesách Radik Klasik a MM bol objem vody 3,1 l. Preto panelové vykurovacie telesá T6 a CosmoNova vykazujú v porovnaní s telesami Radik vyššie hodnoty zotrvačností nábehu a chladnutia.
Záver
Cieľom experimentov bolo porovnať výsledné teplotné pole pri spodných stredových a klasických napojeniach pri panelových vykurovacích telesách. Ako ukázali výsledky, stredové napojenia majú výhodu v rovnomernejšom rozložení teplotného poľa, a tým aj v dosiahnutí vyšších hodnôt povrchových teplôt telesa, čo vedie k vyššiemu tepelnému výkonu týchto telies. Ďalej sa ukázalo, že rozdielne rozloženie teplotných polí mení dynamické správanie takto napojených telies. Hodnoty zotrvačností nábehu sú pri panelových telesách napojených stredovým spôsobom nepatrne nižšie ako pri rozmerovo rovnakých telesách, prevádzkovaných s jednostranným napojením zhora nadol.
Podľa hodnôt zotrvačností nábehu a chladnutia, ktoré hodnotia dynamické správanie vykurovacích telies, možno odporúčať vhodné či nevhodné umiestnenie vykurovacích telies. Merania tak potvrdili, že panelové vykurovacie telesá, ktoré majú malú tepelnú zotrvačnosť, je vhodné použiť pri ľahkých a stredne ťažkých stavbách, kde sa zmena vonkajších okrajových podmienok pomerne rýchlo prejaví zmenou vnútorných parametrov. Vykurovacie telesá s malou zotrvačnosťou nábehu a chladnutia sú ďalej vhodné do objektov s veľkými zasklenými plochami, v ktorých dochádza k časovo premenným tepelným ziskom z oslnenia.
Vykurovacie telesá s vyššími hodnotami tepelnej zotrvačnosti (napríklad článkové vykurovacie telesá) možno využiť pri ťažkých či stredne ťažkých stavbách, kde premenlivé vonkajšie podmienky nemajú vďaka vlastnostiam stien bezprostredne vplyv na kvalitu tepelnej pohody vo vnútornom priestore. To však neznamená, že panelové vykurovacie telesá nemožno použiť aj pri ťažkých stavbách. Potom však ich výhoda nízkej zotrvačnosti nábehu (resp. rýchlej reakcie na regulačný zásah) zostáva nevyužitá.
Ing. Roman Vavřička, PhD.
Autor pôsobí ako vedecký a pedagogický pracovník na Ústave techniky prostredia Strojníckej fakulty ČVUT v Prahe.
Recenzoval: prof. Ing. Jiří Bašta, PhD.
Obrázky: archív autora
Príspevok vznikol ako súčasť výskumného zámeru MŠMT č.: 6840770011.
Literatúra
1. Vavřička, R.: Využití termovize v praxi. In: VVI, roč. 17, 2008, č. 5, s. 255 – 257.
2. Vavřička, R. – Bašta, J.: Temperature Fields of Radiators. In: 5th International Conference on Advanced Engineering Design, Prague: Czech Technical University. 2006.
3. Bašta, J. – Šimek, J. – Vavřička, R.: Dynamické chování deskových otopných těles. In: VVI, roč. 17, 2008, č. 3, s. 129 – 134.
4. Vavřička, R.: Tlaková ztráta otopných těles. In: 19. konference vytápění Třeboň 2007, s. 65 – 69. Třeboň: 2007.
5. Bašta, J.: Umístění regulačního ventilu s termostatickou hlavicí pod otopným tělesem. In: VVI, roč. 14, 2005,
č. 2, s. 54 – 55.
6. Vavřička, R.: Proudové a teplotní pole u deskových otopných těles. Disertační práce. 150 s., ČVUT-FS-Ú 12 116. Praha: 2007.
7. Firemné podklady Korado, a. s., České Třebová.
8. Firemné podklady Vogel & Noot, a. s., Rettig – Austria.
Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.
