Stropní vytápění. Pracuje tak, jako příroda
Tak jako nás Slunce hřeje shora, tak funguje i stropní vytápění. Jeho princip je jednoduchý, energetická účinnost je už z „nízkoteplotní“ podstaty věci nejvyšší a akce velmi rychlá. Při správném provedení reaguje stropní vytápění prakticky ihned na regulační podnět. A je tu ještě jedna přidaná hodnota: v létě lze tímto zařízením stejně účinně chladit.
Mnoha lidem připadá tento úvod jako mylně pozitivní. Teplo přece stoupá vzhůru, jak tvrdí odborná stavební obec, takže je stropní topení nesmysl a tečka.
Kde je pravda?
Vzhůru stoupá jen teplý vzduch. Běžná lokální topidla sice účinně ohřívají vzduch a roznášejí jej po místnosti, ale stejně nebo ještě intenzivněji sálají teplo do okolí na stěny, ke stropu i k podlaze a tím je rychle ohřívají. Podlaha bývá však tímto topidlem nejméně osálána a proudění teplého vzduchu ji neohřeje téměř vůbec, neboť k ní „padá” chladný vzduch. Naopak strop i blízké stěny poté, co se ohřejí, sálavě ohřívají i podlahu.
Příklad: Když lokální kamna ohřejí strop na 35 °C, tak podle zákonů fyziky (Stefanův-Boltzmannův zákon) tento strop předává podlaze o teplotě 15 °C zářivou energii s intenzitou 120 W/m2. Pouze teplý vzduch s tímto účinkem chladnou podlahu nikdy neohřívá...
Tepelné záření
Jde o neviditelné širokospektrální elektromagnetické záření, které vyplňuje venkovní prostor, místnosti v budovách, dutiny i samotný objem těles, včetně zdí a jiných stavebních konstrukcí. Je-li povrchová teplota všech stěn místnosti, podlahy i stropu 10 °C (T = 283,15 K), je také prostor místnosti vyplněn tepelným zářením o teplotě 10 °C. Typická je dynamika tohoto záření: Každá z ploch místnosti sálá do prostoru zářivou energii podle Stefanova-Boltzmannova zákona (zde o intenzitě σT4 = 364,5 W/m2) a zároveň stejné záření přijímá z prostoru.
Princip stropního vytápění
Zhotovme strop tak, aby celá jeho plocha vytápěla, tzn. abychom v každém okamžiku mohli ohřát celou plochu stropu na potřebnou teplotu. Počáteční povrchová teplota všech čtyř stěn, podlahy i stropu je 10 °C. Ohřev stropu může být realizován např. sítí topných trubek ve stropě pod jeho povrchem.
1. fáze: Při čtvercové ploše stropu a podlahy 5×5 = 25 m2 a ploše každé ze čtyř stěn 5×3 = 15 m2 ohřejeme v prvním kroku strop až na 48 °C, abychom ihned docílili pobytové prostorové teploty tepelného záření tP = 20 °C, vyhovující pro pobyt lidí.
Startovací teplota stropu 48 °C plyne z geometrie místnosti. Je zvolená tak, aby průměr 4. mocnin termodynamických teplot stropu (48 + 273,15)4, podlahy a všech stěn (10 + 273,15)4, vážený podle jejich ploch, dal požadovanou prostorovou teplotu tP = 20 °C. Matematicky to zapíšeme takto:

kde ti a Ai jsou počáteční teploty ve °C, resp. plochy stropu, podlahy a čtyř stěn v m2.
2. fáze: Sálání stropu o teplotě 48 °C a prostorové záření o teplotě tP = 20 °C rychle ohřívá chladné stěny a podlahu. Abychom udrželi prostorovou teplotu na setrvalé úrovni tP = 20 °C, musíme krátce po startu snižovat teplotu stropu ze startovní úrovně 48 °C, to znamená snižovat výkon stropního vytápění až do doby, kdy se teplotně ustálí všechny stropem ohřívané povrchy při požadované prostorové teplotě 20 °C. Ustálené teploty nevytápěných povrchů stěn v místnosti závisejí na prostorových teplotách za těmito stěnami a jejich tepelněizolačních vlastnostech, zejména pak na teplotách venkovních povrchů domu, tj. fasády a střechy.
Teplota vzduchu v místnosti
Záření stropu a prostorové záření ohřívá díky skleníkovému efektu i vzduch v místnosti, který rychle přijme teplotu prostorového záření tP.
Výjimkou je několik dm silná vzduchová vrstva, sousedící s povrchy: zde se realizuje teplotní gradient (spád) od teploty prostorového záření tP k teplotě povrchu ti. Týká se to jak vytápěného stropu, ale také vnitřních povrchů obvodových stěn, které jsou na protilehlé straně ochlazovány.
Až na tyto okrajové vrstvy má vzduch v místnosti všude stejnou teplotu (vznikne teplotní plató).
Regulace teploty
Princip tohoto vytápění je v tom, že rychle ohřejeme strop tak, aby prostorová teplota tP bez dlouhého čekání odpovídala požadavku. K tomu je nutná rychlá reakce stropního vytápění; jeho provedení by mělo umožnit, aby požadavek na změnu teploty stropu byl realizován do několika minut.
Po ustálení požadované teploty v místnosti, tzn. nejen teploty stropu a vzduchu, ale také obklopujících stěn, podlahy, nábytku ap., je teplota otopné stropní plochy jen několik stupňů nad pokojovou teplotu. Jde o nejvíce nízkoteplotní a tedy zároveň nejúčinnější způsob vytápění.
Příklad: Dne 18. ledna 2019 při venkovní teplotě +3,5 °C byla prostorová teplota v redakční místnosti našeho vydavatelství 21,8 °C při teplotě vytápěného stropu 23,6 °C; teplota otopné vody byla 24,5 °C.
Tepelná pohoda
Krom toho, že je stropní vytápění nejúčinnější, takže nejvíc šetří energii, je pobyt pod ním velmi příjemný. S tím souvisí i to, že jde o vytápění s nejrychlejší reakci: To platí dvojnásob, když se už ve fází příprav a plánování stropního vytápění soustředíme na to, aby byl přestup tepla z teplovodních otopných trubek nebo elektrických fólií rovnou k vytápěnému stropnímu povrchu co nejrychlejší.
Závěr
Stropní vytápění je řešení, které připomíná Slunce, jež hřeje shora. Pro jeho pochopení je nutné porozumět tepelnému záření a tomu, že záření nepřeskakuje jen mezi studenými a ohřátými tělesy, ale že zaplňuje prostor podobně jako plyn (fyzika používá pojem fotonový plyn), který sdílí energii s povrchy.
Tepelné záření je dominujícím médiem všech teplosměnných dějů v prostoru a umožňuje popsat stropní vytápění, ale i jiné prostorové teplosměnné děje mnohem přesněji a elegantněji, než kostrbaté teplovzdušné hypotézy.