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/m^2. 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.

Způsob vytápění odhalí až bezkontaktní teploměr – vlevo je strop, vpravo podlaha. Číslo dole ukazuje teplotu povrchu, nahoře malým písmem je teplota vzduchu. Měření leden 2019.

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 t_P = 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 t_P = 20 °C. Matematicky to zapíšeme takto:

kde t_i a A_i 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 t_P = 20 °C rychle ohřívá chladné stěny a podlahu. Abychom udrželi prostorovou teplotu na setrvalé úrovni t_P = 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.

Stropní zavěšený křížový rošt pro sádrokartonový strop je velmi vhodný pro zavěšení panelů nízkoteplotního stropního vytápění. Reflexní fólie, která je umístěna cca 15 cm nad budoucími topnými panely, bude významně bránit úniku tepla do stropu a ven

Teplota vzduchu v místnosti

Záření stropu a prostorové záření ohřívá díky skleníkovému efektu i vzduch v místnosti, který rychle přijme teplotu prostorového záření t_P.

Výjimkou je několik dm silná vzduchová vrstva, sousedící s povrchy: zde se realizuje teplotní gradient (spád) od teploty prostorového záření t_P k teplotě povrchu t_i. 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 t_P 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.

Hliníkové panely s rozvody nízkoteplotního stropního vytápění zavěšené na stropní rošt určený pro sádrokarton. Přestup tepla z otopných trubek do celé plochy stropu je velmi rychlý a rovnoměrný. Pohledová plocha topných desek byla následně zakončena tenkou omítkou s výztužnou síťkou.

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.