Tepelná technika Elektrické vytápění

Režim a druhy vytápění budov Podle umístění zdroje: 1. Ústřední (centrální) vytápění 2. Lokální vytápění elektrotopný spotřebič je přímo ve vytápěném prostoru Podle časového odběru elektrické energie: 1. Trvalé vytápění (přímotop) nejméně 8 hodin denně 5 dní po sobě 2. Občasné vytápění 3. Nepřerušované vytápění 4. Akumulační vytápění

Akumulační elektrické vytápění * Nabíjení je 8 nebo 16 hodin * Převážná část nabíjení je v nočních hodinách * Elektrická energie se přeměňuje v teplo v odporových topných článcích nebo kabelech * Teplo je akumulováno v akumulačním materiálu (šamot, magnezit) * Vybíjení tepla je statické (bez ventilátoru) * Po ukončení nabíjení nelze řídit vydávání (vybíjení) tepla * Sdílení tepla sáláním a přirozenou konvencí * Akumulační jádra – šamotové tvárnice * Povrch – kachle * Vydávané teplo je úměrné stavu nabití  nejvíce topí po nabití ráno, nejméně večer

Akumulační elektrické vytápění * Vybíjení tepla je statické (bez ventilátoru) * Vydávání tepla lze částečně řídit zavíráním (otvíráním) průchodu (přirozeným tahem) podle nastavení termostatu * Dále je sdílení tepla sáláním a přirozenou konvencí * Akumulační jádra – šamotové tvárnice * Vydávané teplo lze částečně regulovat, vhodné pro obytné systémy

Statické akumulační vytápění

Akumulační elektrické vytápění * Vybíjení tepla je dynamické (s ventilátorem) – 75% tepla * Chod ventilátoru dvourychlostní, řízení prostorovým termostatem * Akumulační jádro je dokonale izolováno * Akumulační jádra – magnezitové tvárnice * Plášť je plechový, s nízkými povrchovými teplotami * Nabíjení lze nastavit termostatem v rozsahu (35 – 100) % * Využití pro obytné prostory * Mají tepelnou pojistku

Dynamické akumulační vytápění

Dynamické akumulační vytápění

Přímotopné elektrické vytápění – konvekční vytápění * Konvektory jsou topidla, která přeměňují veškerou elektrickou energii na teplo * Do spodní části přichází studený vzduch, který se ohřívá a horní částí odchází teplý vzduch (přirozená nebo nucená cirkulace)  ohřívá se především vzduch. Poměr sálavého tepla je malý * Umístění - pojízdná - přenosná - pevně instalovaná * Provedení - s ohřívanou náplní - s topným odporem * Konvekce - přirozená - nucená (ventilátor) * Výhody - rychlý ohřev - optimální využití elektrické energie - možnost regulace s automatickým nastavením teploty - jednoduchost

Podlahové vytápění * Podlahové vytápění je velkoplošné radiační vytápění. * Existují 2 základní typy: - horkovodní - elektrické * K udržení tepelné pohody vyžaduje nižší provozní teplotu * Pro horkovodní lze využít nízkopotenciální zdroje tepla – tepelná čerpadla, solární panely Možnosti realizace: 1. pouze podlahové vytápění - nutný volný, nezastavěný prostor, nižší účinná teplota stěn, omezení pro maximální teplotu média 2. pouze stěnové vytápění – nejsme omezeni teplotou média, lze dosáhnout větší plochy, zvyšuje se účinná teplota stěn, „studená podlaha“ lze i v místnosti s kobercem, vhodné pro rekonstrukce 3. stěnové i podlahové vytápění – optimální kombinace, vyšší investiční náklady

Podlahové vytápění topnými kabely * Topné kabely jsou zality do betonové podlahy * Realizace - akumulační otopná soustava - přímotopná soustava * Výhody - vysoká účinnost - rovnoměrné využití tepla - snadné vytvoření tepelné pohody Přímotopná soustava 1. podkladový beton 2. polystyrén 3. betonová vrstva 4. topné kabely 5. dlažba 6. napojení izolace (izolace stěn, dilatace)

Podlahové vytápění topnými kabely Tab. 1 - Optimální povrchová teplota podlahy užívané bez obutí Podlahový materiál Optimální povrchová teplota podlahy Doporučené rozmezí povrchové teploty podlahy tP (°C)   1. min 10. min Textilie 21 24,5 21,0 až 28,0 Korek 24 26 23,0 až 28,0 Dřevo - borovice 25 22,5 až 28,0 Dřevo - dub 24,5 až 28,0 PVC na betonu 28 27 25,5 až 28,0 Linoleum na dřevě 24,0 až 28,0 Plynobeton 29 26,0 až 28,5 Betonová mazanina 28,5

Podlahové vytápění topnými kabely * Podlahová vytápění se instaluje vždy jako plovoucí od spodní vrstvy * Přímotopné vytápění - tloušťka do 15 cm - příkon je přibližně 100 W/m2 * Akumulační vytápění - tloušťka do 25 cm - příkon je přibližně 200 W/m2 podlahová krytina betonová vrstva instalační pás s topným kabelem betonová vrstva tepelná izolace proti vlhkosti základní stavební konstrukce

Podlahové vytápění topnými kabely Vlastnosti podlahového vytápění: * velká setrvačnost - delší doba náběhu - horší okamžitá regulace * střední hodnota teploty podlahy je v rozmezí (26 – 28)0C * není vhodné v prostorách s vyššími tepelnými ztrátami a malou využitelnou plochou podlahy (koupelny, chodby se skříněmi)  nutné přídavné vytápění * vysoké požadavky na provedení (problematické opravy) * v některých případech se doplňuje vytápěním stěn (může být vyšší teplota, provádí se pouze jako přímotopné vytápění) * vhodné pro tepelná čerpadla

Klasické vytápění Podlahové vytápění Přímotopné 1. Základní nosná deska 2. Izolace proti vlhku 3. Spodní izolační vrstva, např. polystyren PS 20 4. Vrchní izolační vrstva, např. minerální vlna 5. Tepelná izolace proti svislým stěnám 6. Izolace proti vlhku 0,2 (0,5) mm PE 9. Topná mazanina (55 až 60 mm podle akumulační schopnosti vnějšího zdiva, nabíjecí doby, podlahové krytiny a doby nízkého tarifu) 10. Topná rohož v 1/2 tloušťky mazaniny 13. Lepidla na krytinu 14. Podlahová krytina 17. Ochranná trubka pro snímač teploty 18. Elektronický regulátor teploty

1. Základní nosná deska 2. Izolace proti vlhku 3 1. Základní nosná deska 2. Izolace proti vlhku 3. Spodní izolační vrstva, např. polystyren PS 20 4. Vrchní izolační vrstva, např. minerální vlna 5. Tepelná izolace proti svislým stěnám 6. Izolace proti vlhku 0,2 (0,5) mm PE 7. Cementová topná mazanina dle DIN normy (8 až 14 cm podle akumulační schopnosti vnějšího zdiva a nabíjecí doby), střední hodnota 9 až 10 cm při době nabíjení 8+2 hod. 8. Topná rohož: hloubka instalace cca 2/3 tloušťky mazaniny 9. Topná mazanina (55 až 60 mm podle akumulační schopnosti vnějšího zdiva, nabíjecí doby, podlahové krytiny a doby nízkého tarifu) 13. Lepidla na krytinu 14. Podlahová krytina 15. Ochranná trubka pro snímač zbytkového tepla a bezpečnostní čidlo 16. Instalační propojovací krabice k regulátoru v rozvaděči Akumulační

Porovnání teplovodního a elektrického vytápění Elektrické vytápění: * nižší celková tloušťka podlahy * nižší akumulační schopnost (místnost rychleji vychladne) * rychlejší odezva na regulaci * jednodušší instalace, odpadají připojovací trubky a rozvody * levnější instalace, dražší provoz

Sálavé elektrické vytápění * Přenos tepla je především sáláním (podobné slunečnímu záření) * Vyrábějí se jako stropní nebo nástěnné * Zadní stěna je tepelně izolována, přední strana je rovnoměrně ohřívána odporovou topnou fólií

Porovnání rozložení teploty při klasickém a sálavém vytápění

Sálavé elektrické vytápění Princip - infračervené zářiče s povrchovou teplotou vyšší než 2500C. - sálání je usměrněno reflektorem do žádaného směru. - infračervené záření prochází vzduchem (aniž by se ohříval) a dopadá na předměty. - v předmětech (stěnách, podlaze, …) se infračervené záření přemění na teplo (asi z 85 %), které se sekundárně vyzáří Výhody: * rovnoměrné vertikální rozložení teploty * nižší teplota pro tepelnou pohodu (18 – 19) 0C, což je dáno vyšší účinnou teplotou okolních stěn * snížení prašnosti (nedochází k cirkulaci vzduchu) * vyšší relativní vlhkost (vzduch není vysoušen) * zabraňuje orosení stěn a následné tvorbě plísně * snadná instalace * malá tepelná setrvačnost, jednoduchá regulace Nevýhody: * působí pouze v místnost, kde je instalováno * plocha, na kterou dopadá záření musí být dostatečně velká a neměla by být stíněna

Sálavé elektrické vytápění Možnosti využití * veřejné a správní budovy, školy * kulturní zařízení * zdravotnická zařízení * prodejní centra * výrobní prostory Typická provedení * vysokoteplotní panely, teplota na povrchu až 3500C  vysoká hustota sálavého toku, výška 5 - 8 metrů * nízkoteplotní panely, teplota na povrchu max. 1100C, výška 2,5 - 3 m.

Sálavé elektrické vytápění Vysokoteplotní panely * výkon (900 - 3600) W * napětí 230 nebo 400 V * teplota 3500C Nízkoteplotní panely * výkon (300 - 700) W * napětí 230 V * teplota (90-110)0C * lze instalovat do kazetových podhledů

Teplovodní elektrokotel Princip - topným médiem ve voda, která je ohřívána v kotli - princip ohřevu * topná tělesa (klasický odporový ohřev) * elektrody (průchod proudu vodou mezi elektrodami) - rozvod vody do topného zařízení (radiátory, trubky, …) Elektrický odporový ohřev Princip: Joule – Lenzův zákon: P = R * I2 Při ohřevu topného tělesa roste odpor: R = R20 * (1+R*( -20)) kde R je teplotní součinitel odporu. Pro topná zařízení by měl být co nejmenší

Materiály pro topné články a jejich konstrukce Základní požadavky: * velký měrný odpor * malý teplotní součinitel odporu * malý součinitel teplotní roztažnosti * mechanická pevnost při provozních teplotách * tvárnost * stálost * chemická odolnost (oxidace při vysokých teplotách) * ekonomická dostupnost Přehled materiálů: * slitiny mědi nikelin a konstantan (nikl, mangan, měď) * chromnikl (chrom, nikl) * slitiny se železem (chrom, nikl, železo) * slitiny s hliníkem (chrom, hliník, železo)

Materiály pro topné články a jejich konstrukce

Topný článek Technologie topných článků: * odporové články jsou obecně většinou uzavřené, oddělené od ohřívaného média, článek je uzavřen v trubce nebo v ocelové jímce * ochranný plášť – měď, měď s ochranným povlakem, antikorozní ocel * vnější povrchová teplota těles s měděným povlakem je až 2000C, s antikorozním povlakem 8000C

Elektrodový ohřev Elektrodové kotle Princip * jsou jednoduché, levné a hospodárné * vyrábějí se pro nn a vn * rozsah výkonů desítky až stovky kW, v zahraničí až MW Princip * ohřev vody je dán přímým průchodem proudu mezi elektrodami v kapalině (iontová vodivost) * velikost proudu je dána vodivostí kapaliny (obsah vodivých látek) * pro napájení lze použít pouze střídavý proud (elektrochemický rozklad, který by měl za následek vznik plynů, vody je nežádoucí) * minimální frekvence je 25 Hz, běžně se používá síťová frekvence * proudová hustota v kapalině je v rozsahu (0,5 – 1,5) A/cm2 * materiál elektrod – grafit (malé příkony), zušlechtěné oceli * elektrická vodivost závisí: teplotě vody chemickým složením vody

Výhody elektrodových kotlů Regulace výkonu * změna vodivosti vody * plocha elektrod (izolační návleky) * vzdálenost elektrod * izolační přepážky mezi elektrodami * elektrody rozdělené do skupin a následné přepínání skupin * mechanické ponořování elektrod * změna výšky hladiny vody v kotli Výhody elektrodových kotlů * jednoduchost, nízká cena, spolehlivost životnost elektrod až 20 let, elektromagnetické pole zároveň chemicky upravuje vodu zabraňuje tvorbě kotelního kamene * maximální energetická účinnost kotle minimální povrchová teplota kotle, účinnost přeměny energie je téměř 100% * možnost autoregulace - regulace změnou vodivosti vody s teplotou (s rostoucí teplotou okolí v létě roste vodivost a klesá tepelný výkon), při odstávce je voda studená, malá vodivost, je i proudový ráz malý

Výhody elektrodových kotlů * jeden typ kotle pro různé výkony úpravou vodivosti lze měnit výkon v širokém rozsahu (např. 5–30 kW) přísady pro změnu vodivosti – například siřičitan sodný koncentrace přísady se mění i případnou korozí otopného systému maximální teplota vody je 700C Autoregulace kotle vlivem teploty (se zvyšující se teplotou roste výkon kotle). Při teplém počasí (teplota vody je nižší je výkon kotle zhruba třetinový.

Automatická regulace vytápění Účel regulace: automaticky udržet na žádané hodnotě požadovanou fyzikální veličinu. Pro vytápění místnosti je to : na vnitřní teplotu na venkovní teplotu kombinace obou systémů Udržení veličiny na požadované hodnotě: a) změřením skutečné hodnoty teploty v místnosti b) porovnání změřené hodnoty s požadovanou c) regulační prvek způsobí zmenšení zjištěného rozdílu Při návrhu regulačního systému se bere ohled na: * požadavky uživatele (hodnota požadované teploty v jednotlivých místnostech, jejich využívání) * stavebné konstrukce a otopné systémy (tepelné ztráty) * platné předpisy a normy

Automatická regulace vytápění Akumulační schopnost budovy a tepelné ztráty mají vliv na výběr regulačního zařízení: * potřebný tepelný příkon na krytí ztrát * rychlost reakce regulačního prvku na změnu parametrů - litinová tělesa 20 – 60 minut - ocelová tělesa 10 – 20 minut - konvektor 5 – 10 minut - velkoplošné podlahové systémy 2 – 3 hodiny

Regulační obvody Prvky regulačního systému: * snímač (čidlo) změří skutečnou hodnotu teploty a převede ji na fyzikální veličinu, která je převedena do regulátoru * regulátor porovnává skutečnou teplotu s požadovanou * regulační prvek provede vlastní regulaci (vypne, zapne, otevře nebo zavře směšovací ventil) Typy regulačních obvodů * uzavřený regulační obvod tři proměnné veličiny – regulovaná (vnitřní teplota), řídící a poruchová (tepelné ztráty, tepelné zisky, vítr, …) * uzavřený regulační obvod se zpětnou vazbou (lokální vytápění) snímaná pomocná veličina se přivede do regulátoru, čímž se zrychlí regulace (například snímání teploty vody v otopném systému) * otevřený regulační obvod (pro ústřední vytápění) regulace podle venkovní teploty (ekvitermní regulace), pomocnou veličinou je teplota otopné vody. Požadovaná teplota v jednotlivých místnostech může nastavena různě, regulace je podle vnější teploty.

Příprava TUV Výpočet: výpočet potřeby TUV Rozdělení ohřevu TUV Výpočtová hodnota tepla pro ohřev TUV vztažená na osobu a den: * minimální spotřeba TUV 40 l/osobu a den 2 kWh * průměrná spotřeba TUV všední den (3 – 4) kWh víkend 6 kWh Elektrický ohřev TUV na osobu a den * ústřední ohřev TUV 5,8 kWh * místní ohřev TUV 10,5 kWh (dvoupokojový byt + kuchyň) 16,3 kWh (vícepokojový byt) Výpočet: výpočet potřeby TUV Rozdělení ohřevu TUV a) podle místa ohřevu: lokální ohřev (boiler v koupelně) centrální (ústřední) ohřev b) podle konstrukce a principu využití TUV akumulační ohřev průtočný ohřev

Lokální příprava TUV Lokální ohřev zajišťuje TUV v místě nebo v nejbližším okolí. Výhody: * minimální ztráty na vedení TUV * malé náklady na rozvod TUV * operativnost na případně změny v požadavcích na TUV Nevýhody: * nižší efektivita (zejména v objektech s více lokálními ohřívači TUV) Při návrhu a realizaci by měl měly upřednostnit způsoby s využitím nižšího tarifu (akumulační ohřev). Pouze v případech s nepravidelnou a občasnou potřebou TUV se volí přímotopné ohřívače TUV (průtočné ohřívače).

Optimální teplota na TUV

Akumulační ohřev TUV Rozdělení: * přímotopné voda je ohřívána průběžně, podle potřeby. * s využitím NT voda je ohřívána v době nízkého tarifu Popis akumulačního ohřívače: * studená voda se přivádí do spodní části nádoby * v zásobníku jsou zhruba 3 pásma spodek studená voda střed smísená vrstva vršek teplá voda * vnitřní tlak odpovídá vodovodnímu tlaku v síti * teplá voda je odebírána z vrchní části * ohřívače TUV mají velmi kvalitní tepelnou izolaci * příslušenství: optická signalizace teploty možnost regulace teploty ohřáté vody katodovou ochranu proti korozi tepelnou ochranu proti přehřátí

Akumulační ohřev TUV Q = 0,8 * i * qn (kW) Příkon topného tělesa: kde i … počet zásobovaných osob qn … tepelný příkon TUV pro jedno osobu (kW/osobu) Velikost ohřívače TUV: * 1 nebo 2 místnosti 120 nebo 160 l (výstup koupelna a kuchyň) 80 l koupelna + 10 l kuchyň (přímotop) * 3 a více místností 200 l koupelna + 10 l kuchyň (přímotop) (přímotopné ohřívače TUV lze nahradit průtočnými ohřívači) Další možnosti pro ústřední ohřev TUV * společné systémy vytápění a přípravy TUV * bivaletní systémy kombinace s TČ nebo solárními kolektory * trivaletní systémy kombinace kotle s TČ nebo solárními kolektory

Doporučený minimální objem (litry, dm3) zásobníku TUV Způsob ohřevu Elektricky Předpoklad spotřeby malá střední vysoká Denní/noční proud denní noční Počet osob 1 20 50 80 2 125 3 100 160 4 200 5 180 250 6 300 7 > projekt

Topný článek pro boilery Keramický topný článek: * odporový článek není ponořen ve vodě a je umístěn v ocelové jímce * na dráty nepůsobí vodní kámen * má delší životnost než ponorný článek

Zásobníkový akumulační ohřívač 1. indikátor teploty 2. jímka topného tělesa 3. suché keramické topné těleso 4. provozní a bezpečnostní termostat 6. napouštěcí trubka studené vody 8. jímka termostatu 9. vypouštěcí trubka teplé vody 10. hořčíková anoda (vodní kámen) 12. polyuretanová izolace (42 mm)

Kombinovaný zásobníkový akumulační ohřívač V kombinaci s jiným tepelným zdrojem 1. indikátor teploty 2. jímka topného tělesa 3. suché keramické topné těleso 4. provozní a bezpečnostní termostat 6. napouštěcí trubka studené vody 7. vypouštěcí trubka teplé vody 8. jímka termostatu 9. trubkový výměník 10. hořčíková anoda (vodní kámen) 12. polyuretanová izolace (42 mm)

Kombinovaný ohřívač pro solární systém

Průtokové ohřívače Rozdělení průtokových ohřívačů: ohřívají vodu pouze při jejím průtoku  odběr zapne a ohřeje pouze takové množství vody, které je zapotřebí Hlavní výhody průtokový ohřívačů: * jednoduchá montáž * minimální ztráty * základní sazba Rozdělení průtokových ohřívačů: * beztlakový * tlakový Použití průtokových ohřívačů: * malá a nepravidelná spotřeba vody

Beztlakové ohřívače * jsou určeny k napájení jednoho blízkého odběrného místa * nejsou pod tlakem vodovodního potrubí * při odběru teplé vody otvírá ventil přívod studené vody k přístroji, studená voda tlačí teplou vodu k odběrnému místo

Tlakové ohřívače * jsou určeny k napájení více nedalekých odběrných míst (umyvadlo + sprcha, …) * v přístroji je tlak vodovodního okruhu * teplá voda je vytlačována k místu odběru (podobný princip jako u boileru) * tlakové ohřívače musí mít bezpečnostní ventil (při ohřevu se zvyšuje objem a roste tlak, rozpínající se voda se odvádí do zvláštního odtoku)

Ekonomika provozu

Možnosti provedení 1. Elektronické průtokové ohřívače * umožňuje přesné nastavení teploty vody * nastavení na regulačním prvku se určuje celkové teplota vody Příklad ohřívače AEG: * teplotní rozsah (30 – 60) 0C * napájení pevným připojením * možnost připojení solárního systému (do 600C) * výkon (18 – 24) kW

Možnosti provedení 2. Hydraulické průtokové ohřívače * udržuje konstantní teplotu při tlakových změnách v potrubí * topný výkon se připojuje ve dvou stupních podle průtoku vody 3. Malé průtokové ohřívače * minimální zásobní prostor snižuje ztráty * vhodné pro místa s minimálním odběrem (umyvadlo na toaletě, ..) * připojení pevné nebo přes zásuvku Porovnání: - 8x denně mytí rukou na toaletě - teplota 400C - roční spotřeba vody a el. energie

Možnosti provedení Hydraulický průtokový ohřívač AEG Malý průtokový ohřívač AEG

Zdroj: Zdeněk Hradílek a spol. Elektrotepelná zařízení Vladimír Král Elektrotepelná technika Josef Rada Elektrotepelná technika V. Jelínek Technická zařízení budov K. Brož Vytápění Materiál je určen pouze pro studijní účely