Sálavé vytápění není nový objev, avšak v praxi vidíme málo realizací, v nichž by byly plně využity jeho možnosti. Rozeznáváme zejména stropní, stěnové a podlahové vytápění.
V rezidenční výstavbě je známé podlahové vytápění. Jeho účinnost a subjektivní funkční vnímání však bývají limitovány. Podlaha je často zastavena nábytkem, případně stroji apod., ale hlavním důvodem je pomalá reakce tohoto topení. Ta je důsledkem vysoké tepelné akumulace většinou betonové podlahy, která primárně neslouží jako topidlo, ale jako funkční, velmi tuhá a těžká konstrukce s vysokou únosností. Po spuštění vytápění relativně dlouho čekáme, než se tlustá betonová vrstva prohřeje. Náběhové časy se pak zvyšují, leží-li na podlaze koberec, který špatně vodí teplo, nebo dřevěné parkety; ty nejenže vodí teplo mnohem hůře, ale kvůli více než dvojnásobné měrné tepelné kapacitě se prohřívají ještě pomaleji, než beton.
Poznámka: Koberec nebo parkety, které považujeme za teplé povrchy, tepelně izolují, to znamená nepropouštějí teplo. Když na nich stojíme bosou nohou, neodvádějí z ní teplo a tento fakt vnímáme jako příjemnou dotykovou teplotu. Jako sálavý povrch jsou však nevhodné; chladné by nás sice při doteku nestudily, ale zahřáté by brzdily přestup tepla do místnosti, nepředávaly do ní teplo, zkrátka nehřály by. Z toho důvodu nikdo nezkouší vyrábět otopné radiátory ze dřeva. (Konec poznámky).
Jiným řešením je stěnové vytápění. I zde bývá problém zastavění sálavých stěn nábytkem a navíc se poukazuje na to, že otopné stěny často sálají proti oknům a chladné obvodové stěně. A to má být řešení, které plýtvá energií. S ohledem na fyzikální povahu sálání je však tento argument odmítnut jako nepřesný. V tomto článku klademe důraz na stropní vytápění. Hlavním důvodem je, že strop bývá volný, nezarovnaný nábytkem, obrazy atp. Hlavní námitka proti stropnímu vytápění se opírá o argument, že „teplo přece vždycky stoupá vzhůru”. Odpověď zní, že vzhůru stoupá jen teplý vzduch. Tepelné záření, neboli sálání, však žádnou gravitaci nezná, což velice názorně každý cítíme sám na sobě. Sluneční záření, což je také tepelné záření (tělesa ohřátého na 5505 °C), k nám uletí vzdálenost 149 600 000 km a září nám na hlavy i proti zemské gravitaci.
Tepelné záření (sálání) v místnosti a jeho teplota
Sálavé nízkoteplotní vytápění je vhodné do všech objektů, malých i velkých. S rostoucí velikostí místnosti jeho účinnost a efektivita roste. To je jednak přirozeně dáno faktorem tvaru budovy S/V, což je obsah její obálky S vydělený jejím objemem V. Faktor tvaru budovy klesá s velikostí budovy, což říká, že větší budovy pomaleji chladnou. Velká a obří tělesa, jako Země nebo Slunce, chladnou miliony až miliardy let i bez tepelné izolace! Druhým důvodem je, že sálání dokáže velmi rychle prohřívat prostor. Sálání je elektromagnetické záření, které má, podobně jako vzduch nebo voda, svoji teplotu. Sálání od různě teplých povrchů (stěn, stropu, podlahy, nábytku apod.) se v prostoru okamžitě míchají a výsledkem je prostorové sálání, jehož teplota je váženým průměrem teplot všech povrchů, které prostor ohraničují. Lze ji vyjádřit vztahem:
kde TS je teplota prostorového sálání v K (kelvinech), Ai jsou plochy všech povrchů, které ohraničují místnost a εi jejich emisivity (sálavosti). Sálavé teplo se šíří v prostoru rychlostí světla (300 000 km/hod) a dokáže v něm poměrně velmi rychle ohřát vzduch na svou teplotu. Ve volném prostoru (mimo blízkost stěn) se tak ustálí konstantní teplota.
Naproti tomu postupné ohřívání vzduchu prouděním a vedením je oproti sálání zdlouhavé, hlavně u rozlehlých prostor. Jen v relativně tenkých vzduchových stavebních mezerách a dutinách (do několika decimetrů) se na teplotě vzduchu významně podílí vedení a proudění tepla. Tyto děje zde zajistí (na rozdíl od místností) teplotní spád vzduchu od teplejší stěny ke chladnější.
Je-li správně provedeno, je sálavé vytápění vždy účinnější a efektivnější, než běžné vysokoteplotní, tzn. horké lokální tepelné zdroje. Díky malému povrchu přispívají lokální topidla k teplotě prostorového sálání nedostatečně, využívají proto stoupajícího proudění horkého vzduchu, který se ohřeje od topidla. Ve větších prostorech, jako jsou např. stáje, je takové vytápění neefektivní a neúčinné.
Přednosti sálavého vytápění a chlazení
Sálavé vytápění, resp. chlazení, je v ideálním případě vhodné chápat jako systém, který obsahuje nejen aktivní, tzn. vytápěnou, případně v létě i chladicí plochu (strop, stěny, podlahu, lokální topidlo), ale také všechny ostatní, neaktivní plochy. Zdrojem tepla pro sálavé vytápění může být elektřina, která odporově ohřívá topné kabely, rohože či fólie ve stropě (stěnách či podlaze). Nebo teplá voda proudící tamtéž v otopných trubkách. Předností teplovodních řešení je jejich možnost využití k letnímu chlazení; do trubek pak vháníme chladnou vodu.
Hlavní předností elektrického i teplovodního sálavého vytápění je relativně malá teplota otopné stropní (stěnové či podlahové) plochy. Zejména ohřev otopné vody tepelným čerpadlem (TČ) na úroveň 45 °C nebo 35 °C pro nízkoteplotní vytápění má velkou energetickou účinnost danou vysokým topným faktorem čerpadla COP (Coefficient of Performance). Totéž platí i o provozu TČ v režimu letního chlazení.
Princip sálavého vytápění a chlazení
Přibližme si ho na příkladu stropního vytápění. Uvažujme pro jednoduchost prázdnou hospodářskou budovu ve tvaru ležatého kvádru o půdorysu 20 m×10 m o výšce 5 m. Součinitel prostupu tepla stropem, stěnami a podlahou je U = 0,2 W/(m2K). Venkovní teplota je 0 °C, teplota podloží 8 °C. Teplota vnitřního vzduchu haly a tepelného záření se při těchto podmínkách ustálí na teplotě 2,3 °C. Teploty stěn a stropu budou kolem 0,3 °C. Zapněme nyní stropní vytápění s rychlým náběhem teploty. Stoupne-li teplota stropu na 40 °C, aniž by stěny haly stačily teplotně zareagovat, bezprostředně stoupne teplota vnitřního tepelného záření na úroveň 14 °C (podle výpočtu 13,9 °C). Tuto změnu okamžitě pocítíme.
Prostorové sálání o této teplotě začne ohřívat stěny a podlahu. Ohřev povrchu stěn, případně i podlahy, citelně urychlíme volbou jejich povrchové úpravy, která neodvádí do chladných stěn teplo. Příkladem jsou nátěry nebo tepelněizolační omítky s nízkou lambdou, tzn. složenou z tepelněizolačních hmot. S tím jak roste teplota podlahy a stěn, roste teplota prostorového tepelného záření jak ukazuje následující tabulka:
| Teplota podlahy a stěn | Prostorová teplota |
| 5 °C | 16,3 °C |
| 10 °C | 19,5 °C |
Přestože obálkové konstrukce budovy včetně vnitřních povrchů nejsou ještě prohřáté na ustálené teploty, snižujeme již příkon do stropního vytápění. Stěny jsou sice ještě chladné, ale teplota prostorového záření je už na požadované úrovni.
Je podstatné, že se od prostorového tepelného záření rychle ohřívá vzduch. Děje se tak díky skleníkovým plynům. V publikaci [1] je ukázáno, že až na tenkou vzduchovou vrstvu (do několika dm) se při normální, tzn. venkovní koncentraci skleníkových plynů (CO2 a vodní pára) odehraje ohřátí vzduchu na teplotu prostorového tepelného záření v jednotkách až desítkách minut.
Pocit tepelné pohody či nepohody je dán teplotou vzduchu a záření. Ta by ideálně měla být kolem 20 °C, v pracovních prostorech o stupeň či dva méně. Vzhledem k tomu, že se v ustálených podmínkách ohřívá vzduch od záření a naopak, jsou v běžných podmínkách obě teploty přibližně stejné. Stará učebnicová poučka, že teplota vzduchu a teploty stěn by ideálně měly být 20 °C (dohromady 40 °C), vypovídá o tom, že stěny generují tepelné záření, které pak ve skutečnosti vnímáme. Vnímat teplotu stěny na dálku není jinak možné.
S tím, jak se stěny ohřívají, snižujeme teplotu celostropního vytápění, abychom udrželi prostorovou teplotu na požadované úrovni 20 °C:
| Teplota podlahy a stěn | Teplota stropu |
| 13 °C | 35,6 °C |
| 15 °C | 31,5 °C |
| 17 °C | 27,5 °C |
| 19 °C | 22,5 °C |
Na závěr této části dodejme, že hala by měla být dobře izolována, aby teplo zbytečně neutíkalo ven stěnami a zejména střechou nad vytápěným stropem haly. Jinak, při poddimenzovaném zdroji tepla, by se nám nepodařilo ani při maximální dosažitelné teplotě stropu ohřát stěny na potřebnou teplotu tak, aby prostorové tepelné záření bylo na úrovni 19 až 20 °C.
Příklad z průmyslové praxe
V průmyslové zóně Nitra-Jih Dolné Krškany (SR) vyrostla nová výrobní hala a administrativní budova firmy BK Metal, s.r.o. Investor zde řešil vytápění současně i letní chlazení pomocí stropního sálavého vytápění. Požadovanou teplotu topné a v létě chladicí vody zde zajišťují tepelná čerpadla. Sálavý strop je proveden celoplošně z pohledových patentovaných Al-profilů omega s rychlým náběhem požadované teploty. Výrobní hala má plochu 1 200 m2 a je vytápěna, společně s administrativní budovou kaskádou 5 tepelných čerpadel. Ty v zimě dodávají teplou otopnou vodu a v létě chladí vodou ze studní. Otopná nebo chladicí voda se jako teplonosné médium využívá pro sálavé hliníkové celostropní vytápění. Generálním projektantem je Ing. arch. Peter Rehák. Vynálezce a konstruktér tohoto stropního vytápění je Doc. Ing. Michal Bartko, CSc. z firmy INTERGEO a.s. se sídlem v Bojnicích (SR). S jeho laskavostí měla naše redakce možnost dvakrát navštívit předmětnou halu s přilehlou administrativní budovou a sice 20. listopadu a 9. prosince 2014. Při druhé návštěvě probíhala jedna ze zkoušek již dokončeného stropního vytápění v hale. Ranní teplota byla těsně pod nulou. Infračerveným teploměrem byly uvnitř měřeny teploty od 18, 5 °C (při zacílení teploměru na stěny) do 19,8 °C při zacílení na strop nebo podlahu. V jednom případě 21,0 °C při zacílení teploměru vodorovně podél haly v úrovni střešní nosné ocelové konstrukce. Teplota vody v otopné soustavě byla na úrovni 22 °C. Sestava pěti tepelných čerpadel od firmy Mitsubishi o celkovém topném výkonu 115 kW pracovala zhruba na třetině výkonu. To znamená dvě až tři tepelná čerpadla o výkonu kolem 48 kW. Celý prostor měl už ustálené teploty (byl osálaný) a otopné teploty byly už jenom 22 °C ve stropě a přitom podlaha zůstala na teplotách kolem 19 °C.
Pozoruhodné bylo, že se pocitově teplota v hale téměř nezměnila, i když se otevřely výsuvné dveře haly. Celá podlaha, stěny, a stropy byly nabity teplem, sálaly do prostoru a udržovaly prostorové tepelné záření téměř na původní hodnotě.
Důležité také bylo, že z každého místa či pracoviště v hale bylo vidět strop, který zásoboval shora všechna místa teplem, podobně jako slunce zásobuje teplem a světlem krajinu. Možná do jisté míry i lépe, neboť plošný zdroj tepla zářil sálavé teplo z celé plochy stropu, tzn. nešlo o bodový zdroj tepla. Celý článek o této aplikaci najde zájemce v [2].
Závěr
Ačkoliv jsou plošné tepelné zdroje známé již dlouho, jejich aplikace na stropech místností a zejména hal nebo stájí ap. jsou zatím řídké. Také navrhování tohoto vytápění je zatím v plenách, protože vyžaduje práci se zatím málo známou fyzikální kategorií prostorového tepelného záření, kterou tento příspěvek uvádí. S jeho pomocí je však návrh stropního topení úlohou pro gymnasistu se zájmem o techniku.
Mezi laickou a občas i odbornou veřejností je navíc stále slyšet fyzikálně neopodstatněné námitky, že teplo vždy stoupá vzhůru, a proto je stropní vytápění nesmysl. To vše ale není problém stropního vytápění, ale lidského poznání a jeho chabých praktických zkušeností v ČR. Stropní vytápění je především ověřeno přírodou a zkušenostmi z jiných zemí, zejména USA. A hlavně je velmi účinné a efektivní.
Literatura a zdroje:
[1] RNDr. Hejhálek, Jiří: Tepelné záření a navrhování reflexních fólií do staveb. Vydala Vega, společnost s ručením omezeným v roce 2014.
[2] RNDr. Hejhálek, Jiří: Sálavé stropní vytápění v průmyslové hale a v administrativní budově, Stavebnictví a interiér 1/2015, str. 19.
