Vliv obvodového pláště na tepelnou pohodu a návrh technického zařízení budov
Část 2: Vliv obvodového pláště na vytváření tepelné pohody
U obvodových plášťů nízkoenergetických budov s vysokým tepelným odporem se povrchová teplota na vnitřním líci ochlazované konstrukce místnosti blíží k teplotě vzduchu v místnosti. Spolu s tím se snižuje význam podílu tepelné ztráty prostupem tepla a významnější se tak stává tepelná ztráta z větrání místnosti. To vše ovlivňuje typ i umístění otopné plochy v místnosti.
1. Úvod
Pro dosažení tepelné pohody v místnosti zajišťuje vytápěcí zařízení jak ohřívání vzduchu, tak i ohřívání povrchů (stěn, stropu, podlahy) místnosti.
U dřívějších standardních obvodových plášťů ovlivňuje povrchová teplota, vnitřního líce ochlazovaných stěn místnosti, pohodu prostředí a následně pak volbu typu a polohu otopné plochy (otopného tělesa).
U obvodových plášťů nízkoenergetických budov s vysokým tepelným odporem se povrchová teplota na vnitřním líci ochlazované konstrukce místnosti blíží k teplotě vzduchu v místnosti. Spolu s tím se snižuje význam podílu tepelné ztráty prostupem tepla a významnější se tak stává tepelná ztráta z větrání místnosti. To vše ovlivňuje typ i umístění otopné plochy v místnosti.
2. Princip hodnocení tepelné pohody
Člověk v místnosti podle své činnosti vyvíjí teplo nazývané teplem metabolickým. Podle námahy se tato tepelná produkce stanoví na jednotku povrchu a je např.:
Qm = 40 W/m2 při klidu
Qm = 100 až 130 W/m2 při lehké činnosti s pohybem
Qm = 220 až 420 W/m2 při aktivní činnosti
Za ideální (při vytápění nebo chlazení místnosti) se považuje stav, kdy odchází přesně množství metabolického tepla, které člověk podle činnosti vyprodukuje.
Z povrchu člověka odchází teplo vždy v obou složkách, jak přenosem do vzduchu v místnosti, tak sáláním z povrchu oděvu člověka na povrch v místnosti. Je-li vzduch v okolí člověka chladnější, s nízkou teplotou (tV), přenáší se do něj více konvekčního tepla. Je-li nízká povrchová teplota místnosti, zvyšuje se složka předání tepla sáláním z povrchu člověka s teplotou (tS) na povrch místnosti s teplotou (tP).
Zjednodušeně člověk sdílí metabolické teplo do okolí převážně:
- prouděním (konvekcí) tak, že vzduch z povrchu člověka (povrchu oděvu) toto teplo odebírá
- sáláním (radiací) z povrchu těla, resp. povrchu oděvu sdílí teplo na povrch místnosti (strop, stěny, podlaha).
2.1 Sdílení tepla prouděním (obr. 1)
Na obr. 1 je schematicky naznačeno proudění vzduchu s teplotou (tv), kterým je odebíráno metabolické teplo člověka při povrchové teplotě (ts) bez oděvu, resp. s oděvem při teplotě (ts1).
Tepelný odpor oděvu je vyjádřen součinitelem vodivosti λ a tloušťkou vrstvy oděvu s. Povrchová teplota oděvu ts1 je nižší než povrchová teplota neoblečeného člověka ts, a tomu odpovídá i množství odebraného metabolického tepla konvekcí QK, resp. QK1.
Zjednodušeně pro danou činnost člověka, při teplotě vzduchu tv a při stejné rychlosti proudění vzduchu je pochopitelně konvekční složka předaného tepla QK1 nižší než QK. Opačně logicky při požadavku odebrání stejného množství metabolického tepla v konvekční složce při QK1 = QK, musí být teplota vzduchu tv2 u povrchu neoblečeného člověka vyšší tak, aby se snížil rozdíl teplot (ts - tv2) a dosáhlo s tak stejného rozdílu teplot (ts1 - tv1).
Průběh této změny výkonu je lineární tak, jak lineárně se mění při přestupu tepla i teplota.
V obecném principu je předání konvekční složky metabolického tepla do vzduchového prostředí dáno zejména teplotou vzduchu tv a dále v závislosti na povrchové teplotě ts, resp. ts1 a na rychlosti proudění vzduchu podél povrchu člověka.
Obr. 1 Sdílení konvekční složky metabolického tepla
(QK, QK1) do místnosti s teplotou vzduchu tv
V zimních měsících je tedy smyslem vytápění ohřát vzduch a zajistit na povrchu místnosti takové teploty, které dovolí odvod vyprodukovaného metabolického tepla od jednoho, resp. více osob (obr. 1).
2.2 Sdílení tepla sáláním (obr. 2)
Na obr. 2 je schematicky naznačeno předání metabolického tepla sáláním (QS, QS1) z povrchu neoblečeného člověka s teplotou (TS), resp. z povrchu oděvu (TS1) na povrch místnosti s teplotou TP. Absolutní teplota na povrchu člověka TS je logicky vyšší než povrchová teplota jeho oděvu TS1. Při stejné povrchové teplotě místnosti TP je předání metabolického tepla v sálavé složce (QS - QP) vyšší než při sálavé složce z povrchu oděvu (QS1 - QP).
Obr. 2 Sdílení radiační složky metabolického tepla
(QS, QS1) na povrch místnosti s teplotou Tp
3. Optimální výsledná teplota
Pro pohodu člověka se stanovuje teplota, která je složena z obou teplot, tedy z teploty vzduchu (tv) a průměrné teploty ze všech ploch povrchu místnosti.
Průměrná teplota ze všech povrchů místnosti se nazývá účinná povrchová teplota (tp). Účinná povrchová teplota se stanoví podle teplot povrchů (tpi) na jednotlivých plochách místnosti (Si) (okna, obvodové stěny, příčky, strop, podlaha) podle vztahu:
Teplota pohody (ti) je vyjádřena podle účelu místnosti (činnosti a oblečení člověka) jako základ pro její trvalé udržení v době pobytu člověka v místnosti v zimním i letním období. Je předepsána např. normou ČSN 06 0210 a ztráty tepla v zimním období musí být vykompenzovány výkonem otopné plochy tak, aby byla tato teplota trvale zajištěna. Je podkladem pro výpočet tepelné ztráty a návrh otopné plochy.
Výpočtová teplota (ti) se přibližně rovná teplotě tepelné pohody člověka a stanoví se orientačně jako aritmetický průměr z teploty vzduchu v místnosti (tv) a účinné povrchové teploty (tp) ze vztahu:
Normou je dána ti pro obytné místnosti - 20 °C
pro lázně a koupelny - 24 °C
chodby - 15 °C apod.
Optimální výsledná teplota je vyjádřena v grafu na obr. 3. Jak vyplývá z předchozího, stanovuje se její hodnota v závislosti na:
- činnosti (aktivitě) člověka - vyjádřeno na y-ové stupnici:
- vlevo v jednotkách met (metabolic),
- vpravo produkcí metabolického tepla v jednotkách měrného výkonu W/m2,
- oblečení člověka - vyjádřeno na x-ové stupnici:
- dole v jednotkách clo (clothes)
- nahoře hodnotou tepelného odporu oblečení v jednotkách m2°C/W.
Vyznačená hodnota optimální výsledné teploty topt = 22 °C, a to odpovídá činnosti a předpokládanému normovému oblečení v pobytových místnostech při přípustném rozsahu pro nejkomfortnější kategorii prostředí A.
Podle ČSN EN 12 831 na základě EN ISO 7730 se za výpočtovou teplotu považuje optimální výsledná teplota, která jako funkce oblečení a činnosti člověka vytváří tři kategorie vnitřního prostředí A, B a C. Podle těchto podkladů je výsledná vnitřní teplota v kategorii vnitřního prostředí A, např. pro:
- kancelář, konferenční místnost, posluchárnu, mateřskou školu, obytnou místnost ...... 21 až 23 °C
- koupelnu ...... 24,5 až 25, 5 °C
- muzeum/galerii ..... 17,5 až 20,5 °C
Obr. 3 Diagram pro stanovení optimální výsledné teploty v místnosti
4. Tepelná nepohoda
Při nižší teplotě vzduchu a nebo povrchu stěn se vytváří u člověka pocit chladu - odvádí větší množství tepla jednak z povrchu člověka prouděním do chladnějšího vzduchu a nebo se větší množství tepla vysálá z povrchu člověka na povrch chladnějších stěn.
V letních měsících naopak je často teplota vzduchu, resp. teplota povrchu místnosti tak vysoká, že prostředí od člověka není schopné přijmout produkované metabolické teplo. Vytváří se stav přehřátí člověka, teplo se sdílí pocením, člověk má tendenci zklidnit činnost k nehybnosti, aby produkce tepla byla nízká (obr. 4).
Celkově vzniká nepohoda z nadměrné teploty v okolí člověka. V letních měsících s významným podílem slunečního záření je u místností s velkými tepelnými zisky nutné navrhovat chlazení, kterým snižujeme teplotu vzduchu, ale i následně a nebo prioritně také teplotu povrchu místnosti na přijatelnou mez, při které je na jakési přiměřené úrovni odvod metabolického tepla.
Je-li vydání tepla člověkem do vzduchu v místnosti (konvekce) a na povrch místnosti (radiace) předpokladem pohody, je třeba při vytápění nebo při chlazení sledovat nejen teplotu vzduchu, ale také teplotu povrchu místnosti.
U různých tepelných odporů obvodového pláště a různých teplotách povrchů a následně teplotách vzduchu v místnosti se vytváří i rozdíl mezi teplotami, které jsou v pobytové zóně u člověka. Vytváří se tak teplotní nerovnoměrnost, která je buď horizontální nebo vertikální.
4.1 Horizontální nerovnoměrnost (obr. 4A)
Horizontální teplotní nerovnoměrnost vzniká z nepříznivého účinku, např. prosklené stěny, resp. stropu v poloprostoru pomyslného pobytu člověka. Intenzivně chladný povrch poloprostoru z prosklené části nebo i jiné konstrukce s nízkým tepelným prostorem se vytváří intenzivní účinek sálání z povrchu člověka a zároveň v druhé části z poloprostorem s vyšší povrchovou teplotou je účinek sálání od člověka nižší. Při průhledných výplních, např. skleněných oknech, je vliv sálání od člověka do této prosklené plochy rozhodující nejen povrchová teplota, ale velikost součinitele propustnosti skleněné plochy
4.2 Vertikální nerovnoměrnost (obr. 4B)
Vertikální teplotní nerovnoměrnost je téměř výhradně konvekční složkou, tedy rozdílem v teplotách vzduchu. Lidské tělo snáší lépe zvýšení teploty v úrovni hlavy než naopak u kotníků.
Proměnný teplotní gradient po výšce místnosti ovlivňuje např. studená podlaha, tedy podlaha s nízkou povrchovou teplotou. Nad ní se vytváří vrstva studeného vzduchu, kterou lze jen stěží eliminovat konvekčním vytápěním. U nízkoenergetických domů s vysokým tepelným odporem podlahy nemůže povrch podlahy vytvářet chladnou vrstvu vzduchu nad podlahou a tak přispívat k vertikální nerovnoměrnosti.
Obr. 4 Nerovnoměrnost rozložení teploty v místnosti
A - nerovnoměrnost horizontální od svislých ploch - různé sálání
B - nerovnoměrnost vertikální při rozložení teploty vzduchu po výšce - konvekce
Větší sdílení tepla do obvodového pláště standardních budov by mělo být kompenzováno ze stejného směru sálavou topnou plochou, která ohřívá povrch člověka tam, kde je nejvíce ochlazován.
Při nízké účinné povrchové teplotě (tp) je vždy nutné pro pohodu člověka zvyšovat teplotu vzduchu v místnosti a tím je dán i vyšší požadavek na výkon tělesa.
Při konvekčním vytápění i při významném zvýšení velikosti otopného tělesa se však nemusí dosáhnout v prostoru místnosti požadované pohody, neboť ohřátý vzduch od otopného tělesa stoupá a ohřívá zejména podstropní část konstrukce. Např. studená podlaha s malým tepelným odporem u místnosti nad průjezdem nebo nevytápěným suterénem vytváří trvale nad povrchem podlahy studený "polštář" vzduchu, který konvekční otopné těleso nedokáže ohřát. Chladný vzduch u podlahy je člověkem významně vnímán. Pro zvýšení pohody je lépe využít sálavé otopné plochy, od níž je ohřívána podlahová konstrukce, než využít konvekčního vytápění s protiproudem teplého vzduchu k povrchu podlahy, např. z teplovzdušného agregátu.
The following contributions, which deal with this problematic, consider the impact of high heat resistance of the walling on the thermal comfort and the design of heating ventilations systems, which are still perceived, as it is the case in buildings with classical walling, therefore, to have lower thermal resistance. For instructions to formulate the effect of walling on the thermal comfort and technical equipment, a general comparison of both the following cases is made, which is simply called building with high thermal resistance of external walls for a low-energy house, and a building with classical walling parameters (e.g. housing estate from the past) as a standard house. The articles are not of exact technical nature and deal with regularly updated dependencies and sometimes refer to previously applicable legal provisions.
