Sledování povrchových teplot na prototypu atypického světlovodu pod infračervenou lampou
Prototyp atypického světlovodu s parabolickým koncentračním zrcadlem byl testován z důvodu stanovení povrchových teplot při působení slunečního záření. Účelem zkoušek je zjistit zvýšení teploty a posoudit možná problematická místa spojená s přehřátím stavebních konstrukcí a materiálů v místě instalace světlovodu.
Úvod
Požadavky na úspory energií a využívání slunečního záření v budovách přinesly mimo jiné také systémy tubusových světlovodů [1]. Světlovody mohou zlepšit úroveň denní osvětlenosti [2] v prostorách, které jsou pro přirozené denní světlo obtížně dostupné, například ve vnitřních bezokenních částech nebo v částech velkých místností vzdálených od oken, apod. [3]. Zajištění dostatečného denního osvětlení interiéru je jedním z hlavních požadavků na pohodu vnitřního prostředí [2].
Tubusové světlovody jsou v posledních desetiletích předmětem odborného zájmu zaměřeného především na zhodnocení světelné účinnosti [4, 5, 6]. Ovšem instalace světlovodů v tepelně izolovaných střechách nízkoenergetických budov s sebou přináší problémy s tepelnými mosty a kondenzací vodní páry. Sluneční záření přenášené světlovody prostřednictvím vícenásobných odrazů na vysoce reflexních plochách světelných tubusů může představovat i potenciální riziko přehřátí přilehlých konstrukcí [7].
Tepelná hodnocení světlovodů byla studována jak na modelech, tak i ve skutečných vnějších podmínkách. Byly provedeny četné experimenty pro stanovení tepelných charakteristik světlovodů daných rozměrů [8], řešeny studie tepelných zisků světlovodů v různých klimatických podmínkách [9]. Studovány byly také modely přenosu tepla světlovody a byla simulace proudění ve světlovodných tubusech [10, 11, 12].
Sluneční záření je přenášeno světlovodem odrazem na reflexní povrchové vrstvě tubusu. Speciální typy světlovodů se střešními zrcadly a parabolickými koncentrátory zvyšují jak propustnost světla, tak solární zisk světlovodu. Vysoká intenzita slunečního záření může výrazně zvýšit teplotu světlovodu, což může představovat problém přehřívání.
Testování světlovodu
Bylo provedeno tepelné hodnocení prototypu atypického světlovodu s parabolickým koncentrátorem. Výsledky tohoto hodnocení poskytly informace o možnostech jeho instalace ve střechách. Cílem testování je vyhodnotit, jak se povrchová teplota světlovodu zvyšuje vlivem působení slunečního záření. To může být důležité pro studium chování světlovodů v instalacích, kde by nárůst teploty mohl způsobit problémy s přehřátím okolních stavebních konstrukcí a dokonce i nebezpečí požáru.
Testování světlovodu bylo provedeno za stanovených teplotních podmínek. Rozložení teplot na světlovodu bylo stanoveno pomocí měření teplot a termovizního snímkování. Účelem měření bylo sledovat zvýšení povrchových teplot světlovodu v odezvě na působení tepelného záření. Teplotní čidla byla nainstalována do tubusu a na parabolický koncentrátor tak, aby měření poskytla teplotní profil světlovodu. Umístění čidel je zobrazeno na obrázku 1. Měření bylo zaznamenáváno v intervalech 1 minuty do datalogeru Almemo.
Prototyp světlovodu byl vystaven zdroji infračervenému záření. Zdrojem byla infračervená lampa, která se skládá ze tří lineárních trubic o celkovém příkonu 4,5 kW. Toto záření působí na plochu parabolického koncentrátoru 1,77 m2; průřezová plocha světlovodu je 0,21 m.2
Schéma světlovodu
I až VII – umístění teplotních čidel uvnitř profilu světlovodu
Obr. 1 Fotografie a schéma světlovodu s parabolickým koncentrátorem pod IR lampou
pozice 1, 2, 3 jsou směry monitorování světlovodu pomocí termovizního snímkování
Termovizní snímkování
Termovizní snímkování probíhalo po dobu dvou časových intervalů aktivace IR lampy:
- Krátkodobé působení po dobu 10 minut (napodobuje krátkou dobu slunečního záření),
- pro delší časový interval – 100 minut. Účelem dlouhodobé tepelné aktivace je odhadnout ustálený stav teploty na vnějším povrchu hlavice světlovodu.
Termovizní snímkování se provádělo v různých směrech pro zjištění rozložení teplot na světlovodu a kolem primární paraboly nástřešní hlavice světlovodu. Monitorování bylo provedeno za teploty vnitřního prostředí 27 °C, průměrná emisivita okolních povrchů je 0,95.
a)
b)
Obr. 2 Termovizní snímek – vzdálený pohled na celou konstrukci světlovodu vystavené záření IR lampy, a) 10 minut, b) 100 minut
Termovizní snímky pro jednotlivé části světlovodu jsou uvedeny na obrázku 3 pro krátkodobé působení IR lampy a na obrázku 4 pro aktivaci tepelného záření po dobu 100 minut.
Pozice 1 – Boční pohled
Pozice 2 – Čelní pohled
Pozice 3 – Pohled zezadu
Pozice 4 – Difuzér (vnitřní strana)
Obr. 3 Termovizní snímky světlovodu po 10 minutách od zapnutí infračervené lampy
Pozice 1 – Boční pohled
Pozice 2 – Čelní pohled
Pozice 3 – Pohled zezadu
Pozice 4 – Difuzér (vnitřní strana)
Obr. 4 Termovizní snímky světlovodu po 100 minutách od zapnutí infračervené lampy
| Povrchová teplota světlovodu [°C] | |||||||||||
| Záření IR lampy | Pozice 1 | Pozice 2 | Pozice 3 | Pozice 4 | |||||||
| maximální | minimální | průměrná | maximální | minimální | průměrná | maximální | minimální | průměrná | střed | okraj | |
| 10 minut | 30.8 | 30.3 | 30.6 | 29.9 | 29.3 | 29.3 | 31.5 | 30.8 | 31.2 | 35.2 | 38.5 |
| 100 minut | 40.1 | 39.5 | 39.9 | 37.0 | 36.6 | 36.8 | 39.1 | 38.7 | 38.8 | 44.8 | 49.1 |
| Vzestup teploty [°C] | 9.3 | 9.2 | 9.3 | 7.1 | 7.3 | 7.5 | 7.6 | 7.9 | 7.6 | 9.6 | 10.6 |
| Povrchová teplota světlovodu [°C] | |||||||||||
| Záření IR lampy | Pozice 1* | Pozice 2* | Pozice 3* | Shrnutí: Nárůst teploty:
| |||||||
| maximální | minimální | průměrná | maximální | minimální | průměrná | maximální | minimální | průměrná | |||
| 10 minut | 34.3 | 32.7 | 33.5 | 28.9 | 27.1 | 27.8 | 27.1 | 27.4 | 27.7 | ||
| 100 minut | 36.3 | 31.0 | 33.4 | 34.8 | 34.1 | 34.4 | 31.2 | 30.2 | 30.6 | ||
| Vzestup teploty [°C] | 2.0 | – | – | 5.9 | 7.0 | 6.6 | 4.1 | 2.8 | 2.9 | ||
| Pozn.: Pozice 1, 2, 3 a 4 – viz Obrázek 1. termovizní snímky pro Pozice 1*, 2*, 3* (kovový rám nástřešní hlavice) byly prováděny ve stejných směrech jako Pozice 1, 2 a 3. | |||||||||||
Obr. 5 Fotografie světlovodu s dodatečnou tepelnou izolací
Termovizní snímkování se opakovalo na stejném prototypu světlovodu, který byl opatřen dodatečnou tepelnou izolací 10 cm kolem horní části tubusu světlovodu ve styku s parabolickým koncentrátorem, obrázek 5. Důvodem pro zhodnocení světlovodu s izolací bylo to, že ve skutečných podmínkách bývá světlovod umístěn do izolované střešní konstrukce. Horní části světlovodu se v případě intenzivního slunečního záření mohou přehřívat. To je také zřejmé z termovizních snímků – pro izolovaný světlovod se teploty na povrchu tubusu světlovodu zvýšily na 49 °C až 74 °C (obrázek 6) a nejvyšší teplotní nárůst je na povrchu parabolického koncentrátoru, obrázek 7. Vrstva tepelné izolace se těsně před termovizním snímkováním sejmula z tubusu světlovodu. Na těchto termogramech se emisivita leštěného kovu tubusu značně nižší, neodpovídá již měřený červený bod a oblasti uvedené škále barev.
Obr. 6 Termovizní snímek tubusu světlovodu (tepelná izolace byla demontována těsně před monitorováním)
Obr. 7 Termovizní snímky světlovodu nástřešní hlavice a difuzoru světlovodu
Příklady výsledků teplot z průběžných měření jsou uvedeny v grafech na obrázku 8.
Obr. 8 Příklady průběhů teplot ve světlovodu
Poznámka: M00 – teplota vzduchu v laboratoři, M01 – pozice I, M02 – pozice II, M03 – pozice III, M04 – pozice IV, M05 – pozice V, M06 – pozice VI, M07 – pozice VII.
Závěr
Monitorování atypického světlovodu s parabolickým zrcadlem pomocí termovizního snímkování a měření teplotních profilů přineslo následující poznatky:
- Teplota na povrchu se nezvýšila o více než 40 °C v případě neizolovaného světlovodu.
- U světlovodu opatřeného tepelnou izolací byl zaznamenán nárůst povrchové teploty až na 74 °C na tubusu světlovodu a až na 120 °C na parabolickém koncentrátoru nástřešní hlavice světlovodu. Tento nárůst teploty byl zaznamenán po dlouhodobém působení infračerveného záření směrovaného z IR lampy instalované nad světlovodem. Také údaje z měření teplotního profilu vykazují významný nárůst povrchových teplot v odezvě na dlouhodobé působení tepelného záření. Uvedené výsledky poukazují na možný problém přehřátí světlovodu ve střešních konstrukcích vystavených dlouhodobě intenzivnímu slunečnímu záření. Z tohoto důvodu by měl být návrh světlovodu prováděn podrobně včetně detailů osazení ve střeše známého složení, sklonu i orientace vůči světlovým stranám a pro zadané klimatické podmínky. Doporučuje se provést obal nehořlavou tepelnou izolaci kolem celého světlovodu, aby se zabránilo kondenzaci a tepelnému mostu a doplnit systém světlovodu ventilačním systémem pro omezení přehřívání.
Poděkování
Tento článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP - Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.
Autoři děkují společnosti Lightway za podporu.
Použitá literatura
- Hough T. P. ed. Trends in Solar Energy Research. Nova Science Publisher, New York 2006.
- Robertson, K., Daylighting Guide for Buildings. Daylighting Guide for Canadian Commercial Buildings, NRCan, NRCC 2002. Online guide Lightswitch Wizard, NRCan, NRCC, 2003. www.buildwiz.com.
- Boyce, P. R. Human factors in daylighting. CRC Press, Taylor & Francis Group, New York, 2014.
- Swift, P. D., and Smith, G. B. Cylindrical Mirror Light Pipes, Solar Energy Materials and Solar Cells 1995, vol. 36, pp. 159–168.
- McCluney, R. Rating of Tubular Daylighting Devices for Visible Transmittance and Solar Heat Gain – Final Report, FSEC-CR-1385-03, 2003, Florida Solar Energy Center.
- AK Athienitis, A. K. Samtamouris, M. Thermal Analysis and Design of Passive Solar Buildings. Earthscan, Routledge, Abingdon, 2013.
- Dengel, A., Swainson, M. et al. Overheating in dwellings. 116885 Overheating Guidance. BRE Watford 2016.
- S. J. Harrison, G. G. McCurdy, R. Cooke Preliminary evaluation of the daylighting and thermal performance of cylindrical skylights. Proceedings of International Daylight Conference 1998 Ottawa, pp. 205–212.
- Dudley Williams Dr. Jean-Francois Dorville Numerical study on the thermal performance of tubular light pipes under tropical climate. Case study from Jamaica. http://www.redes.unb.br/lasp/files/events/ICRERA_2014/98-Williams-Numerical-study.pdf.
- Šikula, O. et al. Thermal CFD analysis of tubular light guides. Energies, 2013, vol. 6, issue 12, pp. 6304–6321.
- Šikula, O., et al. Thermal analysis of light pipes for insulated flat roofs. Energy and Buildings 2014, vol. 85, pp. 436–444.
- Daylighting Devices, Engineering Reference – EnergyPlus 8.0,
http://bigladdersoftware.com/epx/docs/8-0/engineering-reference/page-042.html.
A light pipe prototype with a concentrating mirror parabolic head was tested for temperature profiles under solar radiation. The purpose of the testing is to find maximal temperature and estimate potential risks with overheating in the position of the pipe installation into roof structures and materials.