Vliv obvodového pláště na tepelnou pohodu a návrh technického zařízení budov
Část 1: Obecné zásady
V textu je posuzován vliv vysokého tepelného odporu obvodového pláště na tepelnou pohodu a návrh vytápěcího a větracího systému, které jsou stále vnímány tak, jako je tomu u budov s klasickým obvodovým pláštěm, tedy s nižším tepelným odporem.
1. Úvod
V následujících příspěvcích, které se této problematiky dotýkají, je posuzován vliv vysokého tepelného odporu obvodového pláště na tepelnou pohodu a návrh vytápěcího a větracího systému, které jsou stále vnímány tak, jako je tomu u budov s klasickým obvodovým pláštěm, tedy s nižším tepelným odporem.
Pro instruktivnost při vyjádření závislosti obvodového pláště na tepelnou pohodu a na technická zařízení je provedeno obecné porovnání obou dvou případů, přičemž je zjednodušeně nazýván objekt s vysokým tepelným odporem obvodového pláště za nízkoenergetický dům a objekt s klasickými parametry obvodového pláště (např. u komplexní bytové výstavby minulého období) za standardní dům.
Články nemají exaktní technický charakter a jedná se v nich o zobecnění uvedené závislosti a někdy i s odvoláním na dříve platné legislativní ustanovení.
Je proto v zájmu srozumitelnosti zvolena i klasická symbolika pro označování veličin, tak jak byla a někdy je v uvedené oblasti užívána a jak byla užívána celé 20. století a většinou přejímána z německé technické legislativy.
Zůstává proto pro označení:
- výkonu značka Q oproti Φ,
- teploty značka t (T) oproti θ (Θ),
- součinitele přestupu tepla α oproti h.
2. Obsah a rozdělení příspěvků
Dále uvedené příspěvky jsou rozděleny do těchto témat:
- závislost tepelné pohody na tepelně technických parametrech budovy,
- odlišnosti při stanovení tepelné ztráty prostupem tepla,
- odlišnosti při stanovení tepelné ztráty větráním.
V příspěvcích je vyjádřena přednost, resp. zvláštnost nízkoenergetických domů v:
- rovnoměrnosti rozložení povrchové teploty v místnosti,
- rovnoměrnosti rozložení teplotního gradientu po výšce místnosti,
- nízkém, resp. zanedbatelném podílu tepelné ztráty prostupem,
- podstatném podílu tepelné ztráty větráním ,
- eliminaci tlumeného vytápění v mimoprovozní době (dříve přirážka p2)
- eliminaci vlivu velikosti ochlazené plochy místnosti (dříve přirážka p1),
- exaktnějším způsobu návrhu větrání z hlediska:
- produkce a koncentrace škodlivin,
- vhodnosti polohy přívodního a odsávacího otvoru pro větrání,
- režimu provozu větrání podle režimu provozu místnosti,
- velikosti objemu a tvaru místnosti, zejména vyšší konstrukční výšky,
- možnosti zjednodušeného a mnohdy i levnějšího návrhu otopné plochy.
3. Způsoby sdílení tepla
Následující příspěvky se dotýkají problematiky sdílení tepla. Zjednodušeně je pro přehlednost a pochopení uveden princip sdílení tepla u stěnové konstrukce, který je dále aplikován v zásadách pro tepelnou pohodu místnosti, návrh vytápěcího a větracího zařízení i v principu návrhu konstrukce budovy.
Vždy při předávání, ztrácení nebo příjmu tepla se jedná o sdílení tepla. Velmi zjednodušeně si můžeme sdílení tepla popsat jen pro pochopení základního principu, že teplo se sdílí z teplejšího prostředí do prostředí chladnějšího.
3.1 Sdílení tepla konvekcí (obr. 1)
Proudí-li tekutina, např. vzduch podél hmotného tělesa, např. stěny, která je chladnější, bude se do ní předávat ze vzduchu teplo, jakoby se teplo z teplého vzduchu do stěny "tlačilo" a to tím více, čím bude větší rychlost proudění vzduchu podél stěny. Opačně bude-li např. na venkovní straně stěny proudit chladnější vzduch, pak teplo ze stěny jakoby se "nasávalo" do venkovního vzduchu, a to tím více, čím větší bude rychlost proudění vzduchu.
Teplo se předalo do stěny a na druhé straně bylo ze stěny odejmuto konvekcí (prouděním).
K tomu, abychom si dokázali spočítat množství tepla, které za hodinu prošlo do stěny (bylo odejmuto) stanovujeme součinitel přestupu tepla (α).
Součinitel přestupu tepla (α) vyjadřuje množství předaného (odejmutého) tepla za hodinu (výkon) vztažený na 1 m2 povrchu stěny při rozdílu teploty vzduchu v okolí (tv) a teploty na povrchu stěny (tp) o jeden stupeň Celsia. |tv - tp| = 1 °C.
Velmi přibližně je součinitel přestupu tepla (α) pro rychlost proudění vzduchu (v) podél stěny:
| v (m/s) | 0,1 | 0,2 | 0,4 | 0,5 | 1,0 | 2,0 | 3,0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| α (W/m2K) | 6,0 | 7,3 | 9,7 | 10,5 | 14,0 | 18,7 | 24,4 |
Výkon při předání tepla konvekcí z vnitřního vzduchu do povrchu stěny se stanovuje ze vztahu:
Např. pro povrch stěny S = 1 m2, α = 8 W/m2K, tv = 20 °C, tp = 16 °C je QK = 1 . 8 (20 - 16) = 32 W
Obr. 1 Schematické zobrazení způsobu sdílení tepla konvekcí (prouděním)
3.2 Sdílení tepla sáláním (radiací) (obr. 2)
Teplo z povrchu teplejšího tělesa (1) bude sálat na opačné těleso (2), u něhož je povrchová teplota nižší. Přenos tepla je z plochy teplejšího povrchu na plochu chladnějšího povrchu a vzduch mezi sálavými plochami těles se neohřívá (to platí pouze přibližně a sice v závislosti na znečištění ovzduší, např. vodní párou, CO2, prachem apod.).
Množství předaného (vysálaného tepla) závisí na rozdílu čtvrté mocniny povrchových teplot (v absolutní stupnici teplot je Tp (K) = tp (°C) + 273) a z rozdílu součinitelů pohltivosti povrchu materiálu (ε). Konstantou ve výpočtu zůstává součinitel sálavosti absolutně černého tělesa, označovaný C = 5,77 W/m2. K4. Sálání tělesa je vztaženo na absolutní teplotu a každé těleso nad teplotu - 273 °C vydává teplo sáláním. Podle obr. 2 je pro dvě rovnoběžné plochy tělesa zjednodušeně výkon sálání vytvořen z rozdílu sálání obou ploch, tedy v závislosti na povrchových teplotách a součinitelích poměrné pohltivosti dán vztahem:
Pro plochu S = 1 m2 a součinitel pohltivosti ε = 1 je vysálané množství tepla z povrchu tělesa v závislosti na povrchové teplotě
| Tp = 273 + 0 °C | QR = 320 W/m2 |
| Tp = 273 + 20 °C | QR = 424 W/m2 |
| Tp = 273 + 50 °C | QR = 627 W/m2 |
| Tp = 273 + 100 °C | QR = 1116 W/m2 |
| Tp = 273 + 200 °C | QR = 2888 W/m2 |
Zjednodušeně a přibližně si pak můžeme z toho stanovit výkon sálavého tělesa z povrchu 1 m2, s povrchovou teplotou tp = 100 °C (Tp = 373 K) na rovnoběžnou plochu:
- s povrchovou teplotou tp = 0 °C (Tp = 273 K):
QR = QR100 - QR0 = 1 116 - 320 = 796 W/m2 - s povrchovou teplotou tp = 20 °C (Tp = 293 K):
QR = QR100 - QR20 = 1 116 - 424 = 692 W/m2
Obecně tedy platí, že větší výkon ze sálavé plochy je vysálán na plochu s nižší povrchovou teplotou. Při praktickém řešení případu, např. při sálání stropní plochy na podlahu, bude při náběhu vytápění podlahová plocha chladnější a sálavý výkon bude tedy vyšší než při stacionárním stavu, kdy povrchová teplota podlahy se účinkem vytápění zvýší.
Součinitel pohltivosti materiálu závisí od úpravy povrchu materiálu a je např. pro:
| dřevo | ε = 0,9 |
| nátěr matný | ε = 0,98 |
| nátěr olejový | ε = 0,92 |
| omítka | ε = 0,93 |
| leštěné kovy | ε = 0,05 |
| pozinkovaný plech | ε = 0,23 |
| hladký kámen | ε = 0,42 |
Obecně leštěné povrchy (zrcadla) nepohlcují sálavé teplo, ale dobře jej odrážejí (např. jsou vhodné na povrch stěny za otopným tělesem) a naopak matné povrchy dobře pohlcují teplo, např. vhodný je matný nátěr otopného tělesa, přičemž na odstínu barev prakticky nezáleží.
Stanovení výkonu sálavého tělesa, jak bylo naznačeno u dvou rovnoběžných povrchů těles, lze považovat za relativně přesný způsob podle uvedeného výpočtu. Daleko složitější je to při stanovení nestejných ploch, např. sálání malé plochy na velkou plochu a nebo na plochy, které nejsou se sálavým povrchem rovnoběžné.
Obr. 2 Schematické zobrazení způsobu sdílení tepla radiací (sáláním)
3.3 Sdílení tepla vedením (kondukcí) (obr. 3)
Z povrchu stěny o vyšší teplotě prochází více tepla napříč materiálem, pokud je více vodivý, tj. má-li větší součinitel vodivosti (λ). Součinitel vodivosti (λ) je např. pro:
| dřevo při vedení kolmo k vláknům | 0,14 až 0,24 W/mK |
| dřevo při vedení rovnoběžně s vlákny | 0,29 až 0,43 W/mK |
| beton | 1 W/mK |
| ocelový plech | 50 W/mK |
| pěnový polystyren | 0,4 W/mK |
Při stejné tloušťce stěny projde, jak je uvedeno, betonem čtyřikrát více a ocelí dvěstěkrát více tepla, než například dřevěnou stěnou.
Výpočet prošlého množství tepla za hodinu (výkon) pak stanovíme ze vztahu:
Čím nižší je hodnota součinitele vodivosti materiálu a čím větší je tloušťka stěny, tím menší množství tepla stěnou projde při ustáleném stavu, jsou-li povrchové teploty tp1 a tp2 konstantní.
Obr. 3 Schematické zobrazení způsobu sdílení tepla kondukcí (vedením)
3.4 Prostup tepla (obr. 4)
Prostup tepla, např. obvodovou konstrukcí, je součtem vedení tepla materiálem a přestupů tepla na obou stranách stěny.
Podle předchozích vztahů je tedy prostup tepla, např. obvodovou stěnou, tvořen z:
- přestupu tepla na straně vnitřní ze vztahu
- vedení tepla stěnou ze vztahu
- přestupu tepla na straně vnější ze vztahu
αi - součinitel přestupu tepla na straně vnitřní
αe - součinitel přestupu tepla na straně vnější
ti - teplota vzduchu na straně vnitřní
tpi - teplota povrchová na vnitřním líci stěny
tpe - teplota povrchová na vnějším líci stěny
te - teplota vzduchu na straně vnější
Prostup tepla je vyjádřen součinitelem prostupu tepla (U), který určuje množství tepla (výkon), které za hodinu projde stěnou 1 m2 při rozdílu teplot vzduchu, na obou stranách, 1 °C.
Obr. 4 Schematické zobrazení způsobu prostupu tepla stěnou
Např. pro běžné tepelně technické posouzení venkovní stěny, při výpočtu tepelné ztráty, se uvažují konstantní výpočtové hodnoty součinitelů přestupu tepla, které však závisí od proudění vzduchu podél konstrukce.
Pro vnitřní líc stěny v místnosti se nejčastěji uvažuje se součinitelem přestupu tepla αi = 8 W/m2K. To odpovídá reálně nízkému proudění vzduchu podél stěny s rychlostí nižší než v = 0,2 m/s.
Naopak u vnějšího líce stěny se ve výpočtu uvažuje s působením větru, při kterém je rychlost proudění vzduchu podél stěny mnohem vyšší, např. asi přibližně v = 3 m/s. Z toho důvodu je hodnota součinitele přestupu tepla vysoká αe = 23 W/m2K.
a) Nepřesnosti výpočtu
Obzvláště u součinitele přestupu tepla na straně venkovní jsou zvolené výpočtové podmínky jen velmi orientační a podle proměnné rychlosti větru i podle výšky budovy jsou hodnoty součinitele přestupu tepla αe proměnné. Přesto s nimi počítáme při celoroční bilanci.
Rovněž při zvýšení proudění vzduchu podél vnitřního líce obvodové stěny, např. při nuceném proudění vzduchu, který omývá prosklenou stěnu, většinou neprovádíme korekci součinitele přestupu tepla αi.
Uvedení součinitele prostupu tepla (U) pro konkrétní výrobek má v sobě tedy zabudovánu už tuto nepřesnost z nejčastěji používaných součinitelů přestupu tepla αi a αe.
U konstrukcí stěn, podlah, kde není na vnějším líci proudící vzduch, je hodnota součinitele prostupu tepla (U) snížena o konvekci na venkovní straně a výpočet provádíme podle znalosti vnější povrchové teploty.
b) Uplatnění aplikace
Základní principy sdílení tepla byly zjednodušeně vysvětleny pouze u běžně rutinně prováděných praktických výpočtů, resp. při uváděných parametrech u výrobků.
Uvedené příklady na konstrukci budovy jsou při jiných parametrech aplikovatelné zjednodušeně i na tepelně technická zařízení, výměníky apod., při orientačním posouzení.
V praxi se nejčastěji vyskytují vždy obě formy sdílení tepla, tedy jak konvekce, tak i radiace současně při různém podílu obou těchto složek.
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.