Vliv obvodového pláště na tepelnou pohodu a návrh technického zařízení budov - Část 3
Vliv povrchové teploty místnosti na návrh vytápění
Prostupem tepla stanovujeme tepelnou ztrátu pro návrh teplosměnné plochy, která kryje tepelnou ztrátu. Tepelnou ztrátou však stanovíme pouze ztrátu prostupem tepla z místnosti do venkovního prostředí nebo do sousedních místností, kde je nižší teplota.
1. Výpočet tepelné ztráty prostupem
Prostupem tepla stanovujeme tepelnou ztrátu pro návrh teplosměnné plochy, která kryje tepelnou ztrátu. Tepelnou ztrátou však stanovíme pouze ztrátu prostupem tepla z místnosti do venkovního prostředí nebo do sousedních místností, kde je nižší teplota.
Výpočet provádíme nejčastěji pro výpočtové extrémně nízké teploty, které jsou pro různé oblasti v republice v mezích te = - 12 nebo - 15, -18, resp. - 21 °C.
Obecný vztah pro takový výpočet tepelné ztráty prostupem z místnosti do venkovního, resp. sousedního vzduchového prostředí je dán vztahem:
Sj je ochlazovaná j -tá plocha: stěna, podlaha, strop, okno (m2)
Uj součinitel prostupu tepla j - té plochy (W/m2K)
ti výpočtová vnitřní teplota vzduchu (°C)
tej výpočtová teplota prostředí na vnější straně stěny s plochou Sj (°C)
Je-li na vnější straně stěny vyšší teplota než teplota vytápěné místnosti, má tepelný tok zápornou hodnotu a v tomto případě jde o tepelný zisk, který zmenšuje tepelnou ztrátu Qo.
Výpočet prostupu tepla však nevypovídá o tom, kolik je ploch v místnosti s nižší povrchovou teplotou.
Pro tepelnou pohodu prostředí, jak bylo uvedeno v části 2, je v místnosti nutno sledovat i povrchovou teplotu, zejména ochlazovaných ploch místností.
2. Návrh přirážky na vyrovnání vlivu chladných stěn
Navrhneme-li teplosměnnou plochu (otopné těleso) pouze na tepelnou ztrátu prostupem, bude v místnostech, kde je více ochlazovaných ploch, větší nepohoda, než v místnostech, kde účinná povrchová teplota je vyšší.
K tomu, abychom v místnosti, která má více ochlazovaných ploch, vyrovnali vliv nižší účinné povrchové teploty, musíme navrhnout vyšší teplosměnnou plochu, kterou se zvýší teplota vzduchu tak, aby byla zachována rovnocenná teplota pohody pro člověka (výpočtová teplota)(ti). Ve výpočtovém schématu tepelných ztrát podle staré ČSN 0602 10 se zaváděla přirážka na vyrovnání vlivu chladných stěn.
Zvýšení tepelné ztráty prostupem na základě přirážky p1 dává hodnotu pro návrh otopného tělesa podle vztahu:
Přirážka na vyrovnání vlivu chladných stěn, označena (p1) zvyšuje teplosměnnou plochu (otopné těleso) na základě průměrného součinitele prostupu tepla (Uc), který se stanoví ze vztahu:
Qo je tepelná ztráta prostupem (W)
S - plocha všech povrchů místnosti (m2)
Δt - rozdíl mezi výpočtovou venkovní teplotou vzduchu (např. te = -15 °C) a výslednou (výpočtovou) teplotou vzduchu v místnosti (např. ti = 20 °C)
Velikost přirážky (p1) je stanovena jako 15 % průměrného součinitele (Uc) podle vztahu
Pokud z průměrného součinitele prostupu tepla získáme přirážku (p1), vyjadřujeme tím skutečnost, že na nižší povrchovou teplotu v místnosti musíme zvýšit tepelný výkon teplosměnné plochy o 15 % Uc z průměrného součinitele prostupu tepla, tedy o tuto hodnotu se zvyšuje teplota vzduchu (tv).
3. Příklad porovnávacího výpočtu přirážky p1
Porovnejme pro představu dvě místnosti podle obr. 1 tak, že místnost v řadovém uspořádání je označena jako M1 a místnost v rohovém uspořádání je označena jako M2.
Pro porovnání uvažujme:
- světlé rozměry místnosti 3,16 x 3,16 x 3,16 m,
- plocha ochlazovaného zdiva stěny je 7 m2
- celková plocha povrchů (stěny, strop, podlaha, příčky) 60 m2
- výpočtová venkovní teplota te = - 15 °C
- výpočtová teplota v místnosti ti = 20 °C
- výpočtový teplotní spád Δt = 35 °C
- součinitel prostupu tepla venkovní stěnou Us = 1,0
- součinitel prostupu tepla oknem Uo = 2,5
Obr. 1 Příklad ochlazování místnosti u místnosti M1 - řadové, M2 - rohové,
QO - výkon tělesa z tepelné ztráty prostupem, QP - zvýšení výkonu tělesa na vliv ochlazované stěny
a) Výpočet pro místnost M1
Tepelná ztráta prostupem tepla:
Průměrný součinitel prostupu tepla:
Přirážka na vyrovnání vlivu chladných stěn:
Zvýšený výkon teplosměnné plochy na ochlazované stěny:
b) Výpočet pro místnost M2
Tepelná ztráta prostupem tepla:
Průměrný součinitel prostupu tepla:
Přirážka na vyrovnání vlivu chladných stěn:
Zvýšený výkon teplosměnné plochy na ochlazované stěny:
Zvýšení výkonu teplosměnné plochy na ochlazované stěny u rohové místnosti (M2) je více jak čtyřnásobné oproti místnosti řadové M1.
Uvedeným výpočtem hodnotíme jen velmi přibližně a s dostatečným předimenzováním výkonu vliv působení snížené účinné povrchové teploty v místnosti.
Posudek je podle přirážkového součinitele prováděn při stacionárním stavu (při nepřerušovaném vytápění). Pak působí pouze vliv nejchladnější, tj. venkovní stěny, tedy stěny, kde dochází k prostupu tepla do venkovního prostředí.
4. Roční průběh povrchových teplot pro různé součinitele prostupu tepla
Tak, jak se mění venkovní teplota během topného období, tak se bude měnit i povrchová teplota místnosti. S vyšší teplotou venkovního vzduchu v průběhu roku se význam povrchové teploty na ochlazovaných plochách snižuje.
Proveďme jednoduchý výpočet povrchových teplot pro obvodovou stěnu s proměnnou venkovní teplotou v topném období.
Zvolme příklad ročního průběhu výkonu při oblastní výpočtové venkovní teplotě te = - 15 °C, při délce topného období 250 dnů (6 000 hod.).
Pro porovnání posuzujme venkovní stěnu s různým tepelným odporem se čtyřmi zvolenými součiniteli prostupu tepla:
- U = 2,5 W/m2K
- U = 1,0 W/m2K
- U = 0,5 W/m2K
- U = 0,3 W/m2K
Výpočtově stanovme stacionární stav pro výkony odpovídající průběhu venkovních teplot při jejich přibližném trvání v topném období:
- te = - 15 °C 100 % Qo při době trvání 6 dnů
- te = - 9,4 °C 80 % Qo při době trvání 19 dnů
- te = - 2,2 °C 60 % Qo při době trvání 118 dnů
- te = + 1,8 °C 40 % Qo při době trvání 52 dnů
- te = + 7,4 °C 20 % Qo při době trvání 37 dnů
- te = + 11,2 °C 10 % Qo při době trvání 18 dnů
Výpočet povrchových teplot pro toto zadání je proveden v tabulce 1:
| tp °C | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Venkovní teplota te °C |
Výkon % | Počet dnů | Počet hodin | U = 2,5 U/α = 0,312 |
U = 1 U/α = 0,125 |
U = 0,5 U/α = 0,0625 |
U = 0,3 U/α = 0,0375 |
| -15 | 100 | 6 | 144 | 9,4 | 15,6 | 17,8 | 18,7 |
| -9,4 | 80 | 19 | 456 | 10,8 | 16,3 | 18,16 | 18,9 |
| -2,2 | 60 | 118 | 2832 | 13,1 | 17,2 | 18,6 | 19,2 |
| 1,8 | 40 | 52 | 1248 | 14,3 | 17,7 | 18,9 | 19,3 |
| 7,4 | 20 | 37 | 888 | 16,1 | 18,4 | 19,2 | 19,5 |
| 11,2 | 10 | 18 | 432 | 17,25 | 18,9 | 19,4 | 19,7 |
| 4,56 | 48,8 | 250 | 6000 | 13,8 | 16,2 | 18,7 | 19,3 |
Tabulka 1 - Výpočet průběhu povrchových teplot (tp) obvodových konstrukcí během topného období
Tabulka 1 ukazuje výpočet povrchových teplot ochlazovaných stěn v průběhu topného období (s venkovní teplotou od te = -15 °C až do +13 °C).
Tabulka je sestavena pro šest období s venkovními teplotami odpovídajícími ročnímu průběhu výkonů při výpočtové teplotě vzduchu tv = 20 °C.
V posledním řádku tabulky jsou uvedeny roční průměry při délce topné sezóny 250 dnů, tj. 6000 h (24 . 250).
Tabulka je instruktivní i tím, že u ochlazovaných konstrukcí s vysokým tepelným odporem jsou povrchové teploty dostatečně vysoké, takže přirážku p1 můžeme zanedbat.
Metodikou přesného výpočtu účinné povrchové teploty bychom zjistili, že výpočet přirážkovou metodou vede k předimenzování otopného tělesa u plných neprůsvitných konstrukcí stěny.
5. Zhodnocení výpočtu
Metoda přirážkového způsobu výpočtu vlivu chladných stěn je způsob, který je přijatelný pouze pro místnosti s nízkým tepelným odporem obvodového pláště. Zvýšenou teplosměnnou plochou otopného tělesa (zvýšením jeho výkonu) se vlastně zvyšuje teplota vzduchu tv, tedy konvekční složka proto, že je snížená teplota povrchů obvodových stěn. U nízkoenergetických domů s vysokým tepelným odporem, s teplotou povrchu blížící se celkové účinné povrchové teplotě místnosti, není nutné zvyšovat teplotu vzduchu pro vyrovnání vlivu chladných stěn. Přirážka p1 se tak blíží k nulové hodnotě, a proto v ČSN EN 12 831 se s touto přirážkou již nepočítá. Poloha místnosti v budově je prakticky z hlediska účinné povrchové teploty rovnocenná a tepelná ztráta je dána pouze prostupem.
Výpočet přirážky p1 platí pouze pro konvekční vytápění u standardních budov je platný pouze pro konvekční vytápění u standardních budov, tedy vytápění pomocí otopných těles nebo teplovzdušné vytápění. Zároveň je to způsob, který vyhovuje pro ochlazované stěny nebo stropy, ale většinou nevyhoví pro ochlazované podlahy.
6. Povrchové teploty u ochlazované podlahy
Tabelární výpočet povrchových teplot tak, jak je uveden pro čtyři typy tepelné izolace stěn, se dá aplikovat i pro ochlazovanou podlahu.
Pro představu uvažujme místnost, která má ochlazovanou podlahu, např. nad průjezdem, kde bude přibližně stejná venkovní teplota, jak bylo uvažováno v tabulce pro venkovní stěny. Reálná hodnota součinitele prostupu tepla u starých budov může být při U = 1 W/m2K. Pak podle tabulky vychází povrchová teplota v rozmezí tp = 15,6 °C (při te = - 15°C) až po tp = 18,9 °C (při te = 11,2 °C).
Studené podlahy s takto nízkou povrchovou teplotou dokážeme jen stěží ohřát zvětšenou konvekční vytápěcí plochou (otopným tělesem) tak, abychom dosáhli požadované pohody.
Od otopného tělesa, i když mu zvětšíme výkon (o 15 % z Uc), nikdy nezajistíme, aby ohřátý vzduch od tělesa klesal k podlaze a ohříval jej. Naopak trvale budeme mít ochlazovaný vzduch nad povrchem podlahy, který bude tvořit polštář studeného vzduchu, běžným konvekčním vytápěním neodstranitelným. Při konvekčním vytápění musíme nutně tedy zvýšit tepelný odpor podlahové konstrukce alespoň na takové hodnoty povrchových teplot, které jsou uvedeny v posledním sloupci tabulky při součiniteli prostupu tepla U = 0,3 W/m2K, jak vyžadují kritéria nízkoenergetických domů.
Nízká povrchová teplota podlahy je z hlediska vytápění řešitelná pouze použitím velkoplošného podlahového vytápění nebo sálavého stropního vytápění, u kterého je sáláním podlaha ohřívaná.
7. Umístění otopného tělesa u obvodové stěny standardní budovy (obr. 2)
Tradiční umísťování otopných těles u obvodové stěny se standardními parametry tepelného odporu lze shrnout do následujících bodů.
Obr. 2 Výhody umístění otopného tělesa u obvodové stěny s nízkým tepelným odporem, A - sálání otopného tělesa ze směru nejvíce ochlazované plochy místnosti, B - zvýšení účinné povrchové teploty, C - povrchová teplota pod teplotou rosného bodu u stěny bez otopného tělesa, D - odvod vlhkosti ze stěny
7.1 Sálání z povrchu tělesa (obr. 2A)
Sálání otopného tělesa s vysokou povrchovou teplotou do prostoru místnosti působí zejména na povrch člověka ze směru plochy, která vytváří tzv. studené sálání. Chladná plocha obvodové stěny přijímá významně sálavou složku metabolického tepla člověka a otopné těleso, které z tohoto směru sálá na povrch člověka, může tuto složku studeného sálání eliminovat. Větší plocha otopného tělesa je v tomto případě výhodná.
7.2 Zvýšení povrchové teploty stěny (obr. 2B)
Otopné těleso prouděním teplého vzduchu podél obvodové stěny zvyšuje povrchovou teplotu nejochlazovanější části místnosti, což přispívá ke zvýšení celkové účinné povrchové teploty místnosti. Zároveň ohříváním obvodové stěny se stoupající vzduch od tělesa ochlazuje a proudí do prostoru místnosti níže než pod stropem.
7.3 Ochrana před kondenzací vodní páry (obr. 2C)
Zvýšením povrchové teploty u nejchladnější obvodové stěny, proudícím teplým vzduchem od tělesa, se zajišťuje teplota povrchu nad rosným bodem vzduchu místnosti. Na obr. 2C je naznačen případ, kdy není u obvodové stěny otopné těleso a vytápění je zajišťováno jiným způsobem. Může tak být dosaženo povrchové teploty tp = 10 °C. U běžných vlhkostí vzduchu v místnosti je hodnota této povrchové teploty pod rosným bodem vzduchu.
7.4 Odvod vlhkosti z obvodové stěny (obr. 2D)
Zvýšení teploty proudícího vzduchu podle chladnější stěny, která má vyšší vlhkost, se jednak stěna ohřívá a dál prouděním vzduchu se z jejího povrchu odvádí vlhkost do vzduchu v místnosti. Teplým vzduchem je tato stěna s vyšší vlhkostí vlastně sušena oproti obvodovým stěnám, kde toto proudění teplého vzduchu není zajištěno (např. zastavěné stěny nábytkem) a kde nebezpečí kondenzace vlhkosti vytváří tvorbu černé plísně.
Z výše uvedených důvodů význam umístění otopné plochy u obvodové stěny v nízkoenergetických domech značně poklesl a není proto důvod takové řešení volit namísto vhodnějších systémů návrhu otopných ploch.
8. Účinná povrchová teplota místnosti u velkoplošného vytápění
Přirážkový způsob výpočtu zvýšení výkonu na ochlazované stěny nezahrnuje případy používání velkoplošného vytápění (velkoplošná tělesa, podlahové, resp. stěnové otopné plochy), které podstatně zvyšují celkovou účinnou povrchovou teplotu místnosti. Známe-li povrchové teploty velkoplošných otopných ploch, snadno stanovíme účinnou povrchovou teplotu (i poloprostoru) a zjistíme pak, že pro zachování výsledné teploty ti se nám značně sníží požadovaná teplota vzduchu (tv). Vytápění na nižší teplotu vzduchu je vytápění, které vede k významným energetickým úsporám. Z tohoto hlediska je výhodná kombinace velkoplošné otopné plochy podlahy s přiváděným chladnějším vzduchem na větrání u nízkoenergetických domů, kde přívodní vzduch nemusí pokrývat tepelnou ztrátu prostupem. Nižší teplota přiváděného vzduchu přispívá k vytvoření rovnoměrného teplotního gradientu po výšce místnosti, tedy i v pobytové zóně nad podlahou.
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.