Please download to get full document.

View again

of 119
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.

ÚVOD VYMEZENÍ PROBLEMATIKY PRÁCE VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ BUDOV PDF

Category:

Internet

Publish on:

Views: 6 | Pages: 119

Extension: PDF | Download: 0

Share
Related documents
Description
Obsah ÚVOD VYMEZENÍ PROBLEMATIKY PRÁCE VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ BUDOV Pojem tepelné pohody Faktory ovlivňující tepelnou pohodu Faktory vnitřního prostředí
Transcript
Obsah ÚVOD VYMEZENÍ PROBLEMATIKY PRÁCE VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ BUDOV Pojem tepelné pohody Faktory ovlivňující tepelnou pohodu Faktory vnitřního prostředí Faktory ovlivňující tepelně vlhkostní zátěž Faktory osoby Ostatní faktory Model PMV/PPD Předpověď středního tepelného pocitu (PMV) Předpověď procentuálního podílu nespokojených (PPD) Místní diskomfort Požadavky na tepelnou pohodu na pracovišti ZPŮSOBY ŠÍŘENÍ TEPLA Vedení (kondukce) Proudění Sálání (radiace) Stefanův-Boltzmannův zákon Planckův vyzařovací zákon Emisivita Kirchhoffův zákon Beerův zákon Tepelné ztráty budov Prostup tepla konstrukcí Vliv emisivity na povrchovou teplotu konstrukce Vztah geometrických tepelných mostů a k povrchovým teplotám konstrukce NÍZKOEMISIVNÍ MATERIÁLY Vliv nízkoemisivních úprav na vnitřní prostředí budov Rešerše nízkoemisivních materiálů Nízkoemisivní povrchy na bázi kovů Materiály na jiné než kovové bázi Využití retroreflexe pro ovlivnění tepelné pohody... 32 4.3.1 Pojem retroreflexe Retroreflexe tepelného záření Měření emisivity Přenosný emisometr Hemisférický absolutně černý zářič Kalorimetrické měření Stanovení emisivity termokamerou Integrační sféra NÍZKOEMISIVNÍ POVRCHY Nízkoemisivní nátěry Posouzení dostupných nátěrů Testování vlivu morfologie Nízkoemisivní fólie Přehled využití tapet Testování potiskových technologií Exerimentální příprava nízkoemisivních fólií Experimentální ověření vlivu nízkoemisivních úprav Experimentální ověření vlivu nízkoemisivní povrchové vrstvy na tepelné toky Experimentální ověření efektivního sálání termokamerou Ověření vlivu nízkoemisivních povchů na distribuci střední radiační teploty RETROREFLEXNÍ PRVKY Počítačová simulace retroreflexních prvků Popis modelu Výsledky simulace Vyčíslení celkové účinnosti Shrnutí poznatků simulace Ověření projevu retroreflexe tepelného záření Vliv retroreflexe Příprava vzorků Uspořádání experiemntu Výsledky experimentu Shrnutí experimentu Výroba retroreflexních prvků RRP se čtvercovou základnou Proces tváření Shrnutí poznatků pro tváření polymerních fólií Konstrukce retroreflexních struktur jiným přístupem Skládání hliníkových pásek... 91 6.5.2 Využití pravouhlých modulárních prvků Testování geometrie RRP Povrchová úprava RRP Antireflexní filtr Vytvoření stochastického antireflexního povrchu Postup přípravy Shrnutí poznatků o antireflexním povrchu Stanovení vlivu retroreflexe na tepelnou ztrátu temperovaného tělesa ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ SEZNAM PŘÍLOH ÚVOD Jednou z klíčových otázek současné doby je zajištění nízké energetické náročnosti budov. V Evropě připadá 40 % spotřeby energie na zajištění provozu budov [1], z toho značná část (kolem 70 %) tvoří energii na vytápění. Zajištění požadavku tepelné pohody obytných prostor vyžaduje po větší část roku dodávku tepelné energie na vytápění. Stav tepelné pohody vnitřního prostředí se vymezuje vztahem teploty vzduchu a teploty okolních povrchů, ovlivňuje ji také rychlost proudění vzduchu. Souhrnný stav uvedených parametrů vystihuje tzv. operativní teplota. Optimálního stavu tepelné pohody lze dosáhnout, ve smyslu kombinace teploty vzduchu a teploty povrchů, i jinými způsoby. Teplota obvodové konstrukce je závislá na rozdílu teploty vzduchu v exteriéru a v interiéru, tepelném odporu konstrukce, podmínkách proudění vzduchu a do určité míry také na tepelném přenosu sáláním. Zejména u méně izolovaných konstrukcí, především u domů starší zástavby, bývá povrchová teplota vnitřní strany obvodových stěn až o několik stupňů Celsia nižší než teplota vnitřního vzduchu. V takovém případě bude operativní teplota rovněž snížena, a to i o několik stupňů v závislosti na dispozici místnosti. Zároveň se může projevovat nepříjemná asymetrie v tepelném sálání. Množství energie z povrchu vysálané nebo odražené souvisí s materiálovou vlastností zvanou emisivita. Pokud má povrch materiálu dostatečně nízkou emisivitu, lze jej označit jako nízkoemisivní, projevující se jako tepelné zrcadlo. Lze uvažovat o cíleném ovlivnění operativní teploty pomocí nízkoemisivních povrchových úprav, kdy tepelné sálání může být potlačeno nebo naopak podmíněno. To bude souviset s účinností odrazu a reálnou teplotou konstrukce. Dalším využitím je kombinace nízkoemisivní povrchové úpravy se sálavým vytápěním. Lze tím dosáhnout zvýšení účinku otopného systému, kdy pasivní nízkoemisivní stěna protilehlá k aktivně vyhřívané (alternativně chlazené) stěně realizuje její tepelný odraz. Takové uspořádání navíc poskytuje výhodu v okamžité odezvě v porovnání s případem, kde se sálavý tepelný tok dopadající na pasivní stěnu pohlcuje a akumuluje ve stěně, což vede k pozvolnému nárůstu povrchové teploty. Lze zaznamenat akademickou publikační činnost a také aktivitu některých zahraničních společností, které nabízí nízkoemisivní povrchové úpravy jako doplněk k zateplení budov klasickou izolací, v současném prostředí tuzemského trhu stavebních hmot však nejsou finální povrchové úpravy s nízkou emisivitou nabízeny. Popsané mechanismy, které mají vést k úspoře energie, mají jistá omezení. Potenciálně ještě vyšší míru tepelné úspory lze dosáhnout využitím odrazu tepelného záření na principu tzv. retroreflexe. Pokud je totiž využito směrového odrazu zpět ve směru zdroje, dochází tím ke snížení ztráty vyzařováním u daného objektu. V tom případě by bylo možné snížit vnitřní teplotu v prostoru při zachování stejné úrovně tepelné pohody. Předmětem práce je studium materiálově fyzikálních vlastností úprav interiérových ploch v budovách, především obytných, s potenciálním využitím nízkoemisivních povrchů. Při docílení nízké emisivity lze předpokládat změnu v rozložení radiačních teplot a s tím spojenou úsporu energie pro dosažení tepelné pohody. Samostatnou kapitolu mé práce tvoří využití retroreflexe v oblasti infračerveného záření vydávaného uživateli, která může ovlivnit operativní teplotu jednotlivých osob. 1 1 VYMEZENÍ PROBLEMATIKY PRÁCE V předchozích letech byla na ÚTHD FAST VUT Brno pod vedením S. Šťastníka vypracována řada prací, které byly věnovány vlivu emisivity různých částí staveb. Disertační práce [2], kterou vypracoval R. Steuer v roce 2006, se věnovala tématu snížené emisivity vnějšího povrchu kontaktního zateplovacího systému. Při nižší emisivitě povrchů prokazatelně dochází k menší míře podchlazení těchto povrchů radiačním sáláním vůči obloze. Lze tak předcházet saturaci povrchu vzdušnou vlhkostí, a tím předcházet růstu řas. Zároveň se jistou měrou sníží tepelný tok obálkou budovy. Disertační práce [3], kterou vypracoval J. Hollan v roce 2010, je věnována nízkoemisivní meziokenní úpravě jako efektivnímu způsobu snížení tepelné ztráty oken. Bylo prokázáno, že pokovené fólie mohou přinášet značné zlepšení součinitele prostupu tepla. Jejich aplikace je přitom nenáročná a energetická návratnost je velmi příznivá. P. Šot vypracoval v roce 2014 diplomovou práci [4], ve které prováděl praktická měření tepelného odporu izolací sestavených ze souvrství nízkoemisivních fólií. Tento druh izolací se vkládá do obvodové zdi a střešních konstrukcí, kde může plnit roli plnohodnotné tepelné izolace. Tato dizertační práce je věnována nízkoemisivním povrchovým úpravám v interiérech budov v souvislosti s prokázáním vlivu nízkoemisivních povrchů na tepelnou pohodu i s potenciálem snížení nároků na vytápění. To navazuje na tématiku studia materiálů se sníženou emisivitou, která je dlouhodobě řešena na Ústavu technologie stavebních hmot a dílců na Fakultě stavební Vysokého učení technického v Brně. 2 2 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ BUDOV 2.1 POJEM TEPELNÉ POHODY Pro posouzení vnitřních tepelných podmínek a jejich vlivu na jedince byla zavedena charakteristika tepelná pohoda vnitřního prostředí. Tepelná pohoda je pocitový stav, který člověk vnímá při pobytu v daném prostředí. Exaktní vyhodnocení je komplikované, protože vnímání tepelné pohody je individuální, a to v závislosti na věku, pohlaví, zdravotním stavu, dále na oblečení, prováděné činnosti nebo předchozí expozici; rozdílně bude vnímána teplota prostředí, pokud do něj vstoupíme z prostoru s vyšší či nižší teplotou. Proto se posouzení provádí na základě statistického vyhodnocení. Tepelná pohoda vyjadřuje stav, kdy je dosaženo takových podmínek, které zajišťují, že se člověk po tepelné stránce cítí příjemně. Je tedy dosaženo harmonie mezi tepelnou produkcí člověka a okolního prostředí. Hranice tepelné pohody mohou být zjišťovány dotazníkovou metodou, kdy testované osoby reagují na dotazy ohledně tepelných vlastností vzduchu v místnosti a zároveň jsou zaznamenávány okolní parametry. Dalším způsobem je měření fyziologických změn člověka pocení, teplota a vlhkost pokožky. Tato pozorování se provádějí v klimatických komorách [5]. 2.2 FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ TEPELNOU POHODU Faktory, které mají vliv na vnímání tepelné pohody lze rozdělit do několika skupin, které budou déle uvedeny Faktory vnitřního prostředí Jedná se o parametry prostředí, které je možné objektivně měřit. Teplota vzduchu ai [ C] je teplota vzduchu v interiéru. Nezapočítává se do ní podíl sálavé složky z povrchů okolních konstrukcí. Střední radiační teplota r [ C] je fiktivní společná rovnoměrná teplota povrchů vnitřních konstrukcí, při které by byl podíl sálavého tepelného přenosu roven skutečnosti. Operativní teplota o [ C] je teplota fiktivní izotermní ideálně černé plochy, se kterou by subjekt sdílel stejné množství tepla radiací a konvekcí jako se skutečným prostředím. Efektivní teplota ef [ C] je teplota prostoru při relativní vlhkosti φ = 50 %, která způsobí stejné celkové tepelné ztráty z pokožky jako ve skutečném prostředí. Dva prostory se stejnou efektivní teplotou vyvolají stejné reakce organismu, i když tyto prostory mají rozdílnou teplotu i vlhkost vzduchu. Podmínkou je však stejná rychlost proudění vzduchu. Vlhkost vzduchu nejčastěji je používána relativní vlhkost φ [RH, %], která udává stupeň nasycení vzduchu vodní parou nebo měrná vlhkost x [g.kg 1 ], což je hmotnostní množství vodní páry v 1 kg suchého vzduchu. Rychlost proudění vzduchu wa a jeho turbulence. Rychlost vzduchu w ovlivňuje přenos tepla prouděním a odpařováním vlhkosti z pokožky. Při vyšších rychlostech také může způsobit nepříjemný pocit průvanu. Vztah jednotlivých parametrů je zachycen na následujícím grafu. 3 Graf 1: Přijatelná rozmezí vnitřní operativní teploty a vlhkosti vzduchu podle [2] Faktory ovlivňující tepelně vlhkostní zátěž Tepelně vlhkostní zátěží se rozumí jakákoliv změna fyziologického stavu organismu způsobená tepelně vlhkostní změnou. Člověk do okolního prostředí odvádí teplo, které sám produkuje jednak svou bazální metabolickou činností, dále pak jako teplo vzniklé při výkonu fyzické námahy. Metabolická složka závisí na věku, pohlaví, ale například i na denní době. Druhá složka se vztahuje k náročnosti prováděné činnosti a ke vnitřnímu prostoru, neboť bývá nastavena odlišná teplota pro kancelář či pro tělocvičnu. Pokud by nebyla zajištěna možnost ochlazování organismu, mohlo by to vést k poškození zdraví. Organismus si proto obvykle udržuje optimální teplotu uvnitř těla kolem teploty 36,5 C ± 0,5 C. Typická teplota na povrchu kůže bývá nižší a může být i snížena, pokud je osoba vystavena chladnému prostředí. To se děje snížením průtoku krve v podkožních kapilárách. Pokud je třeba zvýšit odvod tepla, jsou cévy naopak rozšířeny, takže se teplota kůže zvýší, což vede k vyššímu odvodu tepla prouděním, ale také sáláním, pro které je lidská kůže obzvláště dobře adaptována, neboť má vysokou emisivitu na úrovni ε 0,98. Další mechanismus evaporace je účinným mechanismem odvodu přebytečného tepla a v krajním případě se projevuje viditelným pocením. Tento případ se však se stavem tepelné pohody vylučuje. 4 Obrázek 1: Rozložení povrchové teploty člověka v teplém a v chladném prostředí podle [6] Energetická bilance lidského těla je vztažena k ploše povrchu těla. Celkovou tepelnou bilanci těla vyjadřuje následující rovnice [1]: q q q q q q q q q, (1) aku m c Kde je: qaku... akumulovaný měrný tepelný výkon organismu [W.m 2 ], qm... metabolický měrný tepelný výkon [W.m 2 ], qc... měrný tepelný výkon sdílený konvekcí [W.m 2 ], qr... měrný tepelný výkon sdílený radiací [W.m 2 ], qk... měrný tepelný výkon sdílený kondukcí [W.m 2 ], qev... evaporační měrný tepelný výkon [W.m 2 ], qtr... termoregulační měrný tepelný výkon [W.m 2 ], qa... adaptační měrný tepelný výkon [W.m 2 ]. r k ev res tr a Úplný popis vztahů je možné nalézt například v práci [7]. Pro další úvahy vedené v této práci je důležité, že tepelný tok konvekcí a radiací nabývají přibližně stejných hodnot a společně tvoří hlavní podíl tepelné výměny Faktory osoby Jedná se o vliv metabolismu a oblečení. Hodnoty metabolismu se obvykle vyjadřují pomocí jednotky met, která je 58,2 W.m 2 a vychází z plochy povrchu těla průměrné osoby 1,72 m 2 a energetickým výdejem 100 W, což odpovídá dospělé stojící osobě. Tepelný výkon průměrného člověka se pohybuje v rozmezí 70 až 700 W, což dává měrný tepelný výkon na jednotku plochy lidského těla 40 až 410 W.m 2. To odpovídá hodnotě od 0,7 met pro odpočinek až po 7,0 met při těžké fyzické práci. Oblečení má zásadní vliv na odvod tepla z lidského těla do okolí. Pro vyjádření izolační schopnosti byla zavedena jednotka clo odpovídající tepelnému odporu R = 0,155 m 2.K.W 1. Hodnota 1 clo odpovídá izolační schopnosti pro běžný pánský oblek s bavlněným spodním prádlem. Celková hodnota clo pro soubor oblečení je 0,82 násobek součtu jednotlivých částí oblečení. Clo nabývá hodnot od 0 pro osobu bez oblečení až po 4 pro polární oblečení. 5 Obrázek 2: Izolace souborů oblečení v jednotkách clo podle [8] Ostatní faktory Mezi ostatní faktory ovlivňující vnímání tepelné pohody patří adaptace organismu na venkovní klima (aklimatizace), adaptace na vnitřní prostředí (aklimace), tělesné dispozice, věk a pohlaví, dále pak například konzumace jídla a pití. Tyto faktory je obtížné normativně postihnout, mají však nezanedbatelný vliv na vnímání tepelné pohody. 2.3 MODEL PMV/PPD Tepelná pohoda může být hodnocena objektivním měřením hodnot nebo pomocí subjektivního vnímání, které vystihuje, jak pociťuje velká skupina lidí tepelnou pohodu při určitých okrajových podmínkách. Norma je založena na hlasování 1300 osob. S ohledem na statistickou robustnost lze sestavit statické hodnocení a dosáhnout relativní spokojenosti u nejméně 80 % osob. Z takového principu vychází i norma ČSN EN ISO 7730: Ergonomie tepelného prostředí Analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kritéria místního tepelného komfortu [9]. Norma využívá model PMV/PPD kde je: o PMV Predicted Mean Vote, tedy předpověď středního tepelného pocitu a o PPD Predicted Percent of Dissatisfied People, tedy předpověď procentuálního zastoupení nespokojených osob. Tato mezinárodní norma uvádí parametry tepelné pohody pro mírné tepelné prostředí. Stanovuje metodu předpovědi tepelného pocitu a stupně tepelné nepohody, tedy nespokojenosti lidí vystavených mírnému prostředí a popisuje podmínky tepelného prostředí přijatelné pro tepelnou pohodu. Norma je použitelná pro osoby vystavené vnitřnímu prostředí, kde je cílem dosažení stavu tepelné pohody, nebo ve vnitřních prostorách, kde dochází k mírným odchylkám od tepelné pohody Předpověď středního tepelného pocitu (PMV) PMV ukazatel předpovídá střední tepelný pocit, který odpovídá volbě velké skupiny osob, která hodnotí svůj pocit na sedmibodové škále viz Tabulka 1. 6 PMV se vyjadřuje pomocí rovnic: PMV 0,303 0,036M Tabulka 1: Sedmibodová stupnice tepelných pocitů +3 horko +2 teplo +1 mírně teplo 0 neutrální -1 mírně chladno -2 chladno -3 zima 3 M W 3, ,99 M W p 0,42 M W 5 1,7 10 M (5867 p 8 3,96 10 fcl cl 0,028 ) 0,0014M (34 ) a 58,15 a a 4 4 cl 273 tr fclhc ( cl a ) M W ) l 3,96 10 f f h cl cl 35,7 0,028( (3) cl r cl cl cl a (2),25,25 2,38 cl a 0 pro 2,38 cl a 0 12,1 v hc,25 12,1 var pro 2,38 cl a 0 12,1 var ar (4) 2 1 1,00 1,290lcl pro lcl 0,078m K W fcl 2 1 1,05 0,0645lcl pro lcl 0,078m K W (5) kde: M metabolismus ve wattech na metr čtvereční [W.m -2 ], W užitečný mechanický výkon ve wattech na metr čtvereční [W.m -2 ], lcl tepelný odpor oděvu v metrech čtverečních a kelvinech na watt [m 2.K.W -1 ], fcl povrchový faktor oděvu, který je definován jako poměr povrchu oděného člověka k povrchu neoděného člověka [-], θa teplota vzduchu [ C], θr radiační teplota [ C], var relativní rychlost proudění vzduchu [m.s -1 ], pa parciální tlak vodní páry [Pa], hc součinitel přestupu tepla konvekcí [W.m -2.K -1 ], θcl teplota povrchu oděvu [ C]. PMV lze vyjádřit pro různé kombinace metabolismu, izolace oděvu, teplotu vzduchu a okolních konstrukcí, má se však používat jen pro hodnoty PMV mezi -2 a +2. Těchto šest hlavních parametrů by mělo nabývat hodnot v následujícím rozmezí: M 46 W.m -2 až 232 W.m -2 (0,8 met až 4 met), 7 lcl θa θr 0 m 2.K.W -1 až 0,310 m 2.K.W -1 (0 clo až 2 clo), 10 C až 30 C, 10 C až 40 C, var 0 m.s -1 až 1 m.s -1, pa 0 Pa až 2700 Pa Předpověď procentuálního podílu nespokojených (PPD) Zatímco PMV vyjadřuje průměrný teplotní vjem z daného prostředí pro velkou skupinu lidí, předpověď procentuálního podílu nespokojených PPD umožňuje stanovit kvalitativní předpověď podílu nespokojených s teplotou prostředí. Pro účely normativních požadavků lze za nespokojené považovat ty osoby, které na sedmibodové stupnici uvedené v Tabulka 1 volí hodnoty horko, teplo, chladno nebo zima. Je-li určena hodnota PMV, vyjádří se PPD následují rovnicí: PPD exp 0,03353 PMV 0,2179 PMV (6) Tabulka 2: Rozložení hodnocení individuálního tepelného pocitu pro různé hodnoty středního tepelného pocitu PMV PPD Předpověď hlasování osob % 0-1, 0 neb +1-2, -1, 0, +1 nebo , , Grafické vyjádření předchozího vztahu je uvedeno v Graf 2. 8 Graf 2: Předpověď procentuálního podílu nespokojených (PPD) jako funkce předpovědi středního tepelného pocitu (PMV) podle [9] Při zohlednění fyzické zátěže a oblečení lze odečíst optimální hodnoty operativní teploty z Graf 3. Graf 3: Průběhy optimální operativní teploty, která odpovídá PMV = 0 jako funkce energetického výdeje a tepelného odporu oděvu podle [9] 9 2.3.3 Místní diskomfort Hodnoty PMV a PPD vyjadřují diskomfort z tepla nebo chladu. Nespokojenost s teplotním stavem však může být způsobena také velkým vertikálním rozdílem teplot, nerovnoměrným osáláním, příliš chladnou podlahou nebo průvanem. Pro lehkou tělesnou činnost, převážně vsedě, v zimních podmínkách v otopném období, je potřeba dodržovat následující podmínky: o operativní teplota musí být v rozmezí 20 C a 24 C (tj. 22 C ± 2 C), o rozdíly teploty vzduchu mezi 1,1 m a 0,1 m nad podlahou (úroveň hlavy a kotníku) musí být menší než 3 C, o relativní vlhkost vzduchu musí být mezi 30 % a 70 %, o teplota povrchu podlahy musí být normálně mezi 19 C a 26 C, ale topné systémy v podlaze mohou být navrženy pro teplotu 29 C, o střední rychlost vzduchu musí být menší než cca 0,3 m.s -1, o asymetrie radiační teploty dle následující tabulky: Tabulka 3: Asymetrie radiační teploty podle [9] Teplý strop Chladná stěna Chladný strop Teplá stěna 5 C 10 C 14 C 23 C Stanovení PMV lze provést řešením uvedené rovnice, odečtem z tabulek nebo přímým měřením pomocí integrovaného čidla Požadavky na tepelnou pohodu na pracovišti Podle Nařízení vlády č. 523/2002 Sb. [10] je operativní teplota θ0 hodnotícím kritériem pro tepelnou pohodu v pracovním prostoru. Toto kritérium respektuje kromě teploty vzduchu θa i střední radiační teplotu θr, která byla dříve uváděna jako účinná teplota okolních ploch a v zahraniční literatuře se označuje jako MRT Mean Radiant Temperature. Svou roli hraje i rychlost proudění vzduchu wa. Operativní teplota se stanoví podle vztahu: 0 r A a r (7) kde A je funkcí rychlosti proudění vzduchu uvádí Tabulka 4. Tabulka 4: Závislost koeficientu A pro výpočet operativní teploty na rychlosti proudění vzduchu podle [10] va [m.s -1 ] 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1,0 A [-] 0,50 0,53 0,60 0,65 0,70 0,75 Pokud je rychlost proudění vzduchu menší než 0,2 m.s -1, lze operativní teplotu nahradit výsledkem měření pomocí kulovéh
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks