Súčasný stav
Ten založila harmonizovaná norma ČSN EN ISO 6946 tým, že nadsadila prúdenie vzduchu v stavebných medzerách tak, že sa doslova vytratil význam tepelného žiarenia, resp. sálania. Nafúknutie (nadsadenie) vplyvu prúdenia nemusí ihneď každého napadnúť. Je k tomu potrebné zbaviť sa slepej úcty k práci normalizačných komisií a vhod príde aj kurz fyziky.
Prvé podozrenie
Toto sa dostaví, keď normu aplikujeme na planetárnu troposféru o hrúbke 10 km. To je pri vedomí nejakej chyby možné, pretože norma nijakým spôsobom neobmedzuje hrúbku medzery a pre tepelný tok idúci hore stanoví teplotne aj hrúbkovo konštantný súčiniteľ prestupu tepla pri vedení a prúdení na úrovni 1,95 W/(m2K). Oproti teplote horných vrstiev troposféry –60 °C to pri priemernej povrchovej teplote planéty 15 °C znamená, že prúdenie, tzn. vietor Zem ochladzuje s intenzitou 146 W/m2. Radiačné modely planetárnej teploty, ktoré konštruujú vedci globálneho otepľovania, ale s ničím takým nepočítajú. To by viedlo k zníženiu priemernej planetárnej teploty cca na –6 °C, čo sa im nielenže nehodí, ale je to v rozpore s pozorovaním.
Zamenené sálanie
Prúdenie, aj keď hnané slnečnou energiou, skrátka takýto výkon nemá ani v otvorenom planetárnom systéme, nieto v malých, notabene uzatvorených stavebných medzerách. Pozrime sa na vec pozornejšie.
Jeden zo základných vzorcov normy pre vodorovnú uzatvorenú vzduchovú medzeru, kde je tok tepla orientovaný nahor, je možné pre rozdiel teplôt ΔT ≤ 5 K a pre hrúbky Δw cca od centimetra vyššie zapísať ako
kde hC je súčiniteľ prestupu tepla pri vedení a prúdení tepla. Vzorec hovorí o tom, že medzera má stále rovnaký súčiniteľ prestupu tepla hC aj vtedy, ak je nekonečne hrubá, ak sa blíži rozdiel hraničných teplôt k nule alebo keď platia obe limitné podmienky súčasne. Pretože má otočená hodnota 1/hC význam tepelného odporu RC, realizovaného vedením a prúdením, je konštantný tiež odpor RC = 0,5128... m2K/W.
Nezmyselnosť tohto normového tvrdenia je očividná:
- Ak sa blíži k nule rozdiel teplôt dosiek, ktoré ohraničujú medzeru, blíži sa k nule aj teplotný gradient v medzere. Za týchto podmienok je príspevok prúdenia samozrejme nulový a v súčiniteli prestupu tepla hC sa uplatní iba tepelná vodivosť vzduchu cez súčiniteľ λ = 0,025, tzn. hC(w) = λ/w = 0,025/w. Ten nepriamo úmerne klesá s hrúbkou w, nie je teda konštantný.
- Ak je rozdiel okrajových teplôt významný, je možné čakať miešanie teplého vzduchu so studeným, hlavne keď teplota rastie proti gravitácii. S rastúcou hrúbkou medzery však klesá priemerný teplotný gradient a s ním aj priemerná intenzita miešania. Norma však „potřebuje” opak, čím hrubšia medzera, tým väčšie miešanie, aby sa zachoval konštantný súčiniteľ hC. Už len to stačí k tomu, aby sme ju odmietli. Nie však miešanie ako také.
- S hrúbkou medzery prúdenie síce v priemere klesá, nie ale lokálne. Pri dostatočnom rozdiely okrajových teplôt prebieha len v blízkosti okrajov, kde je teplotný spád, zatiaľčo centrálna oblasť je nehybná a ekvitermná. Vzniká centrálne plato ako dôsledok zdieľania tepla medzi vzduchom a žiarením, nie však ako dôsledok vlastného prúdenia.
To, čo normotvorca vtelil do hodnoty hC a pomenoval súčiniteľom prestupu tepla pri vedení a prúdení, má v skutočnosti viac charakteristických rysov zdieľania tepla pri sálaní. Nie je možné sa teda ubrániť tomu, že hC predstavuje v jadre hlavne zdielanie tepla sálaním. Normotvorca možno vyšiel z experimentu, v ktorom nedokázal rozlíšiť prúdenie od sálania, čo nepatrí k jednoduchým úlohám. Tým sa vlastne do normových vzorcov dostalo sálanie dvakrát, čo vysvetľuje jej neprimeranú prísnosť.
Za prvé, vedenie s prúdením je opreté najskôr o starobylé experimenty z 19. storočia. Teória tepelného žiarenia vtedy ešte bola v plienkach a tieto experimenty zrejme nemohli rozlišovať príspevky vedenia s prúdením od sálania. Nieto, aby sa systematicky zaoberali nízkoemisívnymi (reflexnými) povrchmi stien vzduchových dutín. Súčiniteľ prestupu tepla pri vedení a prúdení hC, ktorý z týchto meraní vzišiel, v sebe nesie informáciu aj o sálaní v bežných vzduchových medzerách.
Za druhé bol radiačný člen do normy prišpendlený prostredníctvom člena hR (index R je od slova radiačný), ktorý vychádza už zo systematickej teórie sálania a obsahuje emisivity sálajúcich povrchov:
kde σ = 5,67×10-8 W/(m2K4) je Stefanova Boltzmannova konštanta, ε1 a ε2 sú emisivity povrchov stien medzery, T1 a T2 jejich termodynamické teploty a Tm ich stredná teplota. Súčiniteľ hR vôbec nezávisí na hrúbke vzduchovej medzery a tiež jeho závislosť na teplotách okrajov je slabá alebo žiadna, podobne ako u súčiniteľov hC.
Faktom zostáva, že poškodenie celého jedného výrobného odvetvia v odbore stavebnej tepelnej techniky je v dôsledku dvojitého započítania sálania obrovské.
Priestorové tepelné žiarenie
Nová publikácia prináša tiež nový pohľad na tepelné žiarenie v stavebných medzerách a dutinách. Tradovaný učebnicový popis ho predstavuje ako fluidum neschopné samostatnej existencie, ktoré neustále skáče medzi povrchmi tuhých telies, je nimi často pohlcované, v zvyšnej časti odrážané. Táto predstava vyvoláva skresľujúce a hlavne podceňujúce tvrdenie a závery o tom, ako sa žiarenie podieľa na prenose tepelnej energie nielen v medzerách, ale aj v miestnostiach alebo vo voľnej krajine.
Tepelné žiarenie nepreskakuje ako ping-pongové loptičky, ale predovšetkým zapĺňa priestor. Pri odvodení Planckovho vyžarovacieho zákona, ktorého myšlienkový princíp založili Rayleigh a Jeans, sa vychádzalo z predpokladu, že v dutine či medzere existuje tzv. stojaté elektromagnetické vlnenie, ktoré má v mieste ohraničujúcom steny uzol, tzn. nulovou amplitúdu elektrickej aj magnetickej zložky. To znamená, že žiarenie (v režime stojatej vlny) a pevný povrch steny o sebe vôbec nevedia. Na základe toho bol spočítaný počet všetkých stojatých vĺn rôznych vlnových dĺžok, ktoré sa do dutiny vojdú, ich energetická pravdepodobnosť a k tomu neskôr pridal Plank kvantovú podmienku (energia vlny musí byť násobkom základného kvanta h). Výsledkom bola teória, ktorá dokonale súhlasila s experimentom a za ktorú dostal Planck Nobelovu cenu za fyziku
Fotóny, tzn. kvantá elektromagnetického žiarenia, nepreskakujú od steny k stene, ale sú v dutine, s ktorej stenami si však môžu vymieňať energiu. Výmenu si je možné na časticovej úrovni predstaviť ako dej, kedy fotón v mieste steny nemá uzol, takže jej predáva energiu. A naopak. Tento pohľad vedie k definícii priestorového tepelného žiarenia v dutine, medzere, miestnosti, ale tiež k pojmu zemské (v angl. literatúre globálne) žiarenie v blízkosti zemského povrchu.
Pripravovaná publikácia podáva výpočet teploty priestorového žiarenia v stavebnej medzere s rôznymi teplotami okrajov. Jeho teplotu TR určuje v dobrom priblížení rovnica
V priblížení preto, že hodnotu TR môže mierne ovplyvniť zdieľanie tepla medzi vzduchom a žiarením. Pokiaľ toto zdieľanie zanedbáme, potom energetická hustota tohto žiarenia zodpovedá teplote TR v zmysle Planckovho, resp. Stefanova – Boltzmannova zákona. Pri vyrovnaní teplôt T1 = T2 = T dostaneme TR = T.
Tohto vzťahu je možné využiť pri meraní neznámej emisivity ε2, pokiaľ vieme zmerať priestorovú teplotu žiarenia TR v medzere a poznáme obidve hraničné teploty a emisivitu ε1. Nemerajú sa teda žiadne odrazy ani sálanie od stien, ako sa hovorí v českom preklade normy ČSN EN 16012, ktorá stanoví postup hemisférického merania emisivity. Hemisférická geometria dutiny vedie však k inému vzťahu, než (2). Hlavný problém je v udržaní teplôt hemisféry a vzorky na úrovni T1 a T2; vzorka má tendenciu sa rýchlo ohrievať, čo vedie k neurčitosti nameranej emisivity.
Pri znalosti teploty priestorového žiarenia v medzere je možné potom jednoducho určiť zdieľanie sálavého tepla IR, prestup tepla pri sálaní v medzere podľa vzťahu:
Priestorové žiarenie a tepelná pohoda
Skutočnosť, že sa v dutinách, medzerách, v miestnostiach, skrátka v priestore nenachádza len vzduch, ale tiež presne definované tepelné žiarenie (nielen preskakujúce fotóny),má významný vplyv na pocity tepla, zimy alebo tepelnej pohody. Toto žiarenie má teplotu TR danú rovnicou:
kde Ai sú plochy jednotlivých stien, podlahy, stropu, okien, resp. záclon apod. a Ti ich teploty. Teplotu TR môže ešte mierne zmeniť zdieľanie tepla medzi žiarením a vzduchom.
Je zrejmé, že zmenami emisivity ε veľkých plôch v miestnosti riadime teplotu priestorového žiarenia v miestnosti. Ľudské telo, aj cez oblečenie, si – ako už vieme – mení teplo s priestorovým tepelným žiarením, ktorého teplota by sa mala pohybovať okolo 20 °C.
To ale nie je všetko. Presné výpočty ukazujú, že v dôsledku zdieľania tepla medzi vzduchom a priestorovým žiarením sa nanajvýš behom niekoľkých desiatok sekúnd priblížia teploty vzduchu k teplote žiarenia. Týka sa to takmer všetkého vzduchu až na cca 1 až 2 dm hrubú vrstvu vzduchu v susedstve stien. To opäť ovplyvní pocit tepelnej pohody, ktorú môžeme riadiť pomocou teplôt a povrchových emisivít podlahového alebo stropného vykurovania tak, aby sme vyrovnali vplyv chladných okenných plôch, resp. obvodových stien, ktoré môžeme chrániť záclonami, či screenami, resp. maliarskymi nátermi s vhodnými emisivitami.
Dokumentuje to uvedený graf, ktorý je prevzatý z pripravovanej publikácie, kde sa takisto dozviete oveľa viac.
Záver
Pripravovaná kniha „Tepelné žiarenie a navrhovanie reflexných fólií do stavieb”, prináša nový pohľad na tepelnú ochranu budov tým, že uvádza do prirodzeného zastúpenia sálavý transport tepla, ktorý bol až doposiaľ v stavebnej tepelno technickej praxi a literatúre neprirodzene zatienený chybným nadsadením prúdenia vzduchu. Zrovnoprávnenie sálavých dejov otvára nové aplikačné možnosti ako aj cestu k novým riešeniam tepelnej ochrany a pobytovej pohody.
V prípade záujmu o publikáciu píšte na e-mail si@vega.cz.
