Ľudské sídla sú ponorené nielen na dno vzdušného oceánu okolo Zeme, kde sú ovievané vetrom. Sú tiež ponorené do tepelného žiarenia, ktoré vyžaruje Zem a ktorému budeme hovoriť zemské žiarenie. Počas dňa sa k nemu pridáva slnečné žiarenie.
Čo je to tepelné žiarenie a jeho teplota?
Každé teleso vyžaruje tepelné žiarenie, ktoré si je možné predstaviť ako balík elektromagnetických vĺn rôznych dĺžok. Zem a pozemské telesá toto žiarenie vyžarujú tiež, aj keď ho ľudské oko nevidí. To vidí iba žiarenie rozpálených telies, ako je plameň, rozpálené uhlíky v ohni, vlákno v žiarovke, slnko a podobne.
Vlnový balík obsahuje obrovské množstvo vĺn, z ktorých jedna vlnová dĺžka λM spolu s najbližšími susedmi je v balíku zastúpená najviac. Ukazuje to obr. 1. Dĺžka dominantnej vlny je presne určená teplotou telesa a klesá, keď teplota rastie. Teplotou tepelného žiarenia sa teda myslí teplota telesa, ktoré toto žiarenie sála.
Pre tepelné žiarenie je charakteristická nielen jeho teplota, ale tiež intenzita, s ktorou sála, tj. opúšťa povrch telesa. Pre čierne teleso ju udáva Stefanov – Boltzmannov zákon
kde σ = 5,67×10–8 W/(m2K4) je Stefanova – Boltzmannova konštanta, t je teplota ve °C a T termodynamická teplota v kelvinoch. Intenzity a teploty sálania a dominujúcu dĺžku vlny vybraných zahriatych telies udáva tabuľka. Nemalo by nám uniknúť, že bežné telesá sálajú do priestoru veľké energetické výkony a že podobne veľké výkony tiež z okolitého priestoru prijímajú (absorbujú).
Funkcia tieniacich predmetov
V deň, kedy sa písal tento článok, teda 28. júla 2014, bolo takmer úplne jasno. Podľa internetového výpočtového programu [1] by na plochu južne orientovaných zvislých okien o ploche 15 m2 dopadla slnečná energia o veľkosti necelých 50 kWh, z čoho zhruba polovina, 25 kWh, by prenikla oknami dovnútra. Keby bol dom perfektne tesný a tepelne izolovaný tak, že by prijatá energia mohla unikať von len oknami v podobe tepla, pravdepodobne by sme z neho utiekli. Pri vonkajšej teplote 30 °C by vnútorná teplota vystúpila až na 90 °C, pokiaľ máme okná osadené izolačnými dvojsklami. V prípade trojskla až k 110 °C!
Horúčave v dome sa bránime tak, že otvoríme okná a dvere dokorán. Do domu však vpustíme teplý letný vzduch a priame slnko. Síce už nie sme ako v saune, domová teplota bude napriek tomu vyššia než vonku, povedzme od 35 °C vyššie. Riešením je nevpustiť priamy slnečný svit vôbec dovnútra a ideálne ani vonkajšie zemské žiarenie a horúci vonkajší vzduch. K tomu slúžia tieniace predmety, najlepšie v spojení s oknom.
| Objekt | teplota [°C] | intenzita žiarenia [W/m2] | λM [μm] |
| Povrch slnka | 5 505 | 6,32×10-7 | 0,502 |
| Slnko v mieste obežnej dráhy Zeme | 5 505 | 1 360 | 0,502 |
| Horúce teleso | 100 | 1 099 | 7,77 |
| Strecha rozpálená slnkom | 70 | 786,2 | 8,45 |
| Povrch ľudského tela | 30 | 478,9 | 9,56 |
| Povrch steny v miestnosti | 20 | 418,7 | 9,89 |
| Tmavé teleso | 0 | 315,6 | 10,61 |
| Tmavé teleso | -20 | 253,2 | 11,45 |
| Vesmír | -270 | 5,58×10-6 | 920 |
Druhy tieniacich predmetov
Každý ich pozná, alebo aspoň niektoré. Patria medzi nich napr. záclony a závesy, ktoré sa používajú na vnútornej strane okien, často spolu s vnútornými žalúziami alebo nepriehľadnými roletami, ktoré sa sťahujú aj po západe slnka a tak zabezpečujú ochranu pred pohľadmi zvonku.
Ďalej sú to tzv. medziokenné alebo medzisklenné žalúzie, ktoré plnia podobné funkcie, ako vnútorné.
Treťou kategóriou sú vonkajšie, resp. predokenné clony. Zo starších dôb poznáme okenice, ktoré v súčasnosti zažívajú znovuzrodenie. Veľmi známe sú vonkajšie rolety, žalúzie a v poslednej dobe tzv. screeny. Screeny sú väčšinou tkaniny s malou otvorovitosťou, ktorá zabezpečí slušnú mieru vnútornej osvetlenosti, ktorú je možné navyše voliť výberom vhodného screenu. Počas dňa navyše umožňujú výhľad von, ale v žiadnom prípade dovnútra.
Výhodou predokenných clôn je, že nevpustia slnečnú energiu, ktorá by sa v miestnosti premenila na teplo, nielen dovnútra, ale ani na zasklenie. To potom aj v lete zostáva chladné a neohrieva interiér.
V poslednej dobe sa vonkajšie clony, to znamená rolety, žalúzie, screeny apod., vybavujú reflexnou úpravou. Tá zabezpečuje, že sa od clony odrážajú nielen priame slnečné lúče, ale aj rozptýlené slnečné svetlo a zemské žiarenie. Tým sa clona neohrieva, čo je veľmi dôležité. Keby clona všetko dopadajúce žiarenie pohlcovala, ohriala by sa – v lete nie sú výnimkou teploty 70 °C – a sálala teplo do okna alebo do miestnosti. Kovovo lesklá clona sa aj na priamom slnku ohreje len mierne nad teplotu vzduchu. Tým chráni aj okenné zasklenie, ktoré sa neohrieva alebo len veľmi málo.
Na inom princípe pracujú vnútorné reflexné clony, ktoré sú v tomto časopise predstavené výrobkom MULTIFILM. Ak svieti priame slnko do okna, preniká jeho viditeľná časť žiarenia (a cca polovina energie slnečného žiarenia) zasklením priamo na túto clonu; zostatkovú, infračervenú a dlhovlnnú polovinu slnečného žiarenia zasklenie pohltí. Preniknuté žiarenie clona odrazí naspäť k zaskleniu a pretože ide o krátkovlnnú viditeľnú zložku, väčšina ním prejde von.
Tým funkcia vnútornej reflexnej clony nekončí. Clona, ktorá odráža teplo sálajúce od zasklenia, sa málo ohrieva. Tým, že je vysoko reflexná aj z interiérovej strany, zároveň sála do pobytového priestoru len cca desatinu toho, než bežný povrch. Aj keby mala vyššiu teplotu, než vnútorné povrchy, bude sa správať ako nesálavá, teda chladná. A nebude ohrievať priestorové žiarenie, ktorého teplotu budú určovať predovšetkým teploty vnútorných stien.
Toto riešenie sa hodí všade, kde sú veľké okenné plochy. To sú napríklad výškové administratívne budovy, kde je zároveň dosť náročné vykonávať dodatočnú montáž a údržbu vonkajších žalúzií či roliet. Ďalšou výhodou je, že si vnútorné clony dlhodobo udržujú vysokú odrazivosť.
Teplota žiarenia v miestnosti
Obr. 1 ukazuje, že v medzere medzi dvomi rovnobežnými nekonečnými povrchmi o teplotách 20 °C a 100 °C sa ustáli teplota priestorového žiarenia na úrovni 67,0 °C. K tomuto číslu dospejeme tak, že obidve teploty v °C vyjadríme v kelvinoch, umocníme na štvrtú a z obidvoch mocnín spočítame priemer. Tento priemer sa potom rovná štvrtej mocnine teploty žiarenia v medzere, vyjadrenej v kelvinoch.
Ak chceme počítať teplotu žiarenia v miestnosti, musíme poznať teplotu Ti a plochu Ai všetkých jej povrchov (stien, podlahy, stropu, okien, ale aj nábytku, vykurovacích zariadení apod.). A tiež emisivity všetkých povrchov εi, pri ktorých sa ešte pozastavíme. Štvrtá mocnina teploty priestorového žiarenia v kelvinoch je potom váženým priemerom
Teplotu priestorového žiarenia v °C potom stanovíme ako t = T – 273,15. Pozorný pohľad na vzťah (2) hovorí, že keď je teplota všetkých povrchov, ktoré ohraničujú miestnosť rovnaká, vždy sa jej rovná aj teplota priestorového žiarenia, bez ohľadu na parametre A a ε. Tento prípad môže nastať, len keď je teplota vnútorných povrchov rovná vonkajšej teplote, čo je stav, ktorý je hlavne v zime a v lete nežiaduci.
Pokiaľ sa teploty Ti líšia, tzn. že okná sú napr. v lete teplejšie než obvodové steny a tie zasa teplejšie než vnútorné steny, môžeme teplotu priestorového žiarenia v ovplyvňovať emisivitami vnútorných povrchov, hlavne vnútorných tieniacich predmetov, akú sú rolety, žalúzie, screeny, záclony, závesy ap.
Emisivita
V poslednom vzorci (2) vystupujú bezrozmerné parametre εi, ktoré sa vzťahujú ku každej ploche, ktorá ohraničuje vnútorný priestor. Vyjadrujú emisivitu daného povrchu. Ideálne má čierny povrch emisivitu rovnú jednej, čo znamená dve skutočnosti:
- povrch vyžaruje tepelné žiarenie podľa vzorca (1), tzn. v najvyššej možnej miere,
- povrch zároveň pohlcuje všetko žiarenie, ktoré na neho dopadá, a žiadne neodráža.
Reálne povrchy majú emisivitu medzi číslami 0 a 1. Väčšina povrchov dosahuje emisivity 0,9 až 1. Sú to bežné omietky, konštrukčné dosky, nátery, obklady, dlažby, sklo, betón a iné. Pri emisivite ε = 0,9 povrch sálá 90 % žiarenia, oproti ideálne čiernemu povrchu, viď (1). Zároveň pohlcuje len 90 % tepelného žiarenie, ktoré na neho dopadá, zostatkových 10 % odráža.
Energeticky inteligentné okno
Tým sa v tomto článku myslí okno, ktoré v zime vpúšťa slnečnú energiu dovnútra a v lete naopak žiadnu energiu dovnútra nevpustí, či už ide o horúce slnečné lúče alebo pozemské tepelné žiarenie s vysokými teplotami nad 25 °C; prípadne horúci letný vzduch.
Takéto okno nie je možné vyriešiť bez tieniacich predmetov, resp. clôn. Ako sme už uviedli, tieto clony nielen tienia, tzn. regulujú toky tepla, ale svojou emisivitou ovplyvňujú teplotu priestorového žiarenia vo vnútri miestnosti a tým aj teplotu vzduchu podľa vzorca (2).
Teplota vzduchu v miestnosti
Teplota priestorového žiarenia v miestnosti je daná vzorcom (2) a je možné ju ovplyvniť nízkoemisívnou (termoreflexnou) vnútornou clonou, napr. screenom. Platí to hlavne v prípade, kedy je celá jedna stena vyplnená oknami alebo celoplošne presklenná, ako tomu býva v administratívnych budovách, školách a podobne. Vieme, že nízkoemisívny povrch nesála teplo a javí sa tým pádom ako studený, aj keď tomu tak nie je. Výsledkom je relatívne nízka teplota priestorového žiarenia, daná chladnými vnútornými stenami, stropom a podlahou.
Čo sa stane s teplotou vzduchu? Tá sa zhruba až na decimetrovú vrstvu pozdĺž screenu prispôsobí teplote priestorového žiarenia, ktorú sme znížili vnútorným screenom.
Literatura
[1] Výpočtový program www.stavebnictvi3000.cz/vypocty/4-ucinny-podil-sklonite-plochy-vuci-celodennimu/.
[2] Jiří Hejhálek: Tepelné žiarenie a navrhovanie reflexných fólií do stavieb. Vega spoločnosť s ručením obmedzeným, 2014.
