Cíle předmětu a organizace výuky Působící klimatická zatížení na obálku budovy

Transkript

1 P1 Cíle předmětu a organizace výuky Působící klimatická zatížení na obálku budovy Pavel Kopecký

2

3 Umíme dnes navrhnout a postavit kvalitní budovy? Dnes je dostatek kvalitních materiálů (všechno je k dispozici). Z principu žádný materiál není nekvalitní. Dnes je nedostatek kvalitní řemeslné práce (nízká osobní zodpovědnost, tlak na rychlost a cenu). Kvalita kvalitní materiál + kvalitní řemeslná práce. Dobrá kvalita řemesla neumí vykompenzovat špatný návrh.

4 Umíme dnes navrhnout a postavit kvalitní budovy? Dnes je dostatek kvalitních materiálů (všechno je k dispozici). Z principu žádný materiál není nekvalitní. Dnes je nedostatek kvalitní řemeslné práce (nízká osobní zodpovědnost, tlak na rychlost a cenu). Kvalita kvalitní materiál + kvalitní řemeslná práce. Dobrá kvalita řemesla neumí vykompenzovat špatný návrh. Co je tedy ještě potřeba?

5 Umíme dnes navrhnout a postavit kvalitní budovy? Dnes je dostatek kvalitních materiálů (všechno je k dispozici). Z principu žádný materiál není nekvalitní. Dnes je nedostatek kvalitní řemeslné práce (nízká osobní zodpovědnost, tlak na rychlost a cenu). Kvalita kvalitní materiál + kvalitní řemeslná práce. Dobrá kvalita řemesla neumí vykompenzovat špatný návrh. Co je tedy ještě potřeba? Člověk, který vytváří technický návrh, potřebuje dobré porozumění fyzikálním principům. Člověk, který rozumí základním fyzikálním principům má větší šanci navrhnout správné technické řešení.

6 O čem předmět bude? Předmět aplikuje fyziku na obálku budovy (aplikovaná fyzika). Fyzika = popis, jak funguje svět kolem Vás. Chceme porozumět, proč se některé věci dějí. Zároveň chceme toto porozumění prakticky uplatnit, tj. chceme umět navrhnout funkční obálku budovy. Mnoho požadavků, které na obálku budovy klademe, vyplývá z fyzikální reality okolí. Nutným zlem proto bude stručné vysvětlení teoretických základů přenosu tepla, vlhkosti a vzduchu. Některé z požadavků na tepelně vlhkostní chování obálky můžeme vyčíslit - v inženýrské praxi používáme zjednodušené metody posuzování tepelně vlhkostního chování obálky budovy.

7 O čem předmět bude? Předmět aplikuje fyziku na obálku budovy (aplikovaná fyzika). Fyzika = popis, jak funguje svět kolem Vás. Chceme porozumět, proč se některé věci dějí. Zároveň chceme toto porozumění uplatnit, tj. chceme umět navrhnout funkční obálku budovy. Mnoho požadavků, které na obálku budovy klademe, vyplývá z fyzikální reality okolí. Nutným zlem proto bude stručné vysvětlení teoretických základů přenosu tepla, vlhkosti a vzduchu. Některé z požadavků na tepelně vlhkostní chování obálky můžeme vyčíslit - v inženýrské praxi používáme zjednodušené metody posuzování tepelně vlhkostního chování obálky budovy. Z požadavků vyplývají možná konstrukční řešení. o Chceme vysvětlit, proč vrstvíme různé materiálové vrstvy na sebe tak, jak je vrstvíme. o Chceme vysvětlit, co musí splnit napojení jednotlivých stavebních prvků a ukázat principy, jak taková napojení konstruovat. o Chceme také ukázat odlišnost obvodových plášťů pro různé klimatické oblasti. Výklad bude často ilustrován pomocí schémat a fotek. Každá přednáška bude na konci obsahovat odkazy na další zajímavé čtení přímo se vztahující k tématu přednášky.

8 Co se po Vás nechce? Postup Namemoruj Vysypej co největší množství informací za co nejkratší čas Získej za to zkoušku A klidně všechno zapomeň je přežitek a škoda času i vynaloženého úsilí. Kdo se učí, ten to umí, i když tomu nerozumí. Znám-li něco jen nazpaměť, je mi to k ničemu, pokud to neumím aplikovat na reálné problémy (pro nás technický návrh obálky budovy). Učení se bez porozumění je ztráta času. Nejde o to do Vás přes trychtýř nalít velké množství informací. Nesnažte se memorovat vědomosti, jak po Vás možná vyžadoval školský systém doposud. Informace jsou dnes snadno dostupné. Velké umění ale je v přehršli informací vybrat ty důležité a kvalitní.

9 Co se po Vás chce? Řešte reálné praktické úlohy. Reálné úlohy řešte samostatně a kreativně. Přemýšlejte u toho, co děláte. Inspirujte se, ale neopisujte bezduše. Hledejte kvalitní informace. Je celkem jedno, jakými prostředky problém vyřešíte. Vaše řešení ovšem musíte umět obhájit. Filtrujte existující informace za pomoci Vašeho porozumění základním fyzikálním a konstrukčním principům. Hledejte souvislosti. Pro pochopení souvislostí musíte vyvinout vlastní iniciativu a dostatek úsilí. Chtějte vysvětlit souvislosti od svých vyučujících. Dotahujte věci až do detailů. Pochybujte o tom, co děláte. Pochybujte i sami o sobě.

10 Co je cílem předmětu? Student by měl pochopit základní pojmy a fyzikální principy z oblastí: o šíření tepla o šíření vlhkosti o šíření vzduchu Student by měl umět teoretické znalosti použít k vlastní analýze nějakého konstrukčního problému. Aplikace znalostí je možná v předmětu SPJ. K tomu je potřeba: o vybudovat si schopnost sestavit vlastní (třeba i jednoduchý) výpočtový model, o vybudovat si schopnost mít na problém vlastní názor i bez sestavení výpočtového modelu (názor vycházející z dobré znalostí fyzikálních principů), o vybudovat znalosti konstrukčních principů (vyplývají z fyzikální reality okolního světa).

11 Organizace výuky sledujte web předmětu (informační kanál mezi vyučujícími a studenty) není předepsána kniha, podle které se učí existuje však coursebook pro vlastní studium + odkazy na další čtení (v přednáškách) požadavky o cvičení k získání zápočtu je potřeba vypracovat reporty k zadaným úlohám (6 úloh) report musí být čitelný, srozumitelný, logicky uspořádaný a kontrolovatelný odevzdání probíhá formou konzultace student musí být schopen vysvětlit a obhájit, co v úloze dělal správně musí být především postup řešení (o číselné hodnoty jde až v druhé řadě) o zkouška zkouškový test (cca 10 otázek) + 2 početní příklady (P1 přenos tepla a vlhkosti, P2 průběh napětí na nosníku od nesilových zatížení) v testu musí být dosaženo nadpolovičního množství bodů z maximálního počtu výsledek se počítá jako vážený průměr (váhy 0,50-Test/0.30-P1/0.20-P2) zkouška není zaměřena na zjišťování, jestli jste se na zkoušku naučili, nebo že se zvládáte naučit kvanta informací zkouška je postavena tak, abychom zjistili, jestli jste něčemu porozuměli

12 Harmonogram přednášek a cvičení aktuální harmonogram je vyvěšený na webu předmětu

13 Budovy vs. Klimatická lokalita Budova vždy stojí v nějaké klimatické lokalitě globální i lokální (např. město vesnice nezastavěné území) Kvalitní budova respektuje klimatickou lokalitu a probíhající fyzikální procesy Lokální klima lze chápat jako zdroj: o tepla o chladu o čerstvého vzduchu Vesmír Globální cirkulace atmosféry Klimatická lokalita Lokální klima Lokální mikroklima Klimatická lokalita Vzdálenost lokality od rovníku úhrn dopadajícího solárního záření Vzdálenost lokality od moře množství srážek a větru (klesá se vzdáleností od moře) Nadmořská výška množství srážek (stoupá s nadmořskou výškou) a teplota (klesá s nadmořskou výškou) Lokální vlivy (např. návětrná strana horského hřebene, závětrná strana horského hřebene, hluboké údolí, mrazové kotliny apod.)

14 Co lze při návrhu budovy ovlivnit? Klimatické podmínky do značné míry dány Lokální klima lze ovlivnit urbanistickým konceptem (hustota zástavby, množství zeleně ) Tvar, orientace, množství a rozložení prosklených ploch Volba stavebních prvků a materiálů Volba technických zařízení budov Budova zoom Stavební prvky (ext, int) Materiály zoom Kapalná fáze Pevná fáze (skelet) Uživatel Plynná fáze (vlhký vzduch) Chování uživatele lze jen velmi těžko ovlivnit

15 Jak vyhodnotit návrh? Jsou potřeba kritéria o Potřeba tepla na vytápění o Potřeba tepla na chlazení o Teplota vnitřního vzduchu o Činitel denní osvětlenosti o Celková spotřeba energie pocházející z neobnovitelných zdrojů o Jsou potřeba požadavky často se jedná o číselné vyjádření rozhraní mezi dobrým a špatným

16 Obálka budovy Obálka budovy odděluje vnitřní a vnější prostředí (nelze ale vytvořit úplně dokonalé oddělení) Klimatické veličiny na obou stranách obálky jsou spolu svázány fyzikálními procesy probíhajícími v obálce. Obvykle uvažujeme, že venkovní prostředí ovlivňuje vnitřní prostředí, málokdy uvažujeme, že vnitřní prostředí ovlivňuje venkovní. Důležitou funkcí obálky je zmírnění působícího zatížení = kontrola toků energie a hmoty. Čím lepší oddělení vnitřního od venkovního prostředí chceme, tím více peněz to stojí. Pro návrh obálky budovy potřebujeme znát podmínky na obou stranách. e i Zatížení z vnitřní strany Zatížení z venkovní strany Mezní vrstva Obálka Mezní vrstva

17 Jak venkovní podmínky ovlivňují obálku budovy? Působících veličin je mnoho a v čase se mění (teplota, vlhkost vzduchu, ozáření, směr a rychlost větru, déšť). Klimatické veličiny mají dopad na vnitřní prostředí budovy. Vnitřní prostředí je svázáno s venkovním prostředím kvůli procesům probíhajícím v obálce budovy a kvůli větrání ( bypass obálky ). Obálka budovy se zřejmě v různých klimatických lokalitách odlišuje. o To, co funguje v Praze, nemusí fungovat na Božím Daru. o To, co funguje v ČR, nemusí fungovat v Singapuru. Nerespektování klimatických zatížení z venkovní strany může vést k: o netrvanlivé obálce budovy, o k nehospodárnému provozu budovy (potřebě zbytečně velikých příkonů technických zařízení budov).

18 Jak vnitřní podmínky ovlivňují obálku budovy? Budova má vždy nějaký typ vnitřního provozu. o Budovy jsou obvykle v zimě vytápěné na obdobnou úroveň teploty. o Někdy ale výrobní hala s výrazným zdrojem tepla (technologie). Nebo naopak sklad brambor bez vytápění. o Vlhkost vnitřního vzduchu se může zásadně lišit (obytné bazén). o Koncentrace škodlivých látek závisí na typu provozu (např. vodní pára či sole z provozu bazénu, škodliviny z průmyslových provozů). Obálka budovy se zřejmě pro různé typy budov odlišuje. o To, co funguje v obytné budově, nemusí fungovat u bazénu. Nerespektování zatížení z vnitřního prostředí může vést k: o k netrvanlivé obálce budovy, o k nehospodárnému provozu budovy.

19 Přenosové jevy v rámci obálky budovy Obálka budovy zprostředkovává vnitřnímu prostředí to, co se děje na venkovní straně. Informace o venkovních nebo vnitřních změnách putují přes obálku díky přenosovým jevům, jako např. jsou přenos tepla (vedení tepla, proudění, sálání), přenos vlhkosti (difuze vodní páry, kapilární vzlínání, proudění vlhkého vzduchu). Přestup tepla dlouhovlnným zářením (sáláním) Přestup tepla prouděním vzduchu exteriér Krátkovlnné záření Skupenské teplo kondenzace nebo vypařování Vedení tepla a proudění Proudění vzduchu Sálání Vedení Vzduchová dutina Povrchy v místnosti - Stěny - Strop - Podlaha - Okna - Otopná tělesa Přestup tepla dlouhovlnným zářením (sáláním) Přestup tepla prouděním vzduchu interiér Větrem hnaný déšť Voda stékající po povrchu Přestup vodní páry prouděním vzduchu Kondenzace nebo vypařování na/z vnějšího povrchu exteriér Kondenzace nebo vypařování uvnitř konstrukce Difuze a šíření kapalné fáze Vzduchová dutina Zabudovaná vlhkost Proudění vzduchu Vzlínající voda Přestup vodní páry prouděním vzduchu Kondenzace nebo vypařování na/z vnitřního povrchu interiér

20 Obálka = low pass filtr Fyzikální procesy probíhají určitou rychlostí. Informace se objevují na druhé straně utlumené a se zpožděním. Jak silné tlumení a zpoždění je, souvisí s vlastnostmi obálky (způsob vrstvení, materiály, tloušťky vrstev). Příliš rychlé změny v zatížení se na druhou stranu obálky nestíhají dostat. e i Teplota Teplota čas Obálka čas

21 Podnebí v ČR Vlhké kontinentální podnebí Čtyři roční období Více srážek v létě, ale nerovnoměrně v čase (během silné bouřky může spadnout i několik desítek mm za krátký čas) V zimě srážky v čase rovnoměrnější (za jeden den několik mm) Horké léto (v létě nad 30 C) Studená zima (sníh, nejstudenější měsíc s průměrnou teplotou pod 0 C i v Praze) Opakující se vzory o Sezónní kolísání teploty venkovního vzduchu, relativní vlhkosti venkovního vzduchu či globálního solárního ozáření (střídání ročních období) o Denní kolísání teploty venkovního vzduchu, relativní vlhkosti venkovního vzduchu či globálního solárního ozáření (střídání dne a noci) o Střídání teplých a studených front ( několikadenní cyklus ) T(t) = Tprůměr + Tseason(t) + Tdaily(t) +.. T(t) 1 rok t

22 Klimatický diagram Graf zobrazující průměrné měsíční teploty a srážky (průměry z dat za delší období). Teploty a srážky pro danou lokalitu jsou běžně dostupné na webu. Roční průměr teploty, rozložení průměrných měsíčních teplot během roku. Roční úhrn srážek, rozložení měsíčních srážkových úhrnů (1 mm = 1 litr/m 2 ). Údaje pro Prahu lze používat jako referenci (s podnebím máme vlastní zkušenost). Údaje o solárním záření jsou bohužel špatně dostupné. Možný zdroj klimatických údajů: software Meteonorm 7 (na K124 je 1 licence)

23

24

25 Oteplení v budoucnu Budoucnost je nejistá nicméně očekává se (mimojiné): o Nárůst počtu tropických dnů (den, kdy denní maximální teplota > 30 C). o Nárůst počtu tropických nocí (noc, kdy teplota v noci neklesne pod 20 C). o Pokles počtu dnů, kdy venkovní teplota klesne pod nulu. o Srážky budou více nárazové. pokles potřeby tepla na vytápění o u budov, kde jsou vysoké vnitřní tepelní zisky (např. administrativní budovy) patrně půjde potřeba k nule vzestup potřeby tepla na chlazení o dnes obytné budovy běžně strojně nechladíme, v budoucnu? o administrativní budovy časový souběh solárních a vnitřních tepelných zisků, potřeba chlazení už dnes, v budoucnu? ochrana před solárními tepelnými zisky patrně nabyde důležitosti (stínění, velikost oken, orientace, zónování budovy, ) dopad na trvanlivost obálky budovy?..

26 Klimatická data z projektu Climate for Culture REMO model (scénář A1B) Typický rok v nedávné minulosti Extrémně chladný rok před koncem století. TDY typický rok EWY extrémně teplý rok ECY extrémně chladný rok Typický rok před koncem století Extrémně teplý rok v nedávné minulosti.

27 Solární ozáření v ČR Ozáření = výkon dopadajícího záření na 1 m 2 [W/m 2 ] Zajímá nás globální ozáření GG na rovinu s nějakým sklonem (od vodorovné roviny) a orientací (azimut úhel normály od jihu) v dané lokalitě Ozáření vně atmosféry na rovinu kolmou ke směru záření se nazývá solární konstanta (GSC = 1367 ± cca 40 W/m 2, kolísání kvůli eliptické oběžné dráze) Extraterestriální ozáření na vodorovnou rovinu GEh = GSC cosβ Průchod atmosférou snižuje velikost ozáření (pohlcení, odraz) Globální ozáření = přímé ozáření + difuzní ozáření (GGh = GBh + GDh) Přímé směrová závislost, Difuzní rozptýlené, všesměrové Globální ozáření se měří na 17 stanicích v ČR (stav 2012), měří se pyranometrem Typické hodnoty globálního ozáření na vodorovnou rovinu o jasná obloha W/m 2 o zatažená obloha W/m 2 GEh β GSC pyranometr

28 Průběhy globálního ozáření během jasného dne Letní slunovrat Zimní slunovrat reálné průběhy jsou kvůli oblačnosti málokdy takto hladké

29 Dávka ozáření Dávka ozáření H [kwh/(m 2.období)], H = G dt Roční dávka ozáření v ČR na vodorovnou rovinu ( kwh/(m 2.rok)) Roční dávka ozáření v ČR na svislou jižně orientovanou rovinu ( kwh/(m 2.rok)) Přímá složka/difuzní složka o V ročním úhrnu (40 % přímé/60 % difuzní) o Jasný den (80/20) o Zatažený den (0/100) Typické hodnoty denní dávky ozáření na vodorovnou rovinu o léto až 8 kwh/(m 2.den) cca odpovídá spálení jednoho litru benzínu (9 kwh/litr) o zima 1 kwh/(m 2.den) Další informace o slunečním záření hledejte: Tomáš Matuška, Alternativní zdroje energie (

30

31

32 Doporučené další čtení

33 Děkuji za pozornost a těším se na shledanou

34 Příloha: Koppenova klasifikace podnebí (Globální klimatické oblasti) klimacké pásy (A, B, C,D, E), klimatické typy (S, W, f, w, s, m), teplotní režim (a, b, c, d, h, k)

35

36 Příloha: příklady klimatických diagramů Zdroj údajů: software Meteonorm 7