Vliv prosklených ploch na vnitřní pohodu prostředí Jiří Ježek 1, Jan Schwarzer 2 1 Oknotherm spol. s r.o. 2 ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí Abstrakt Obsahem příspěvku je určení vlivu přenosu tepla sáláním na vnitřní prostředí v místnosti při zasklení otvorových výplní izolačním dvojsklem a izolačním trojsklem. Vliv sálání otvorovými výplněmi a stavebními konstrukcemi je hodnocen na základě znalostí střední radiační teploty a operativní teploty v místnosti. Prezentován je průběh izoterm střední radiační teploty a operativní teploty při použití izolačních skel s různými součiniteli prostupu tepla. Klíčová slova: střední radiační teplota, operativní teplota, sálání, součinitel prostupu tepla, vnitřní prostředí, otvorové výplně Úvod Parametry vnitřního prostředí se v různých prostorách liší na základě charakteru provozu a využití. Parametry vnitřního prostředí jsou definovány například v Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci, ve znění Nařízení vlády č. 68/2010 Sb., 93/2012 Sb., ve Vyhlášce č. 137/2004 Sb. o hygienických požadavcích na stravovací služby a o zásadách osobní a provozní hygieny při činnostech epidemiologicky závažných, ve znění vyhlášky č. 602/2006 Sb., v Nařízení vlády č. 1/2008 Sb. o ochraně zdraví před neionizujícím zářením, ve znění 106/2010 Sb. a dále ve Vyhlášce č. 410/2005 Sb. o hygienických požadavcích na prostory a provoz zařízení a provozoven pro výchovu a vzdělávání dětí a mladistvých, ve znění vyhlášky č. 343/2009 Sb., ve Vyhlášce č. 135/2004 Sb. kterou se stanoví hygienické požadavky na koupaliště, sauny a hygienické limity písku v pískovištích, v Nařízení vlády č. 523/2002 Sb., kterým se mění nařízení vlády č. 178/2001 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zaměstnanců při práci, ve Vyhlášce č. 268/2009 Sb. o technických požadavcích na stavby, ve znění Vyhlášky č. 20/2012 Sb. a ve Vyhlášce č. 194/2007 Sb.. Parametry vnitřního prostředí pro obytné budovy, resp. obytné místnosti, jsou určeny ve vyhlášce č. 268/2009 Sb. o technických požadavcích na stavby, ve znění Vyhlášky č. 20/2012 Sb. V 16 Úspora energie a tepelná ochrana, odstavci 2) je určeno, že budovy s požadovaným stavem vnitřního prostředí musí být navrženy a provedeny tak, aby byly dlouhodobě po dobu jejich užívání zaručeny požadavky na jejich tepelnou ochranu splňující: tepelnou pohodu uživatelů, požadované tepelně technické vlastnosti konstrukcí a budov, tepelně vlhkostní podmínky technologií podle různých účelů budov, nízkou energetickou náročnost budov.
Konkrétní parametry tepelné pohody uživatelů nejsou ve vyhlášce č. 268/2009 Sb. uvedeny. Oproti tomu ve vyhlášce č. 194/2007 Sb., kterou se stanoví pravidla pro vytápění a dodávku teplé vody, jsou uvedeny měrné ukazatele spotřeby tepelné energie pro vytápění a pro přípravu teplé vody a požadavky na vybavení vnitřních tepelných zařízení budov přístroji regulujícími dodávku tepelné energie konečným spotřebitelům. V 2, odstavci 7) je určeno, že výpočtová teplota vnitřního vzduchu stanovená projektem je výsledná teplota, která zohledňuje vedle teploty vnitřního vzduchu i vliv sálání okolních stěn. Kontrola dodržení výpočtové teploty vnitřního vzduchu se ověřuje kulovým teploměrem. Tepelný tok sáláním a vliv na vnitřní prostředí Hustota tepelného toku sáláním ovlivňuje vnitřní prostředí. Na základě výpočtů lze konstatovat, že čím je nižší součinitel prostupu tepla zasklení nebo stavební konstrukce, tím je nižší i tepelný tok sáláním a naopak. Uvedené výsledky průběhu střední radiační teploty a operativní teploty tuto platnost potvrzují. Základní okrajové podmínky Výpočet je proveden pro obývací pokoj s dvěma otvorovými výplněmi (okno a prosklená stěna) - viz obrázek 1. Obr. 1: Půdorys objektu s vyznačenou místností, pro kterou je výpočet proveden Zdroj: Autor 1 Parametry místnosti jsou:
šířka pokoje 5000 (mm), hloubka (délka) 5000 (mm), světlá výška 2600 (mm), na obrázku místnost vyznačena červeně, teplota vzduchu ti = 21,0 ( C), venkovní teplota te = -17,0 ( C), součinitel prostupu tepla stěny Us = 0,25 (W/m 2 K), součinitel prostupu tepla zasklení: a) dvojsklo Ug = 1,1 (W/m 2 K), b) trojsklo Ug = 0,5 (W/m 2 K). velikost okna: 1600 x 1600 (mm), výška parapetu 800 (mm), velikost prosklené stěny: 3000 x 2400 (mm), výška parapetu 0 (mm), rychlost proudění vzduchu v místnosti wa = 0 až 0,2 (m/s). Pozn.: Ve výpočtech není pro zjednodušení uvažován rám okna. Teploty vstupující do výpočtu Teplota vzduchu interiéru ta ( C) Teplota vzduchu bez vlivu sálání. Lze měřit jakýmkoliv teplotním čidlem zakrytým fólií (např. hliníková fólie). Teplota povrchu konstrukce t p ( C) Teplota povrchu konstrukce je závislá na teplotním gradientu a tepelně-technických parametrech Střední radiační teplota t r ( C) Střední radiační teplota v sobě zahrnuje teplotu vzduchu a povrchovou teplotu konstrukcí. Lze ji určit dle vztahu: t r 4 F t 1 1 4 F t 2 2 4... F t n n 4 (1) Veličina Fn je poměr osálání a tn ( C) je teplota povrchu Teplota kulového teploměru - t g ( C) Teplota zahrnující teplotu vzduchu, teplotu povrchů konstrukcí (radiací) a proudění vzduchu. Operativní teplota - t o ( C) Jedná se o výpočtovou veličinu sloužící pro hodnocení tepelné pohody v prostoru. t o A t a 1 A t r (2)
Veličina A je součinitel závislý na relativní rychlosti proudění vzduchu, tr ( C) je střední radiační teplota a ta je teplota vzduchu interiéru. Při rychlostech proudění vzduchu pod wa < 0,2 (m/s) lze nahradit operativní teplotu výslednou teplotou tg ( C) měřenou kulovým teploměrem. t o t a t r t g (3) 2 Výpočet střední radiační teploty a operativní teploty v místnosti Pro výpočet střední radiační teploty a operativní teploty byl použit program MRT Analysis v37 Výsledky Výsledky výpočtu střední radiační teploty a operativní teploty pro obě varianty zasklení jsou prezentovány grafickou formou. Obr. 1a: střední radiační teplota; vodorovný řez místností ve výšce 1500 (mm) nad podlahou zasklení dvojsklem Ug = 1,1 (W/m 2 K) Obr. 1b: operativní teplota; vodorovný řez místností ve výšce 1500 (mm) nad podlahou zasklení dvojsklem Ug = 1,1 (W/m 2 K) Zdroj: Autor 2 Zdroj: Autor 2 Obr. 2a: střední radiační teplota; Obr. 2b: operativní teplota; vodorovný vodorovný řez místností ve výšce řez místností ve výšce 1500 (mm) nad 1500 (mm) nad podlahou zasklení podlahou zasklení dvojsklem dvojsklem Ug = 0,5 (W/m 2 K) Ug = 0,5 (W/m 2 K)
Zdroj: Autor 2 Zdroj: Autor 2 Obr. 1a znázorňuje průběh střední radiační teploty v místnosti při zasklení otvorových výplní izolačním dvojsklem Ug = 1,1 (W/m 2 K). Střední radiační teplota, např. ve vzdálenosti 500 (mm) od povrchu prosklené stěny, je 19,5 ( C). Na obrázku č. 2a je patrný průběh střední radiační teploty v místnosti při zasklení otvorových výplní izolačním trojsklem Ug = 0,5 (W/m 2 K). Střední radiační teplota, např. vzdálenosti 500 (mm) od povrchu prosklené stěny, je 20,5 ( C). Rozdíl středních radiačních teplot ve vzdálenosti 500 mm od prosklené stěny při zasklení izolačním dvojsklem a trojsklem je 1,0 ( C). Obr. 1b znázorňuje průběh operativní teploty v místnosti při zasklení otvorových výplní izolačním dvojsklem Ug = 1,1 (W/m 2 K). Operativní teplota ve vzdálenosti, např. 500 (mm) od povrchu prosklené stěny, je 20,5 ( C). Obrázek č. 2b znázorňuje průběh operativní teploty v místnosti při zasklení otvorových výplní izolačním dvojsklem Ug = 0,5 (W/m 2 K). Operativní teplota ve vzdálenosti, např. 500 (mm) od povrchu prosklené stěny, je 21,0 ( C). Rozdíl operativních teplot ve vzdálenosti 500 mm od prosklené stěny při zasklení izolačním dvojsklem a trojsklem je 0,5 ( C). Obr. 3a: střední radiační teplota: svislý řez Obr. 3b: operativní teplota: svislý řez prosklenou stěnou, viz obr. 1 zasklení prosklenou stěnou, viz obr. 1 dvojsklem Ug=1,1 (W/m2K) zasklení dvojsklem Ug=1,1 (W/m2K)
Zdroj: Autor 2 Zdroj: Autor 2 Obr. 4a: střední radiační teplota: svislý řez Obr. 4b: operativní teplota: svislý řez prosklenou stěnou, viz obr. 1 zasklení prosklenou stěnou, viz obr. 1 trojsklem Ug=0,5 (W/m2K) zasklení trojsklem Ug=0,5 (W/m2K) 2 2 Zdroj: Autor Zdroj: Autor Na obrázcích 3a, 3b, 4a, 4b jsou znázorněny průběhy střední radiační teploty a operativní teploty ve svislé rovině procházející prosklenou stěnou. Porovnání vnitřního prostředí z hlediska střední radiační teploty a operativní teploty Z porovnání výsledků průběhů teplot střední radiační teploty a operativní teploty při zasklení izolačním dvojsklem vyplývá, že tepelný tok sáláním výrazně ovlivňuje střední radiační teplotu, zatímco operativní teplota není tepelným tokem sálání téměř ovlivněna. Tepelný tok sáláním při zasklení izolačním trojsklem ovlivňuje střední radiační teplotu zcela nepatrně a operativní teplotu zanedbatelně. Rozdílnost vlivu tepelného toku sáláním při zasklení s izolačním trojsklem a dvojsklem na průběh střední radiační teploty je v rozdílnosti součinitelů prostupu tepla zasklení. Součinitel prostupu tepla izolačního trojskla je přibližně dvojnásobný než součinitel prostupu tepla izolačního dvojskla. Zásadní vliv na rozdíl ve vypočtených hodnotách operativní teploty má rychlost proudění vzduchu wa < 0,2 (m/s). Proudění vzduchu významně ovlivňuje průběh operativní teploty především u zasklení s vyšším součinitelem prostupu tepla dvojsklem.
Pozn.: Proudění vzduchu se ve výpočtu střední radiační teploty neuvažuje, kdežto operativní teplota již s prouděním vzduchu počítá. Závěr Hodnoty operativní teploty nejsou výrazně ovlivněny použitým zasklením (izolační dvojsklo, trojsklo). U výpočtu střední radiační teploty byl vliv použitého zasklení prokázán. Dle Vyhlášky č. 194/2007 Sb. je pro hodnocení vnitřního prostředí závazná operativní teplota. Přes uvedené závěry je instalace izolačních trojskel opodstatněná, a to z následujících důvodů: snížení energetické náročnosti objektu, eliminace chladných proudů vyvolaných nízkou povrchovou teplotou zasklení: - povrchová teplota izolačního trojskla: 18,6 ( C), - povrchová teplota izolačního dvojskla: 15,8 ( C). Pozn. Do výpočtu tepelné pohody nebyly započítány padající chladné proudy podél zasklení. Effect of glass surfaces on the inner wellbeing environment The paper is too determine the influence of radiative heat transfer on the internal environment of the room when opening filling glazing double glazing unit and insulating triple. Effect of radiation aperture panels and building structures is evaluated on the basis of knowledge mean radiant temperature and operative temperature in the room. Isotherm is presented course mean radiant temperature and operative temperature using insulating glass with different coefficients of thermal transmission. Keywords: mean radiant temperature, operative temperature, radiation, heat transfer coefficient, internal environment, hole filling Kontaktní adresa Ing. Jiří Ježek, Oknotherm spol. s r.o., Linecká 377, 38241 Kaplice, e-mail: jezek@oknotherm.cz Ing. Jan Schwarzer, Ph.D., ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí, Technická 4, 166 07 Praha 6