Objevme sálání – pro lepší pocit a úspory energie

Sálání (vyzařování) je nejvydatnější a nejrychlejší způsob přenosu tepla mezi tělesy. Když dokážeme ovlivnit a usměrnit tepelné záření, které vyzařují či nevyzařují, respektive pohlcují či odrážejí povrchy těles, můžeme tím řešit účinné a levné tepelné izolace a zajistit příjemné teplotní prostředí v místnostech. O tom pojednává tento příspěvek.

Sálání (vyzařování) je nejvydatnější a nejrychlejší způsob sdílení tepla mezi tělesy. Podle toho, jak intenzivně tělesa sálají teplo (tj. tepelné záření) do okolí, je dělíme do dvou mezních skupin. Sálavá neboli černá tělesa jsou ta, která intenzivně sálají vlastní teplo do okolí a zároveň pohlcují sálavé teplo z okolí. Nesálavá, neboli reflexní tělesa naopak sálají jen minimum vlastního tepla do okolí, zatímco sálání ze svého okolí odrážejí. Uprostřed je skupina tzv. šedých těles. Ta sálají méně tepla než černá, a sálání z okolí pohlcují jen částečně, zbytek odrážejí.

Realizace černých a reflexních těles

O tom, jestli bude těleso silně sálat a pohlcovat tepelné záření nebo ho naopak nesálat a odrážet, rozhoduje jeho povrchová úprava. To může být nátěr, povlak nebo polep tenkou fólií s vlastnostmi, které potřebujeme. Reflexní povrchy bývají většinou intenzivně stříbrolesklé nebo zářivě bílé, zatímco sálavé povrchy jsou většinou tmavší až černé a matné. Bavíme se o sálání, tzn. neviditelném tepelném záření. Lidské oko, které je citlivé jen na viditelné světlo, nedokáže dobře rozpoznat, jestli daný povrch, např. stěna v místnosti, vyzařuje a pohlcuje nebo naopak nevyzařuje a odráží tepelné záření.

Tepelné a viditelné záření

Tepelné záření pozemských těles má stejnou fyzikální povahu, jako viditelné denní, tzn. sluneční světlo. V obou případech jde o vlnová klubka takřka nekonečného počtu elektromagnetických vln, lišících se vlnovou délkou a spektrální hustotou. V denním světle je nejvíce zastoupena vlna o délce 0,5 mikrometrů, kterou oko vnímá jako zelenou barvu. V tepelném záření je nejvíce zastoupena složka o vlnové délce 9,5 mikrometrů, kterou lidské oko nevidí. Spektrální hustota vln v obou vlnových klubkách rychle klesá s tím, jak se jejich vlnová délka vzdaluje od maxima; tepelné záření pokojové stěny tak neobsahuje takřka žádné vlnové délky obsažené ve slunečním záření a naopak, sluneční záření neobsahuje téměř žádné vlnové délky, které vyzařuje stěna. Jinými slovy, oba typy tepelného záření se prakticky nepřekrývají.

Prostorové tepelné záření

Zaměřme se na případ, že stěny, strop a podlaha obklopují místnost. Budou-li mít všechny stejnou teplotu, dejme tomu 0 °C (273,15 K), ihned se v místnosti ustálí prostorové tepelné záření o stejné teplotě. Každá ze stěn o emisivitě ε bude vyzařovat do prostoru sálavou energii o intenzitě σ·ε·T⁴ = 5,67·10^–8·ε 273,15⁴ = 315,6·ε [W/m²]. Tutéž energii bude prostorové záření předávat stěně a nastane rovnováha. Také teplota vzduchu bude stejná s teplotou stěn a prostorového záření.

Uvažujme emisivity stropu, podlahy i stěn rovné jedné (ε = 1), jde tedy o sálavé, neodrazivé povrchy. Nechť má naše místnost o tvaru kvádru o půdorysu 5×4 m a výšce 3 m celkovou vnitřní plochu (stěn, stropu a podlahy) 94 m². Pro jednoduchost neuvažujeme ve stěnách okna.

Nejrychlejší způsob vytápění

Nechť je dále strop o ploše 20 m² vybaven stropním vytápěním s velmi rychlým náběhem. Dojde-li v čase t = 0 ke skokovému nárůstu teploty stropu na 40 °C, teplota prostorového tepelného záření okamžitě vzroste na 10 °C. A pokud bychom měli stěny místnosti opatřeny reflexivním nátěrem s emisivitou ε_W = 0,2, teplota prostorového tepelného záření se okamžitě ustálí na hodnotě 18 °C. Při emisivitě stěn ε_W = 0,1 pak na 20 °C.

Okamžitou změnu teploty prostorového záření naše smysly ihned zaznamenají jako příjemnou změnu. Avšak tím to nekončí. Z výpočtů dále plyne, že za několik minut po zvýšení teploty prostorového záření dojde také k ohřátí vzduchu v místnosti. Teplota vzduchu je vedle teploty záření druhou složkou, která dotváří pocity tepelné pohody. Následné prohřívání stěn a podlahy může probíhat (v případě jejich vysoké teplotní setrvačnosti) i hodiny, avšak to už jsme dávno v (tepelné) pohodě!

Více se čtenář dočte v knize [1], která se touto problematikou podrobně zabývá a pro tvrzení, uvedená v tomto příspěvku, podává podrobné zdůvodnění.

Termoizolační stěrková hmota HE 3003 na nízkoemisivní stěny

Termoizolační stěrková hmota HE 3003 je tvořena vrstvou skleněných dutých mikrokuliček o velikosti 0,03 až 0,12 mm (30–120 mikronů) navzájem spojených pojivem. Po vysušení a zaschnutí nanesené stěrky se jednotlivé kuličky pomocí pojiva (cca 10 %) formují do termoizolační vrstvy tloušťky cca 1 mm. Tato struktura je tvořena z nehomogenních skleněných dutých mikrokuliček a dutin vyplněných vzduchem jak uvnitř kuliček, tak v mezerách mezi jednotlivými kuličkami.

Tepelná vodivost této vrstvy je na úrovní pěnového polystyrénu nebo lepší, což zejména u starších sanovaných budov vede ke zvýšení povrchové teploty aplikované stěrky ve srovnání s původním stavem. Hlavně je avšak důležitá reflexe, tedy nízká emisivita této povrchové vrstvy; podobné řešení je známé z použití balotiny (skleněných mikrokuliček) na reflexivních vrstvách na silničních značkách a patnících.

Poznámka

Tento článek vznikl za podpory zakladatelů někdejší asociace tenkostěnných a reflexních izolací ATRI, kterou se však nepodařilo nikdy uvést do aktivního života. Asociace usilovala na národní i evropské úrovni o formulaci prováděcích postupů a výpočtových předpisů, které by se speciálně týkaly reflexních izolací a nízkoemisivních povrchových vrstev. Tyto materiály pracují s širokým spektrem tepelného zářením včetně slunečního a se vzduchovými mezerami, jejichž rozměry začínají u centimetrových tlouštěk a zahrnují i místnosti budov. A ovlivňují úspory energie na vytápění a chlazení, zkrátka pobytovou pohodu. Stále tak trvá stav, kdy evropská a s ní i česká stavební tepelná technika interpretuje v přírodě dominantní sálavé děje (venku i uvnitř) zprostředkovaně skrze teploty vzduchu.

Tento přístup nevystihuje ani dynamiku, ani hloubku teplosměnných dějů mezi interiérem a exteriérem. To se týká hlavně léta, které oficiální stavební tepelná technika zcela opomíjí.

Literatura:

[1] Hejhálek, Jiří: Tepelné záření a navrhování reflexních fólií do staveb. Vega 2014