Příběh tepelného záření ve stavebnictví
Na našem území vždy kvetly stavitelství a architektura, což dokazuje řada skvělých staveb, od historických po současné, které udivují krásou, rozsahem i odvahou. To ale neplatí pro současnou stavební tepelnou techniku, která je u nás stále na úrovni 19. století a kdy energetiku staveb odvozujeme z teplot vzduchu, jakoby Zemi nehřálo slunce nechladila obloha.
Často čteme, že v létě rostou teploty v obydlích i nad 30 °C, nebo že se ve větrané mezeře pod střešní krytinou sráží v zimě voda nebo jinovatka, i když to „teplovzdušná” stavební fyzika vylučuje.
Otopné soustavy se zas realizují tak, aby otopná tělesa a jmenovitě otopná podlaha ohřívaly vzduch, který stoupá, aby ohříval místnost. Chyba to není, avšak funkční popis kulhá a my ztrácíme čas dlouhým náběhem žádané teploty.
Vzduch hřeje jen z 1/3, zbytek obstará sálání povrchů
Někdy cítíme chlad a jindy horko, i když má vzduch v místnosti „správnou teplotu”. Pocit tepla totiž nedělá jen teplý vzduch, ale hlavně tepelné záření (sálání) a jeho teplota.
Buďme v nevytopené místnosti o teplotě vzduchu a stěn 10 °C. Má-li povrch našeho oděvu teplotu 30 °C, pak naše tělo (o povrchové ploše 2 m2) ztrácí ca 130 W tepelného výkonu v důsledku chlazení vzduchem, ve kterém jsme „ponořeni”.
Daleko větší je ale ztráta, kterou člověk ztrácí v podobě tepelného záření: při teplotě oděvu 30 °C sálá povrch těla výkon 997 W, chladné stěny (10 °C) mu ale vracejí 759 W. Celková ztráta člověka je 367 W, z toho 238 W (65 %) sáláním a jen 130 W (35 %) odebírá chladný vzduch vedením a prouděním.
Když ohřejeme vzduch na 20 °C, ale stěny zůstávají ještě chladné (10 °C), ztráta vedením a prouděním klesne na 51 W. Tím se sníží celkové ztráty člověka na necelých 290 W. Když se i stěny prohřejí na 20 °C, ztrácí člověk už jen 175 W. Při teplotě stěn a vzduchu 25 °C ztrácí člověk jen 85 W, z toho 20 W (24 %) připadá na vedení a proudění.
Pozn. Uvedená čísla vycházejí z metodiky podle euronormy ČSN EN ISO 6946 v části vedení a proudění tepla. Pro sálavé děje jsme vycházeli ze Stefanova Boltzmannova zákona z roku 1879.
Téma: Stavební fyzika
Pocit příjemné tepelné pohody je daný hlavně velikostí tepelné ztráty těla, která u dospělého člověka děla asi 100 W. Při vyšší tepelné ztrátě cítíme chlad, při nižší teplo až horko.
Když větranou mezeru řídí sálání
Podívejme se na odvětrávanou vzduchovou mezeru pod střešní krytinou. Úřední poučka zní, že A) díky čilému větrání se teplota v mezeře drží na úrovni vzduchu. A že B) větrání odvede ven veškerou vlhkost difundující z interiéru, takže je střecha trvale suchá.
A) Když za bezvětří praží do střechy letní slunce, rozpálí krytinu až nad 80 °C, a to i na straně mířící do mezery. Sálání krytiny ohřeje pojistnou hydroizolaci (opět až k 80 °C) a to podstatně změní okrajovou podmínku: tou už není venkovní teplota 30 °C, ale teplota pojistné hydroizolace, tzn. 80 °C. Ta pak zněkolikanásobí prostup tepla do podkroví.
B) V zimě a v přechodném období může za jasných nocí a bezvětří teplota krytiny a pojistné hydroizolace naopak klesnout až pod rosný bod. Když se na trávě, autech, střechách ap. objeví rosa nebo jinovatka, lze ji čekat (u střech s vysokou tepelnou izolací) i ve vzduchové mezeře, tj. na pojistné hydroizolaci a hlavně na rubu krytiny. Ochlazování krytiny se děje tehdy, když sálá k obloze více energie, než ji vrací chladná obloha (o teplotě jen cca –40 °C) a vzduch (vedením a prouděním tepla). Zasvítí-li po ránu na střechu slunce a ohřeje ji, jev zmizí.
Jak uřídit tepelné záření
Všechna tělesa, včetně stavebních konstrukcí, emitují tepelné tj. elektromagnetické záření, jehož energetickou intenzitu v roce 1879 přesně určil rakouský Slovinec Jožef Stefan. Zákon nese jméno i jeho žáka Ludwiga Boltzmanna, který roku 1884 definici svého učitele ještě rozšířil.
Stefanův Boltzmannův zákon má jednoduchý tvar:
I = σ·(273,15 + t)4 W/m2
kde t je teplota ve °C a σ = 5,67·10–8 je Stefanova-Boltzmannova konstanta. Zákon stanoví intenzitu tepelného záření, které vyzařuje povrch absolutně černého tělesa a které závisí jen na teplotě tělesa. Černým tělesem se myslí těleso, které pohlcuje veškeré záření, které na něho dopadne.
Pokud těleso část záření odráží, říkáme mu šedé nebo reflexní. Stefanův Boltzmannův zákon pro takové těleso zní
I = εσ·(273,15 + t)4 W/m2
kde ε je emisivita tělesa. Číslo r = 1– ε je reflektance neboli odrazivost tělesa.
Pro stavebnictví je důležité, že lesklá a odrazivá tělesa odrážejí tepelné záření vč. slunečního, čímž se méně zahřívají. A nejen to: tato tělesa, jsou li zahřáta, také méně energie vyzařují.
Příklad
Když slunce rozpálí matnou tmavou střešní krytinu na 80 °C, ta pak do odvětrávané mezery sálá s intenzitou 882 W/m2.
Obyčejná difúzní fólie pod odvětrávanou mezerou se v důsledku toho zahřeje také až k 80 °C. To je stav, který norma ČSN EN ISO 6946 sice nechce, ale umožňuje. Když použijeme reflexní difúzní fólii s r→1, ta tepelné záření od krytiny odráží, zůstává chladná a s ní i vzduch v mezeře.
Když i spodní plochu krytiny opatříme reflexním nátěrem, krytina, byť horká, prakticky nesálá teplo. Tím ještě víc přiblížíme teplotu ve vzduchové mezeře k teplotě venkovního vzduchu.
Fotogalerie
