Pohoda vnútorného prostredia z hľadiska intenzity sálania

Tepelná pohoda je stav mysle, ktorý vyjadruje spokojnosť s teplotnou klímou a vychádza zo subjektívneho hodnotenia [1]. Na tepelnú pohodu osôb v pobytovej oblasti vplýva celý rad faktorov, napríklad druh činnosti, odev, teplota, rýchlosť prúdenia vzduchu či stredná radiačná teplota. A práve stredná radiačná teplota charakterizuje pôsobenie sálania povrchov, ktoré daný priestor obklopujú.

V priestoroch vykurovaných konvekčnými vykurovacími systémami, kde nie je veľký rozdiel medzi teplotami jednotlivých povrchov, možno pôsobenie sálania na človeka – a teda strednú radiačnú teplotu – stanoviť na základe merania povrchových teplôt a výpočtom s použitím pomerov osálania. Toto hodnotenie však nepostačuje v prípadoch s výrazne lokalizovanými zdrojmi tepla v inak teplotne takmer homogénnom prostredí veľmi odlišnej teploty. Problém môže spočívať v lokálnom prekurovaní miest, nad ktorými sú tieto zdroje tepla umiestnené. Typickým príkladom je vykurovanie priemyselnej haly svetlými alebo tmavými plynovými žiaričmi.

Legislatívna ochrana zdravia pred záťažou teplom
Hygienické parametre, ktoré sa musia na pracoviskách dodržiavať, definovali v Českej republike nariadenia vlády č. 523/2002 Sb. a č. 441/2004 Sb., ktorými sa menilo nariadenie vlády č. 178/2001 Sb. Podľa týchto nariadení sa museli v uzavretých pracoviskách splniť tieto požiadavky:

• rozdiely teplôt vzduchu medzi úrovňou hlavy a členkov nemohli byť väčšie ako 3 °C,
• asymetria radiačnej teploty od okien alebo iných chladných zvislých povrchov nemohla prekročiť hodnotu 10 °C,
• asymetria radiačnej teploty od teplého stropu alebo iných vodorovných povrchov nemohla prekročiť hodnotu 5 °C,
• intenzita osálania hláv nemohla byť väčšia ako 200 W/m².

Novelizáciou vládneho nariadenia č. 361/2007 Sb. však všetky požiadavky zanikli a v súčasnosti v Českej republike neexistuje žiadny platný právny predpis, ktorý by stanovoval hygienické limity.

Dovtedy sa dodržiavanie parametrov kontrolovalo meraním podľa metodického pokynu stanoveného Ministerstvom zdravotníctva ČR [2]. Predpis presne opisuje, ako sa má postupovať pri kontrole, zistenom nedodržaní alebo prípadnom nedodržaní hygienických parametrov súvisiacich so sálaním. Na jednoduchom príklade vysvetľuje kontrolu intenzity osálania v mieste hlavy pri nameraných parametroch, ako sú teplota vzduchu, výsledná teplota a rýchlosť prúdenia. Napriek tomu, že požiadavky na maximálnu intenzitu sálania a asymetriu radiačnej teploty už neurčujú nijaké platné predpisy, zostávajú tieto hodnoty jedinými dostupnými hodnotami, z ktorých možno vychádzať pri experimentálnom overovaní tepelného pôsobenia na osoby v pracovnej oblasti.

V Slovenskej republike platí zákon č. 355/2007 Z. z. o ochrane, podpore a rozvoji verejného zdravia a o zmene a doplnení niektorých zákonov. Jeho vykonávacím predpisom je vyhláška MZ SR č. 544/2007 Z. z. o podrobnostiach o ochrane zdravia pred záťažou teplom a chladom pri práci. Vyhláška stanovuje obdobné podmienky ako zaniknuté predpisy v ČR.

 Výskum v oblasti merania intenzity sálania
Jednou z prvých referencií merania charakteristík sálania, a to priamo pri svetlých žiaričoch, je článok V. Bašusa [3]. Vo svojej práci opisuje prístroj vyvinutý na meranie intenzity sálania žiaričov, ďalej univerzálne zariadenie umožňujúce premeranie poľa intenzít sálania v priestore a nakoniec spôsob spracovania nameraných hodnôt do charakteristiky, ktorá umožňuje stanoviť intenzitu sálania žiariča v ľubovoľnom smere, ako aj celkové množstvo tepla vysálaného do predného polopriestoru. Z tejto práce vyplýva, že pri meraní intenzity sálania úzkosmerovým snímačom treba uvažovať o minimálnej vzdialenosti od žiariča, v ktorej ešte nedochádza k skresleniu. Ak sa snímač nachádza bližšie než v minimálnej vzdialenosti, do jeho zorného uhla sa nedostane celá plocha žiariča a v meraní vznikne významná chyba.

Meranie intenzity sálania pri svetlých a tmavých žiaričoch je tiež hlavnou časťou dizertačnej práce A. Kämpfa [4]. Autor tu meraním overuje analyticky a numericky získané charakteristiky sálania a stanovuje sálavú účinnosť žiaričov. Meralo sa v kalorimetrickej komore s rozmermi 7 × 7 × 3 m. Steny sa vytvorili zo 48 vykurovacích telies a podlaha sa vybavila zabudovaným vykurovacím, respektíve chladiacim systémom. Na meranie radiačnej charakteristiky (polárneho diagramu) použil Kämpf konštrukcie podľa obr. 1. Rádiometer sa tak dal reprodukovateľne a veľmi jednoducho nastaviť do akéhokoľvek bodu polgule obklopujúcej žiarič v polomere 2 753 mm. Táto meracia metóda sa neskôr upravila a na jej základe vznikli dnes platné štandardy na meranie svetlých, respektíve tmavých žiaričov EN ISO 419-2 alebo 416-2 na základe merania intenzity sálania.

V poslednom čase sa touto problematikou zaoberalo niekoľko kvalitných prác. N. Repka riešil v dizertačnej práci konštrukciu inovatívneho tmavého plynového žiariča a ako jeden z nástrojov používal meranie intenzity sálania [5]. Z. Veverková študovala vplyv tvaru a materiálu reflektora tmavého plynového žiariča z dôvodu jeho prevádzkových charakteristík [6]. Výsledky podporili merania intenzity sálania v 7 a 13 bodoch v oblasti temena hlavy stojaceho človeka. Z. Kovářová využíva vo svojej dizertačnej práci [7] rovnaký merací prístroj ako Repka, používa ho však na stanovenie intenzity sálania sálavých panelov, teda vodného vykurovacieho systému. Meranie intenzity sálania sa použilo s cieľom dokázať dodržanie uvedených hygienických požiadaviek. V článku sa budeme zaoberať časťou dizertačnej práce [8], ktorá detailne opisuje danú problematiku pri svetlých plynových žiaričoch.

Prípadová štúdia
Hlavným cieľom merania bolo validovať výpočtové modely určené na opis prenosu tepla sálaním od svetlého plynového žiariča. Pri výpočtoch sa použil jednoduchý analytický nástroj vytvorený v prostredí MS Excel a komplexný komerčný výpočtový softvér CFD Gambit – Fluent. Prenos tepla sa v oboch prípadoch veľmi zjednodušil. Získané výsledky možno – po dosiahnutí dostatočnej zhody – zovše­obecniť a získať širšie použiteľné odporúčania na rozmiestňovanie svetlých plynových žiaričov v priestore.

Meralo sa na žiariči Kotrbatý MKV 7B s výkonom 7 kW, a to v štyroch tvarových variantoch reflexného zákrytu (obr. 2). Jednotlivé varianty merania sa odlišovali reflexným zákrytom a jeho orientáciou:

• variant 1 (bez zákrytu) – základný korpus bez reflexného zákrytu,
• variant 2 (1 × 45° 80) – základný korpus s reflexným zákrytom v jednom smere s hodnotou 90° a v druhom 45°, hĺbka 80 mm,
• variant 3 (2 × 45° 80) – základný korpus s reflexným zákrytom v oboch smeroch s hodnotou 45°, hĺbka 80 mm,
• variant 4 (1 × 60° 100) – základný korpus s reflexným zákrytom v jednom smere s hodnotou 90° a v druhom 60°, hĺbka 100 mm.

Obr. 2 Merané varianty reflexného zákrytu

Meralo sa v Pelhřimově v Českomoravskej vrchovine. Išlo o samostatne stojaci objekt (obr. 3) v areáli firmy Kotrbatý V. M. Z., s. r. o. Objekt je 11,5 m dlhý a 8,8 m široký. V najvyššom bode má výšku 6,8 m. V minulosti sa používal ako opravovňa áut a poštových vozidiel. Ide o skladaný sendvičový oceľový skelet s plechovou strechou s polystyrénovou izoláciou s reflexným pokovovaním.

Obr. 3  Meracie miesto v areáli firmy Kotrbatý V. M. Z., s. r. o.a

Metodika merania
Pre obmedzený priestor na meracom mieste a už skôr zakúpený typ meracieho snímača nebolo možné vytvoriť rovnako výhodnú konštrukciu s meracími prístrojmi ako v [4] a [9], respektíve potrebný polomer konštrukcie by bol príliš veľký. Preto sa nakoniec pristúpilo k metóde merania v jednej rovine. Pre obmedzený priestor sa zvolila rovina vo vzdialenosti 3 m pod žiaričom (asi 0,8 m nad podlahou). Oblasť jadrového sálania premietnutá do tejto roviny má podľa konštrukcie reflektora rozmery 6 × 7 m. Ak sa predpokladajú obe osové symetrie, možno merať len v jednom kvadrante pod žiaričom. Výsledná meraná plocha sa teda skladá z rastra rozmerov 3 × 4 m rozdeleného po pol metri na rovnaké štvorce. Meranie intenzity sálania prebiehalo v rohoch týchto štvorcov (obr. 4).

Okrem intenzity sálania sa merali aj ďalšie veličiny. Išlo o teplotu vzduchu v meracej miestnosti, teplotu vonkajšieho vzduchu, výslednú teplotu vnútorného prostredia, relatívnu vlhkosť vo vnútri aj vonku, barometrický tlak a rýchlosť prúdenia vzduchu. Súčasne sa stanovovala povrchová teplota doštičiek. Použili sa pri tom dva prístroje, pretože prípadná chyba v stanovení veličiny sa vo výsledku môže prejaviť veľmi výrazne. Na stanovenie približnej účinnosti sa merala aj spotreba zemného plynu a jeho tlak.

Meracie prístroje
Intenzitu sálania možno merať úzkosmerovými alebo, naopak, všesmerovými snímačmi. Závisí to od cieľa, na ktorý sa majú výsledky použiť. V prípade, že sa overuje celkové pôsobenie všetkých okolitých povrchov na človeka, je vhodnejší všesmerový snímač. Ak sa sleduje smerové pôsobenie zdroja sálania, na meranie treba použiť úzkosmerový snímač, aby meranie neovplyvnili nežiaduce odrazy alebo pôsobenie okolitých povrchov. Ďalej možno vyberať medzi spektrálnymi snímačmi (na vyšetrenie množstva energie emitovanej v určitej časti spektra) a celkovými snímačmi (na vyšetrovanie celkových energetických tokov).

V rámci tejto štúdie sa meralo pomocou úzkosmerového snímača (pozorovací uhol 10°) firmy Kipp & Zonen, Laboratory Thermopile CA2 a použil sa datalogger Datahog 2. Systém snímač – ústredňa dopĺňa navyše ovládací softvér SkyeLynx na zaistenie komuni­kácie s ústredňou a nastavenie potrebných ­parametrov. Softvér slúžil aj na stanovenie pe­rio­dicity merania a na ukladanie nameraných údajov.

Teploty vzduchu sa merali tieneným ortuťovým teplomerom s rozsahom 0 až 100 °C. Výsledná teplota sa merala guľovým teplomerom s priemerom 100 mm, relatívne vlhkosti snímačom FHA 646 – E1 a ústredňou ALMEMO 2290 – 4, rýchlosť prúdenia drôtikovým termoanemometrom TESTO. Povrchová teplota doštičiek sa merala bezdotykovým teplomerom Raytek Raynger 3i a termokamerou ThermaCAM S65. Množstvo spotrebovaného plynu meral štandardný plynomer. Barometrický tlak sa stanovil aneroidom.

Výsledky merania
Namerané hodnoty sa spracovali do samostatných protokolov pre jednotlivé merania. Okrem merania intenzít sálania sa zaznamenali aj hodnoty ďalších veličín, ktoré charakterizujú podmienky priebehu merania. Z dôvodu zvýšenia presnosti výsledkov sa každé meranie opakovalo štyrikrát. Tento počet nie je z hľadiska vylúčenia náhodnej chyby optimálny, musel sa však zvoliť kompromis medzi dĺžkou celého experimentu a presnosťou výsledku. Výsledkom bolo šestnásť čiastkových protokolov. Súhrnné výsledky sú na obr. 5.

Obr. 5 Výsledky porovnania merania jednotlivých variantov a počítačovej simulácie vrátane rozsahov neistôt


Súpis použitých prístrojov, ich rozsahov a chýb

Meranie intenzity sálania môže byť veľmi dôležité v prípadoch skúmania tepelného komfortu osôb v pracovnej oblasti, ale aj vtedy, keď sa sleduje distribúcia sálania do jednotlivých smerov v priestore, alebo keď sa stanovuje sálavá účinnosť. Veľmi dôležitý je výber snímača a stanovenie počtu meracích bodov s ohľadom na dĺžku merania a stálosť okrajových podmienok počas merania. V literatúre je táto problematika veľmi dobre opísaná pre väčšinu systémov, kde intenzita sálania tvorí dôležitú zložku tvorby tepelného komfortu osôb v pracovnej oblasti (svetlé a tmavé plynové žiariče, vodné alebo parné sálavé panely).

Výsledky a závery
Výsledky merania ukazujú, že tvar reflektorov má na rozloženie intenzít sálania v priestore pod žiaričom v prípade takejto nízkej výšky zavesenia (3 m) podstatný vplyv. Výrazný rozdiel je evidentný najmä pri porovnaní variantu č. 4 (1 × 60° 100) s ktorýmkoľvek predchádzajúcim variantom. Zreteľná je výrazná koncentrácia intenzity sálania do oblasti priamo pod žiaričom – maximálne hodnoty intenzity sálania tu dosahujú takmer 160 W/m². Oproti tomu pri variante úplne bez reflektoru dosahuje intenzita sálania maximálne 110 W/m², pričom pri porovnaní teplôt sálajúcich doštičiek sú rozdiely minimálne.

Foto a obrázky: archív autora

Článok vznikol s podporou výskumného zámeru VZ MŠMT ČR 684 077 0011.

Literatúra
1.    ASHRAE Handbook. Fundamentals (SI), 2005.
2.    Vít, M., Málek, B., Matthauserová, Z.: Měření mikroklimatických parametrů pracovního prostředí a vnitřního prostředí staveb. In: Věstník Ministerstva zdravotnictví ČR, 2004, s. 16 – 28.
3.    Bašus, V.: Měření charakteristik sálání infračervených zářičů. In: Zdravotní technika a vzduchotechnika, 3(2), 1960, s. 61 – 71.
4.    Kämpf, A.: Energetische und physiologische Untersuchungen an Gasinfrarot-strahlern im Vergleich zu konkurrierenden Heizsystemen für die Beheizung großer Räume. Dissertation. Ruhr- Universität Bochum. 198 s.
5.    Repka, N.: Príspevok k návrhu kombinovaných systémov vykurovania a vetrania halových objektov. Dizertačná práca. Bratislava: Katedra technických zariadení budov, Stavebná fakulta, Slovenská technická univerzita. 217 s.
6.    Veverková, Z.: Modelování vnitřního prostředí v sálavě vytápěných objektech. Dizertační práce. Praha: Katedra technických zařízení budov, Fakulta stavební, ČVUT. 146 s.
7.    Kovářová, Z.: Optimalizácia voľby vykurovacích sústav pre halové objekty zásobované teplom zo sústav CZT. Vykurovanie halových objektov pomocou zavesených sálavých panelov. Dizertačná práca. Bratislava: Katedra technických zariadení budov, Stavebná fakulta, Slovenská technická univerzita. 160 s.
8.    Hojer, O.: Optimalizace radiační geometrie světlých zářičů. Dizertační práce. Praha: Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT. 205 s.
9.    ČSN EN 419-2 Závěsné zářiče na plynná paliva s hořákem bez ventilátoru, pro všeobecné použití vyjma domácností. Část 2: Hospodárné využití energie.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik.