ClimateCoating: interiérový náter na stenách a stropoch

ClimateCoating – štúdia o odrazoch, spätnom rozptyle a komforte

Účinok interiérového náteru ClimateCoating na úsporu vykurovacej energie je empiricky a metrologicky preukázaný. Analýzy vnútornej klímy dokazujú pozitívny vplyv na vnútornú klímu, zlepšenie tepelnej pohody. Miestnosti s povrchovou úpravou ClimateCoating sa rýchlejšie zahrievajú a pomalšie chladnú. Bez ohľadu na vykurovací systém sa pri rovnakom príkone energie dosahuje vyššia povrchová teplota v porovnaní s bežnými farbami, čo zvyšuje pocitovú teplotu (operatívnu teplotu).

Vypracoval: Dipl.-Ing. Matthias G. Bumann, Berlín Dipl.-Ing. Matthias G. Bumann, DIMaGB, Berlín; +49-30-67489727, Na objednávku a pre: SICC Coatings GmbH; Berlín, +49-30-500196-0,

V článku nájdete:

1. Rozptyl, pozícia vedy na začiatku roku 2000
2. Pozícia vedy o 10-15 rokov neskôr, paralely
3. Pozícia praxe, empirické dôkazy
4. ClimateCoating a tepelný komfort
5. Analýzy vnútorného prostredia ako vedecký dôkaz
6. Merania pomocou IR kamier (metóda referenčného pásu)
7. Definícia IR odrazu a spätného rozptylu pre ClimateCoating
8. Príloha
   1. Vysvetlenie analýzy vnútornej klímy podľa Prof. Dr.-Ing. Petra Marxa
   2. Merania odrazivosti v laboratóriu
   3. Úvahy o základe výpočtového modelu pre vnútornú klímu
   4. Dodatok: Optický rozptyl infračerveného žiarenia v membráne
   5. Úvahy o matematickom začlenení do vzorca pre hodnotu U

Doteraz diskutovaný IR odraz nemožno porovnávať s odrazom na netransparentných povrchoch, ako je hliníková fólia. To vysvetľuje, prečo nie je relevantným parametrom hodnota emisie, ale akumulácia tepla v membráne ClimateCoating spôsobená efektom spätného rozptylu v membráne (spätný rozptyl IR žiarenia medzi miliónmi dutých guľôčok).

Príspevok obsahuje súhrn základov na implementáciu do (konvenčných) výpočtových metód.

Rozptyl, pozícia vedy na začiatku roku 2000

ClimateCoating je ochranná známka spoločnosti SICC Coatings GmbH, Berlín, pre povrchovo aktívne farby. To, čo sa javí ako obyčajná emulzná farba, je v skutočnosti technológia termokeramickej membrány s endotermickými účinkami. ¹

Zvláštnosťou je keramika v náteri, keramické duté guľôčky pre membránu s priemerom 10 až 120 µm. Hrúbka membrány je 0,3 mm (300 µ = 0,0003 m) a guľôčky obsahujú 48…50 % objemu. Aktivátory zabezpečujú tvorbu štruktúry membrány. V polovici roku 2000 boli známe aj geometrické vlastnosti v mikrorozsahu. ²

Odraz znamená: vrhnúť späť alebo skôr: vyžarovať späť, pretože hovoríme o procesoch z optickej fyziky alebo fyziky žiarenia. Tu sa pohybujeme v oblasti slnečného a tepelného žiarenia. Rozptyl³ je špeciálna forma, pri ktorej dochádza k rozptylovým efektom v dôsledku viacnásobných odrazov spôsobených povahou častíc. Spätný rozptyl znamená, že tepelné lúče sa odrážajú späť.

Vedecká práca Dr. Y. Shnira z roku 2003 ukazuje, „že tepelné straty možno znížiť až o 50 % potlačením faktora žiarenia pomocou kompozitného náteru. Skúma sa optimalizácia tepelnoizolačného účinku s cieľom určiť podmienky na maximálne zníženie činiteľa vyžarovania pri prenose tepla“. ⁴

V dňoch 4. až 5. novembra 2004 sa v salóniku Lounge im Turm v Berlíne konal 1. vedecký medzinárodný kongres o náterových látkach. ⁵ Prednáška Dr. Shnira sa týkala opto-fyzikálnych procesov. Pravdepodobne prvýkrát boli procesy rozptylu v termokeramickej membráne prezentované v matematicko-fyzikálnom modeli. ⁶

Od Fourierovho zákona a troch mechanizmov prenosu tepelnej energie sme prešli k rovnici prenosu žiarenia. Len málokto počul o Raleighovom a Mieho rozptyle, z geometrickej optiky je to aspoň model lomu svetla na priepustných prostrediach. Základné tvrdenie sa vzťahuje na pomer veľkosti častíc a vlnovej dĺžky elektromagnetického žiarenia. ⁷

Na výpočet optických vlastností bol vytvorený model ClimateCoating a pre numerické algoritmy boli použité spektrálne charakteristiky vyhodnotené inými vedcami. V zhrnutí sa zdôraznilo, že povrchovo aktívny náter by sa mal posudzovať len v kontexte podkladu a prostredia. ⁸ Prelomovým zistením vedeckých výskumov je spojenie fyzikálneho mechanizmu tepelnej ochrany náteru ClimateCoating s potlačením hustoty toku sálavej zložky prenosu tepla v dôsledku účinkov rozptylu svetla na mikrosférach.

Nejde o čistý povrchový efekt, ale o spätný rozptyl v membráne, v ktorej modeli je priemerná veľkosť priemeru navrstvená približne 7-krát.

Na základe tohto vedeckého základu, ako aj empirických výsledkov z roku 2005, napríklad analýz spotreby energie⁹ , boli v januári 2006 odvodené tieto teoretické prístupy pre technológiu termokeramických membrán s endotermickým účinkom®¹⁰ :

1. Optické vlastnosti sa výrazne líšia od bežných úvah o transparentných a čiastočne transparentných médiách
2. Namiesto pojmov absorpcia a viacnásobný odraz by sa mal na správny opis procesov používať pojem rozptyl zo Shnirovho modelu. To platí aj pre štandardnú rovnicu pre prenos tepla.
3. Je možný izolačný účinok, ktorý nie je založený na princípe vedenia tepla, a preto ho nemožno podľa neho opísať. Preto môžu existovať významné rozdiely medzi povrchovými teplotami na membráne a na potiahnutom povrchu: TO1 > TO2.
4. Membrána má separačný alebo izolačný účinok vzhľadom na úroveň teploty, čo vysvetľuje tepelnú relaxáciu povrchu pozorovanú v praxi.
5. Termografické snímky ako snímky môžu byť podkladom pre nesprávnu interpretáciu. Ku kvantitatívnym výrokom (bodová teplota) by sa malo pristupovať oveľa opatrnejšie ako ku kvalitatívnym (rozdiely v oblasti).
6. Vlnové dĺžky okolo 10 μm sú v praxi dôležité, keď hovoríme o „tepelných stratách“ cez povrch steny. To zodpovedá teplotnému rozsahu -10 °C až +10 °C pre povrchovú teplotu steny počas vykurovacieho obdobia.
7. Keďže však povrchové teploty stien rádovo presahujúce 40 °C pri vonkajšom vzduchu -10 °C možno namerať aj v zimných mesiacoch, je potrebné podrobnejšie preskúmať mechanizmy solárnych ziskov.
8. Overený model Shnir sa má ďalej rozvíjať, vyšetrovanie podľa izolačných noriem nikam nevedie. Optimalizácia je možná na základe pomeru veľkosti vlnovej dĺžky tepelného žiarenia a priemeru gule.
9. Je potrebné overiť, do akej miery má laboratórna hodnota emisivity určená pomocou integračnej gule praktický význam (meranie na mieste) alebo ako sa dá určitá variabilita určiť metrologicky.
10. Ak predpokladáme, že efektívna emisivita kompozitu je komplexnou funkciou viacerých faktorov, ktoré zatiaľ neboli v laboratóriu zastúpené, musíme zvážiť vhodné metódy merania.

Pozícia vedy o 10-15 rokov neskôr, paralely

Po rokoch sa ukázalo, že priekopnícku úlohu výskumu iniciovaného spoločnosťou SICC Coatings GmbH potvrdili aj ďalšie výsledky výskumu.

Na jednej strane ide o používanie tzv. mikrosfér:

„Cenosféra (dutá mikrosféra, mikrosféra, mikrosféra) je ľahká, inertná, dutá guľa mikroskopických rozmerov, zložená prevažne z oxidu kremičitého a oxidu hlinitého. Je naplnená vzduchom alebo inertným plynom.“ ¹¹

„Cenospheres PCS-U sú sférické hlinitokremičitanové duté gule s nízkym obsahom prachu, s veľmi dobrou tlakovou stabilitou a vyváženou hustotou. Ľahko sa rozptyľujú a vytvárajú efekt guľôčkového ložiska. Rozsah zrna 50-300 µm.“ ¹²

To však súvisí aj s objavom významu rozptylu infračerveného žiarenia: „Výskum naznačuje, že kožušina ľadových medveďov ukladá teplo rozptylom infračerveného svetla. Vedci zistili, že chlpy, ktoré odrážajú infračervené svetlo, môžu mať v zimnej srsti zvierat, ako sú ľadové medvede, významný izolačný účinok. Výskum, ktorý bol uverejnený v januárovom vydaní časopisu Optics Express vydávaného Optickou spoločnosťou (OSA), by mohol mať významný vplyv na zlepšenie izolácie budov.“ ¹³

Za zmienku stojí. Ide o zníženie tepelných strát na povrchu prostredníctvom „rozptylu IR svetla“. Tento efekt rozptylu má významné izolačné účinky. Ide o procesy z optickej fyziky, t. j. fyziky žiarenia.

Pozícia praxe, empirické dôkazy

Zlepšenie tepelného správania vnútorne potiahnutej steny vďaka vnútornému náteru ClimateCoating vedie k zníženiu spotreby energie. To zodpovedá praktickým skúsenostiam, referenciám a dôkazom. Podľa toho je potenciál úspor približne 10 až 15 %, vo výnimočných prípadoch až 40 %.

Medzitým je k dispozícii prehľad potenciálu úspor vďaka interiérovým náterom s technológiou ClimateCoating. Analýzy klímy v miestnosti okrem iných testov dokazujú, že povrchová úprava ClimateCoating skracuje vykurovanie miestnosti, spomaľuje jej ochladzovanie a reguluje vlhkosť v miestnosti smerom k optimu.

Súkromne iniciovaná séria meraní z Portugalska tiež ukazuje: ClimateCoating zvyšuje povrchové teploty a zároveň dochádza k vyrovnaniu – pocitová teplota sa zvyšuje. Okrem toho sa reguluje vlhkosť v miestnosti a stena sa odvlhčuje.

Citát: „Keď som vymaľoval polovicu stropu, už som si všimol efekt, rozhodne to už nebolo studené miesto.“

Pozoruhodné na tomto meraní bolo, že povrchová teplota steny a teplota vzduchu v miestnosti boli takmer rovnaké. Podľa teórie súčiniteľa prechodu tepla U by to znamenalo, že vnútorný odpor pri prestupe tepla by bol takmer úplne eliminovaný.

Po nanesení náteru je viditeľná výrazná konvergencia teplôt. Tepelný odpor s hodnotou 0 by však znamenal, že teplo v tomto bode prúdi bez kontroly – teplota v miestnosti a teplota povrchu by boli rovnaké. V opačnom prípade by akákoľvek hodnota vnútorného tepelného odporu väčšia ako 0 spôsobila zmenu teploty na povrchu, t. j. teplota povrchu by bola o niečo nižšia ako teplota v miestnosti.

Tento rozpor však vzniká len v teórii U-hodnoty, ktorá v podstate nepozná žiadne radiačné procesy. V teórii hodnoty U sa z Fourierovej rovnice vedenia tepla vypustila objemová hmotnosť stavebného materiálu, ako aj jeho merné teplo, aby dominovala samotná izolačná schopnosť ako inverzná hodnota tepelnej vodivosti.

ClimateCoating a tepelný komfort

Použitie povrchovej úpravy ClimateCoating vedie k úsporám energie, pretože sa zlepšuje tepelná pohoda v miestnosti, takže rovnaký výsledok komfortu sa dosahuje s menším príkonom energie na vykurovanie.

V súvislosti s izoláciou fasády (tepelná izolácia podľa DIN 4108) teória hodnoty U predpokladá zvýšenie povrchovej teploty vonkajšej steny z vnútornej strany, čo má vplyv na komfort a prevenciu vzniku plesní.

Tento efekt sa dá dosiahnuť pomocou náteru ClimateCoating, ako dokazujú mnohé referencie a vedecké hodnotenia. Zlepšenie tepelnej pohody tu vedie k úsporám energie, pretože užívatelia miestnosti môžu trochu znížiť termostaty radiátorov bez toho, aby sa museli vzdať tepelnej pohody.

Primárne sú povrchové procesy prostredníctvom náteru ClimateCoating, ktoré sú takmer nezávislé od kvality steny (ak je daná minimálna úroveň). Po dosadení do vzorca pre hodnotu U znamená tepelný odpor náteru ClimateCoating zvýšenie vnútorného odporu proti prestupu tepla Rsi.

Norma ISO 7730 sa zaoberá ergonómiou tepelného komfortu. Tepelný komfort (hodnotenie „0“ alebo „neutrálne“ na stupnici od +3 = príliš teplo do -3 = chlad) je „okolnosť, za ktorej sa prejavuje spokojnosť s tepelným prostredím“.

Existuje rovnováha medzi produkciou tepla ľudského tela spojenou s činnosťou a aktuálnym vyžarovaním tepla do okolia bez toho, aby sa telo muselo špeciálne prispôsobovať („tepelný stres“).

Premenné tepelného poľa v poradí podľa dôležitosti sú

• teplota žiarenia θrmt,
• teplota vzduchu θa,
• relatívna rýchlosť vzduchu vrel a
• vlhkosť vzduchu pa (parciálny tlak vodnej pary).

Rozhodujúcim faktorom je vplyv teploty. Pokiaľ sa teplota vzduchu a teplota žiarenia výrazne nelíšia (čo by sa v záujme podmienok na strane komfortu nemalo), možno obe teploty spojiť do „vnímanej“ alebo „operatívnej teploty“:

θop = ( θa + θrmt )/2

Pre miestnosti, ktoré sú určené na trvalý pobyt rôznych osôb, možno formulovať požiadavky na vysokú úroveň komfortu (zodpovedajúce PPD < 6 %):

• Zmeny prevádzkovej teploty v priestore a čase: Δθop = ±0,8 K (max.)
• Obmedzenie rizika prievanu na DR < 8 %: vrel < 0,08 m/s
• Asymetria teploty žiarenia (strop/podlaha): Δθr_ass < 5 K
• Vertikálny rozdiel teploty vzduchu medzi hlavou a členkom pre sediacu osobu Δθ 1,1_0,1 m < 2 K
• Obmedzené je aj celkové množstvo ešte povolených zmien operatívnej teploty v priebehu času.

Ďalšia požiadavka normy ISO 7730 sa týka letného komfortu v klimatizovaných miestnostiach, a to zabezpečiť, aby sa neprekročila hraničná hodnota nadúvadla. Systémy určené na reguláciu vlhkosti by mali byť schopné udržať parciálny tlak vodnej pary pod 1910 Pa (= 19,1 hPa), čo zodpovedá teplote rosného bodu 16,8 °C.

Spoľahlivé dôkazy o energeticky úspornom účinku náteru ClimateCoating poskytujú nielen praktické referencie, ale aj vedecké dôkazy v podobe analýz vnútornej klímy, ktoré sa zaoberajú parametrami vyššie opísanej normy ISO 7730 pre komfort.

Analýzy vnútorného prostredia ako vedecký dôkaz

Nasledujúce analýzy vnútornej klímy boli vykonané za obdobie 15 rokov: ¹⁶

2. 2005, Nemecko, v kancelárskej budove DW v Bonne
3. 2009, Švédsko, v budove knižnice v Štokholme
4. 2010, Nemecko, v kancelárskej budove IVG v Bonne
5. 2014, Holandsko, v domove dôchodcov Driebergen
6. 2015, Holandsko, v domove dôchodcov Amersfoort
7. 2019, Holandsko, v budove radnice mesta Breda

Vykonané merania dokazujú energetický a klimatizačný účinok náteru ClimateCoating na jednej strane a tvrdenia o výrobku na strane druhej.

Sériu meraní vykonal Prof. Dr.-Ing. Peter Marx z TFH Berlín, Laboratórium pre elektronickú meraciu techniku (oddelenie VII: Elektrotechnika a presné inžinierstvo) a MX Elektronik.

Použil sa analyzátor vnútornej klímy MS 01A, o ktorom sa už písalo v odbornom časopise „Heizung – Lüftung – Haustechnik“ 26 (1975) č. 9, s. 317-321. V prílohe nájdete vysvetlenia k tejto problematike. Po rokoch možno v technickej literatúre nájsť správu o podobných meracích zariadeniach (katatermometer, frigorimeter, klimatické súčtové meracie zariadenia s bipolárnym tranzistorovým senzorom) a metódach. ¹⁷

Vykonané merania preukázali tieto účinky:

• Miestnosť pokrytá povrchovou úpravou Climate Coating sa vyhrieva rýchlejšie.
• Miestnosť pokrytá klimatickým náterom sa ochladzuje pomalšie.
• Náter ClimateCoating zlepšuje tepelný komfort prostredníctvom
  • zvýšená povrchová teplota obklopujúcich povrchov
  • Rovnomernejšie rozloženie povrchovej teploty obálky
  • výsledná zlepšená vnímaná (operatívna) teplota
  • zníženie pohybu vzduchu v miestnosti (prievan)
• Náter ClimateCoating reguluje vlhkosť vzduchu (tlmivý efekt).
• Náter ClimateCoating vytvára letný chladivý efekt.

Merania pomocou infračervených kamier (metóda referenčného pásu)

V roku 2018 sa táto otázka skúmala pomocou experimentu s infračervenou kamerou s vysokým rozlíšením: Dá sa správanie pri vykurovaní a chladení merať bez analýzy klímy v miestnosti? ¹⁸

Stena natretá náterom ClimateCoating sa zahrieva rýchlejšie a chladne pomalšie ako stena natretá bežnou emulznou farbou. Termokamera má vysoké rozlíšenie a výška meracej línie je vďaka statívu konštantná. Skok v zahrievaní fólie je spôsobený tým, že bola nalepená na fóliu na meranie dĺžky pripevnenú k stene.

V prvom rade sa meraniami potvrdilo empirické pozorovanie, že povrchy natreté náterom ClimateCoating sa zahrievajú rýchlejšie a chladnú pomalšie ako bežné nátery. To vedie k úspore energie na vykurovanie, ako aj k lepšiemu tepelnému komfortu, ako to už v minulosti preukázali analýzy klímy v miestnosti.

Pozoruhodná je dlhá trvácnosť termálnych snímok „odtlačkov rúk“ v infračervenej oblasti. Tie boli na monitore kamery viditeľné viac ako 4 minúty. Podľa bežnej teórie by sa však teplo, ktoré do tela vnesie ruka, malo rýchlo odvádzať tepelným vedením a sálaním.

Je zrejmé, že aj stavebné materiály, ako je betón, majú schopnosť tepelne tvrdnúť, hoci tento časový faktor sa v teórii hodnoty U nezohľadňuje – rovnako ako akumulačná schopnosť (nulové nastavenie vo Fourierovej rovnici vedenia tepla, a teda jediná pozícia vedenia tepla).

Fenomény rýchlejšieho zahrievania a pomalšieho ochladzovania povrchov vzoriek pokrytých náterom ClimateCoating, ktoré sú známe z analýz klímy v miestnosti a z terénnych správ, bolo možné reprodukovať, a teda dokázať v teste s použitím IR kamery ako meracieho zariadenia. Rozpoznateľný je aj vplyv hmotnosti povrchu vzorky za náterom.

Táto séria meraní sa zopakovala v roku 2022 na tom istom mieste, tentoraz pomocou ručnej IR

kamery Fluke. ¹⁹

V dôsledku toho bolo pozitívne konštatované:

Povrchy pokryté povrchovou úpravou ClimateCoating

• sa v porovnaní s „farbou“ zahrievajú rýchlejšie.
• dosiahnuť vyššiu povrchovú teplotu.

Pokles teploty po vypnutí infračervených lámp nastáva

• pre „color“ a pre „ClimateCoating“ rovnako náhle.
• na takmer rovnaké hodnoty pre oba povrchy.

Vplyv hmoty sa prejavuje v betónovej stene s povrchovou úpravou

• pri nižšom náraste teploty počas ohrevu.
• v pomalšom chladení.

V priebehu tejto série meraní bolo potrebné zistiť, či je možné zistiť významnú hodnotu IR odrazu náteru ClimateCoating. ²⁰

Testovacie prúžky sú špeciálne lepiace pásky s hodnotou = 0,95 (epsilon, emisná hodnota). Predvolená hodnota pre IR kamery je = 0,95, najbežnejšia hodnota emisie pre stavebné materiály je = 0,95. Meria sa povrchová teplota referenčného pásu a potom testovaného povrchu vedľa neho. Ak sa zobrazí rovnaká hodnota, povrch má emisivitu 0,95. Ak sa zobrazí iná hodnota, nastavte v IR kamere inú hodnotu emisivity, kým sa povrchové teploty referenčného pásu a testovaného povrchu nezhodujú.

Tieto merania sa opakujú, aby sa štatisticky znížila chyba merania spôsobená množstvom údajov. Nakoniec sa potvrdil výsledok z počiatočného merania: = 0,92 pre vnútorný náter ClimateCoating.

Vzhľadom na vzťah E = A a A + R = 1, t. j. E + R = 1, vzniká otázka: Ako môže interiérový náter bez výrazného merateľného IR odrazu (low-e) zlepšiť tepelný komfort?

Definícia IR odrazu a spätného rozptylu pre ClimateCoating

Emisná hodnota 0,92 sa blíži k hodnote 0,95 a je ďaleko od tzv. nízkoemisných náterov. Hodnota emisie 0,92 znamená, že hodnota absorpcie je tiež 0,92 a odráža sa len 8 %. To nevysvetľuje nárast povrchovej teploty. Bolo by tiež logické predpokladať, že vysoká hodnota odrazu by mala viesť k úbytku žiarenia z obklopujúceho povrchu – a teda teplota povrchu by mala klesať.

Zásadný rozdiel medzi náterom ClimateCoating a bežnou farbou spočíva v tom, že membrána je transparentná, presnejšie: polopriehľadná. Iba približne 8 % dopadajúceho tepelného žiarenia sa odrazí, 92 % absorbuje membrána. Pri netransparentnej farbe sa teplo prenáša priamo, t. j. krátkou cestou cez vnútornú omietku do stavebného materiálu steny.

Na druhej strane, v membráne ClimateCoating spätný rozptyl spôsobuje hromadenie tepla a následne zvýšenú povrchovú teplotu. Vyžarovanie je síce stále rovnaké, ale zvyšuje sa jeho intenzita – množstvo tepla, ktoré sa v miestnosti udrží.

Príloha

Vysvetlenie analýzy vnútornej klímy podľa Prof. Dr.-Ing. Petra Marxa

Analyzátor vnútornej klímy, ktorý v roku 1975 vynašli Prof. Dr.-Ing. Marx, TFH Berlín, a Ing. Schlüter, Spolkový úrad pre zdravie, zaznamenáva niekoľko kritérií vnútorného komfortu. Podmienky a účinky sa teda dajú objektivizovať. Zariadenie funguje spoľahlivo a poskytuje užitočné výsledky. Žiaľ, zatiaľ sa nepodarilo sériovo vyrábať meracie zariadenie v praktickej, malej a modernej podobe za prijateľnú cenu. Hlavnou prekážkou je nezáujem kruhov, ktoré sa profesionálne zaoberajú vnútornou klímou. Tento postoj sa riadi záujmami, čo sa týka aj stavu noriem.

Cieľom tohto dokumentu je vysvetliť, že postup je relatívne jednoduchý a prakticky použiteľný na základe vykonaného merania. Výsledkom je komplexné objektívne hodnotenie vnútornej klímy. Výhody si môžete pozrieť v návode krok za krokom, ktorý nájdete tu.

Ďalším cieľom je nájsť partnera, ktorý dokáže vyrobiť meracie zariadenie v modernom dizajne a ponúknuť ho širokej mase profesionálov za prijateľnú cenu. Zvýšené používanie prispieva k realistickej aktualizácii noriem. Hlavným obsahom je zaznamenávanie teplôt v uzavretých priestoroch (sálavých teplôt) v súlade s uhlom miestnosti a ich zavedenie do noriem a výpočtových postupov.

Všeobecne známe sú veľmi zjednodušené grafy, ktoré obsahujú iba izbovú teplotu a izbovú vlhkosť (pozri obrázok vyššie). Je známe, že opis vnútornej klímy musí byť komplexnejší. Metóda podľa profesora Marxa túto požiadavku spĺňa. Merajú sa tieto klimatické parametre:

• Teplota vzduchu v suchu
• Teplota vzduchu vlhký
• Priemerná teplota povrchu krytu
• Pocitová teplota
• Pohyb vzduchu
• Relatívna vlhkosť v miestnosti

Princíp je geniálne jednoduchý: čierna guľa reaguje na teplotu konvekcie a radiácie, zlatá guľa len na konvekciu (α = ε = 0). Ďalší snímač je umiestnený v statíve, je chránený pred účinkami žiarenia.

Nomogram potrebný na metrologické zaznamenávanie a vyhodnocovanie predstavuje všetky vyššie uvedené merané veličiny. Všetky mierky, bez ohľadu na to, či ide o priamky alebo krivky, predstavujú zobrazenie funkcie v karteziánskom súradnicovom systéme. Ide teda o vedecké vzťahy, ktoré možno reprezentovať vzorcami. Napríklad pocitová teplota je priemerná teplota povrchu obálky a teplota vzduchu v miestnosti.

Merania odrazivosti v laboratóriu

Červená šípka odkazuje na vzťahy podľa Wienovho zákona posunu (izbová teplota): 15 °C = 10,0 µ, 20 °C = 9,9 µ, 25 °C = 9,7 µ. V súvislosti s analýzami klímy v miestnosti vzniká otázka: Ako môže interiérová farba bez výrazného merateľného IR odrazu zlepšiť tepelnú pohodu?

Úvahy o základe výpočtového modelu pre vnútornú klímu

Predslov

Ide o infračervené žiarenie / tepelné žiarenie / sálavé teplo a pohodlie. Tento dokument nie je (zatiaľ) dokončený, pretože sa bude aktualizovať ako pracovný dokument, keď sa doň zapracujú nové zistenia a výsledky. Jeho cieľom je osloviť široký okruh príjemcov, preto je formulovaný trochu jednoduchšie.

Základy

Schéma hodnoty U je veľmi zjednodušený model. Je natoľko zjednodušená, že zodpovedá realite, procesom v budove, len v obmedzenej miere. Existujú dve riadiace premenné (hodnota 1 = vnútorná teplota vzduchu, hodnota 2 = vonkajšia teplota vzduchu) a tepelný odpor stavebného prvku.

Výsledkom je konštantný tok tepla zvnútra von. Premenná „Odpory prestupu tepla“ vo vnútri a vonku (stavebný výskum z 20. rokov 20. storočia, J. S. Cammerer) sú príliš komplikované pri výpočtoch a analytickom spracovaní, preto boli normalizované na konštantné hodnoty. Jeho pôvod nie je známy.

Niektoré jednoduché príklady ukazujú, prečo táto teória nie je praktická.

Situácia v zime, vnútri +20 °C, vonku -10 °C. Slnko zohrieva stenu domu na +40 °C, vrstvu pri povrchu na viac ako +20 °C. Kým je teplota nad +20 °C, nedochádza k tepelnému toku z interiéru do exteriéru. Toto prerušenie tepelného toku ovplyvňuje rovnováhu. Touto bariérou je tepelný tok dočasne blokovaný, čím sa znižujú tepelné straty.

Na základe nameraných hodnôt teploty vzduchu v interiéri a teploty povrchu steny, ktoré sú po aplikácii náteru ClimateCoating rovnaké. Odpor pri prestupe tepla vo vnútri je teda = 0? Tepelný tok q by sa teraz mal blížiť k nekonečnu, ak by pred ním nebol odpor steny.

Typická situácia pre temperovanie, t. j. budova nie je „vykurovaná“, ale je privedená do teplého prostredia. Takto sa to mnohokrát praktizovalo v Bavorsku v múzeách a inde, ďalej sa to prevzalo do modernej doby a predávalo ako nové.

Túto situáciu nie je možné znázorniť ani vysvetliť pomocou schémy hodnôt U. Teplota vzduchu nie je rozhodujúcou veličinou, ale je za ňou. Podľa teórie súčiniteľa prechodu tepla U by muselo dochádzať k obrovským tepelným stratám v dôsledku „slabého“ súčiniteľa prechodu tepla U steny; takpovediac by sa ohrievalo prostredie, a nie interiér. V praxi systém pracuje s nízkymi hodnotami spotreby a zároveň je zabezpečený proti vzlínajúcej vlhkosti.

Literatúra o regulácii teploty:

• TEPLOTA – POSTUPY PRE TEPELNÉ KONŠTRUKCIE, PRIESTOROVÉ TEPLOTY A KLIMATIZÁCIU V MÚZEÁCH A INÝCH BUDOVÁCH LANDESSTELLE FÜR DIE NICHTSTAATLICHEN MUSEEN IN BAYERN, vydavateľstvo:

Landesstelle für die nichtstaatlichen Museen beim Bayrischen Landesamt für Denkmalpflege, Prinzregentenstr. 3, 8000 München 22, editor: Henning Großschmidt, editor: Dr. Wolfgang Stäbler, München, jún 1992

• Regulácia teploty stavebných prvkov v teórii a praxi, EURA-Ingenieure, Neumarkterstr. 75, 81673 München, 15.03.2006

• Zámok Schönbrunn vo Viedni a Kunstforum Ostdeutsche Galerie Regensburg: „Klima in Museen und historischen Gebäuden. Die Temperierung“, 2004, ako 9. zväzok vedeckej série Schönbrunn – zväzok literatúry tamtiež.

Keďže je teraz jasné, že výpočtový model sa dá len ťažko odvodiť zo schémy hodnôt U, možno bude potrebné vyvinúť iný model. Spočiatku by sa to malo robiť bez územného plánovania, t. j. všetky miestnosti by mali mať rovnakú teplotu vnútorného vzduchu, aby sa vnútorné steny mohli rozpustiť. Ľudia sú v centre tohto priestorového modelu, pretože domy sa stavajú pre ľudí a na vytvorenie pohodlných podmienok pre nich je potrebné vykurovanie. Prvoradá nie je riadiaca veličina teplota vzduchu v miestnosti.

Prvým krokom je vytvorenie 2-D modelu. Zdroj infračerveného žiarenia je o výmene žiarenia, ktorá prebieha na vnútornom povrchu vonkajšej steny. Napriek tomu nemožno úplne zanedbať stav vonkajšej steny. Ak si skúsite predstaviť, ako by to vyzeralo v dome s 10 cm hrubými stenami, potreba minimálnej tepelnej izolácie bude zrejmá. To je prípad typickej hrúbky steny 36,5 alebo 38 cm plus omietka. V určitom bode smerom nadol dosiahnete hraničnú hodnotu, ktorá sa dosiahne najneskôr pri 24 cm hrubých tehlových stenách.

Pre modelovanie je rozhodujúce kritérium komfortu. Okrem dobre vyvinutej symetrie sem patria aj malé rozdiely v povrchových teplotách, a to aj v prípade, že je sálavé vykurovanie zapnuté len dočasne.

Ďalším aspektom je definícia vnútorného odporu pri prestupe tepla. Pri sálavom vykurovaní neexistuje odpor pri prenose tepla. Rozhodujúca je absorpcia tepelného žiarenia a spätné vyžarovanie do miestnosti (emisia, sekundárne žiarenie). Sú tu jasné vzťahy:

α + ρ = 1 a α = ε

Jedinou „odolnosťou“ voči tepelnému žiareniu je preto slabá absorpcia alebo emisia. Intenzita žiarenia je definovaná tzv. zákonom T-vysoká-4 (Stefan-Boltzmannov zákon), Wienov zákon posunu udáva maximálnu vlnovú dĺžku pri danej teplote.

Prevádzka sálavých ohrievačov nie je nepretržitá, dochádza k zapínaniu a vypínaniu. Tie sa dajú jednoducho znázorniť pomocou 1 a 0 na časovom riadku. Pre povrchovú teplotu zdroja žiarenia sa vytvorí pílovitý vzor. Chovanie pri vykurovaní a chladení, ktoré tu možno vyčítať, závisí od použitých materiálov a konštrukcie systému. Krivka pre povrchové teploty v miestnosti je však oveľa plochejšia.

„Stavebno-fyzikálnou“ (a nie: fyziologickou) veličinou je pocitová teplota:

t_e = (t_L,tr + t_u) : 2.

t_L,tr = tu by bolo ideálne.

Kde:

• t_e Pocitová teplota
• t_L,tr Teplota vzduchu, suchá
• t_u Teplota okolia, priemerná povrchová teplota obklopujúcich povrchov

Číselný príklad by mal objasniť význam tohto objektívneho parametra:

• Konvekcia: t_e = (24,0 + 20,0) : 2 = 22 °C
• Infračervený ohrev: t_e = (22,5 + 21,5) : 2 = 22 °C

Δ t_L,tr = 2,5 K — 2,5 x 6,0 = 15% úspora energie na vykurovanie (pravidlo: 6% na 1°C)

Vnútorný vzduch sa ohrieva konvekčne, čo je porovnateľné so situáciou na zemskom povrchu, kde konvekčne ohriaty vzduch stúpa a ovplyvňuje počasie.

Ohrev vzduchu na teplotu tL_,tr je teda druhoradý, ale má význam kvôli _te. Skutočnosť, že _sálavé vykurovanie funguje aj vo vákuu, má skôr akademický význam, ale nemala by zostať nespomenutá. Vzduch je prítomný, preto musí byť tiež upravený podľa kritérií komfortu.

Treba tiež vziať do úvahy, že vždy existuje konvekcia a radiácia. Tento vzťah je dôležitý. V tabuľke sú uvedené referenčné hodnoty.

Systém	Zdieľať Žiarenie	Zdieľať Konvekcia
Kachľová pec	80%	20%
Oceľový panelový radiátor	20%	80%
Oceľový panelový radiátor, mod.	40%	60%
Povrchový ohrev	60%	40%
IR ohrev	70%	30%

Z predchádzajúcich úvah vyplývajú tieto skutočnosti

Tézy

odvodené:

1. Musí byť zabezpečená minimálna tepelná izolácia obvodového plášťa budovy.
2. Rozhodujúca pre prenos tepla vonkajšími stenami je tepelná difúznosť – a nie tepelná vodivosť.
3. Niektoré bilančné údaje zostávajú nezmenené:
   1. Vnútorné zisky
   2. Tepelné straty vetraním
   3. Solárne zisky cez okná
   4. Ako ústupok: Solárne zisky cez vonkajšie steny sú podľa normy 0.
4. Kritérium pohodlia má prednosť. Týka sa to najmä t_e.
   1. t_L,tr a tu: ak je to možné = 0
   2. t_L,tr = 19…20°C
   3. c. V dôsledku konvekčného ohrevu teplota vzduchu zaostáva za teplotou povrchu steny.
5. Vyžaduje sa vysoký stupeň symetrie ohrevu:
   1. To z obalových plôch rel. vysoká
   2. Žiadne radiačné pohlcovače
   3. Malá konvekcia = symetria teploty vzduchu

Definícia cieľovej hodnoty

Zhrnieme: teória hodnoty U. Dané sú T_i a T_a. Materiálové parametre d (hrúbka steny) a λ tepelná vodivosť) definujú tepelný odpor steny prostredníctvom jej čisto vodivého správania (vedenie tepla). Výsledkom je tepelný tok q a potreba tepla na vykurovanie Q_h.

Pokiaľ ide o tepelné žiarenie: Výstupný výkon je definovaný intenzitou žiarenia I_{IR v} čase. Medzi touto hodnotou a spotrebou energie P sa nachádza účinnosť ako faktor, ktorý závisí od systému a značky. Hodnota sekundárneho žiarenia je definovaná stavom povrchu. Intenzita žiarenia I_IR sa musí regulovať tak, aby sa vytvoril príjemný pocit teploty t_e. Pohyb vzduchu v_L a vlhkosť vzduchu Φ rel. LF) musia byť v optimálnom rozsahu.

Pocitová teplota t_e závisí predovšetkým od strednej teploty obalového povrchu t_u. To je zasa merateľne závislé.

t_u = Σf ( T_o,i ; ε_IR,i ; F_i ; d_i )

Kde:

i – index podoblasti

T_o – Povrchová teplota

ε_IR – Emisné správanie v rozsahu 9,75…10,0 µm

d – Vzdialenosť jednotlivých plôch

Jednotlivé plochy sú rovné a usporiadané vertikálne (stena) alebo horizontálne (strop). Vzdialenosť závisí od polohy osoby (analyzátora vnútornej klímy) a ovplyvňuje intenzitu prichádzajúceho žiarenia alebo aj čistú stratu žiarenia do chladičov žiarenia (napr. okno, ktoré „vyžaruje chlad“).

Popis problému

Rozsiahle empirické a vedecké štúdie (najmä analýzy klímy v miestnostiach) preukázali, že interiérový náter s povrchovou úpravou ClimateCoating zvyšuje komfort, a tým vedie k úsporám energie na vykurovanie. Príčiny sú, pričom všetky ostatné faktory, ako aj vykurovací systém zostávajú nezmenené:

• zvýšené povrchové teploty
• Znížené rozdiely v povrchových teplotách
• Celkovo možno povedať, že zmena _tu priniesla zlepšenie v _te

Tu však vzniká zdanlivý rozpor: Ak α + ρ = 1 a α = ε, potom zvýšená povrchová teplota znamená zvýšenú emisiu a zníženú reflexiu. Pri ClimateCoating je však dôležitým mechanizmom pôsobenia tzv. IR odraz (rozptyl, spätný rozptyl). Zvláštnosťou na rozdiel od čisto nepriehľadných povrchov je, že prichádzajúce žiarenie je spočiatku pohlcované, ale potom sa v dôsledku procesov rozptylu dostáva na značne predĺžené dráhy (rozloženie v membráne) a „rozptyľuje sa späť do priestoru“.

Diplomová práca:

Preto musí existovať výrazný rozdiel oproti nepriehľadným povrchom, pretože základné fyzikálne zákony nemožno prekonať. Zvýšená povrchová teplota obalových plôch je spôsobená prítomnosťou bariéry tepelného toku: spätným rozptylom v membráne s dutými mikrosférami.

Procesy opísané v Shnirovom modeli pre Mieho rozptyl možno reprezentovať simuláciami. Ak sa pripočíta akumulácia tepla z teórie siete (izolačný účinok v dôsledku predĺžených ciest vedenia tepla), akumulované teplo sa musí podľa modelu vyžarovať späť.

Dodatok: niektoré radiačné fyzikálne javy v infračervenom pásme (1)

Korelácia teploty a maximálnej vlnovej dĺžky Korelácia teploty, emisie a intenzity žiarenia

Dodatok: niektoré radiačné fyzikálne javy v infračervenom pásme (2)

Tento obrázok končí v NIR (IR-B) pri približne 3,0 µm (Grafika: Matthias M., wikimedia commons)

Klasifikácia IR žiarenia, 0 K = – 273,15 °C V angloamerickej oblasti:

0,78 – 1,4 µm v blízkosti infračervené

1,4 – 3,0 µmkrátka vlnová dĺžka

3 – 8 µm stredná vlnová dĺžka

8 – 15 µm dlhá vlnová dĺžka

15 µm – 1 mm vzdialená infračervená oblasť

Dodatok: optický rozptyl infračerveného žiarenia v membráne

V rokoch 2012 – 2013 vyvinul Inštitút Inbitec e.V., Berlín Buch, simulačný program založený na Comsol Multiphysics (softvér na výpočet konečných prvkov) na realistický výpočet empiricky podložených hodnôt zlepšenia vnútornej klímy a úspory energie na vykurovanie prostredníctvom použitia technológie termokeramických membrán (ClimateCoating) ako vnútornej a/alebo vonkajšej povrchovej úpravy budov. ²¹

Súčasne sa vyvinulo vhodné meracie zariadenie (miniatúrny analyzátor klímy v miestnosti podľa vzoru profesora Marxa) na overenie výpočtov prostredníctvom meraní.

Súčasťou vývoja programu bol aj výpočtový modul na optimalizáciu rozloženia priemeru keramických dutých guľôčok pridaných do náteru s cieľom zlepšiť vlastnosti spätného rozptylu (Mieho rozptyl a spätný rozptyl v IR).

Výsledok vyšetrovania:

„Podarilo sa nám ukázať, že efekt farby vytvárajú dve základné vlastnosti. ²²

Vysoký podiel vákuových guľôčok v nátere spočiatku vytvára izolačný účinok; zároveň vysoké riedenie akrylovej zložky vytvára výrazne nižšiu tepelnú kapacitu.

Dopadajúce žiarenie je vo vnútri silne rozptýlené a absorbované.

Tieto vlastnosti (rozptyl a absorpcia v kombinácii s nízkou tepelnou kapacitou) spôsobujú, že

farba sa na povrchu rýchlo zahrieva a odvádza málo tepla na studenú rubovú stranu.

Tým sa vytvára teplejší povrch pre osobu v miestnosti, ktorý prirodzene vyžaruje teplo aj na osobu. Ľudia to vnímajú ako príjemné aj pri malom zvýšení teploty, a tak sa rýchlo vytvorí dobrá atmosféra.

V kombinácii so sálavým vykurovacím systémom to umožňuje výrazne znížiť vykurovací výkon. Zároveň sa zníži prúdenie vzduchu, pretože pri studenej stene už nemôže dochádzať k vysokému prúdeniu smerom nadol. Pri studenom moste, ako je znázornené na obrázku, sa zároveň vytvára izolácia, ktorá zabraňuje vzniku vlhkého rohu.“

Úvahy o matematickom začlenení do vzorca pre hodnotu U

Hodnoty teploty môžete meniť, čo nespôsobí žiadne výrazné zmeny. Môžete zmeniť vrstvy komponentov, čím sa zmení hodnota U. Ak zmeníte vnútorný odpor prestupu tepla Rsi, keďže hovoríme o procesoch na povrchu steny, ovplyvní to povrchovú teplotu. Aby sa dosiahla vyššia povrchová teplota, je potrebné použiť nižšiu hodnotu Rsi, ako je normalizovaná hodnota 0,13. V príklade: Rsi s hodnotou 0,03, potom sa z 17,8 °C stane 21,63 °C. Výsledkom štruktúry vzorca je však vyššia hodnota U (1,38 namiesto 1,21).

Vložením náteru ClimateCoating ako prvej vrstvy komponentu na vnútornej strane s ekvivalentnou hodnotou tepelnej vodivosti sa dosiahne zvýšená povrchová teplota. Tu sa z hodnoty 17,8 °C stane 22,19 °C. Nevýhodou je silný pokles teploty za náterom. Vyplýva to zo štruktúry vzorca a v praxi sa nevyskytuje.

Na obrázku je znázornená iná grafická implementácia teplotných kriviek variantov „Stock“ a „TS-I c“ (ClimateCoating) v porovnaní. Táto forma prezentácie robí fakty transparentnejšími.

Môžete vidieť zníženú teplotu vzduchu v miestnosti aj zvýšenú teplotu povrchu. Keďže radiačné procesy nie je možné znázorniť pomocou diagramu U-hodnoty, malo by sa tu pridať vysvetlenie: Zvýšenie povrchovej teploty a vyžarovanie tepla späť do miestnosti sú hlavné udalosti, ktoré ovplyvňujú energetickú bilanciu.

Teplotný skok smerom nadol medzi membránou ClimateCoating a omietaným povrchom steny je nápadný. To ilustruje tepelnú impedanciu (lat. impedere: brzdiť, brániť) – sekundárne dochádza k zníženému tepelnému toku q. V príklade: Zníženie vnútornej teploty z 23 °C na 19 °C a zvýšenie povrchovej teploty zo 17,8 °C na 18,3 °C účinne znižuje hodnotu U o 33 %.

Vzhľadom na dynamický charakter membrány ClimateCoating, ktorej účinnosť bola doteraz dostatočne preukázaná len v reálnych prechodných podmienkach, sa osvedčilo prispôsobenie schém teórie U-hodnoty.

V prvom kroku – zníženie vnútorného odporu pri prestupe tepla Rsi alebo jeho nahradenie RTSI – sa to ešte nepodarilo úplne bez rozporov. Zavedením výpočtovej hodnoty äqu možno prezentovať hodnoverný a realistický výsledok. Na začiatku ide o hustotu tepelného toku q [W/m²] a množstvo tepla Q [kWh].

Teplotný profil vypočítaný podľa tejto schémy sa musí ešte metrologicky upraviť; účinok náteru ClimateCoating bol metrologicky niekoľkokrát preukázaný.

V každom prípade sa dajú očakávať odchýlky medzi vypočítanými a nameranými hodnotami teploty v bode x, ktoré vyplývajú zo skutočnosti, že tu použitá schéma je prísne stacionárna a že v praxi majú prechodné podmienky za následok aj to, že tepelný tok nie je rovnomerný a že môžu prebiehať aj opačné procesy.

Cieľom by teraz malo byť analytické a metrologické overenie dvoch výpočtových premenných λäqu a RTSI. Toto je len návrh, prípadne je možné zvoliť inú cestu prenosu praxe do výpočtu.

Vypracoval: Dipl.-Ing. Matthias G. Bumann, Berlín Dipl.-Ing. Matthias G. Bumann, DIMaGB, Berlín; +49-30-67489727, Na objednávku a pre: SICC Coatings GmbH; Berlín, +49-30-500196-0,