ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební
Doplňkové otázky k předmětu Laboratoře TZB
Ing. Daniel Adamovský, Ph.D.
Praha 2011
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
Pár slov úvodem… V rámci předmětu Laboratoře TZB projdete mnoha úlohami a aktivně se zapojíte nejen do zpracování výsledků, ale i samotného měření vstupních veličin. Každá z úloh tohoto předmětu je zaměřená na jinou oblast systémů TZB a je jejich cílem prakticky prohloubit poznatky získané v jiných předmětech. Cílem tohoto doplňkového materiálu je formou otázek a odpovědí upozornit na důležité pojmy jednotlivých laboratorních cvičení, které by neměli uniknout Vaší pozornosti. Tyto informace považujeme za důležité a měli by Vám zůstat známé i po úspěšném dokončení tohoto předmětu. Úspěšné dokončení celého předmětu Vám přejí jeho garanti: Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. a Ing. Daniel Adamovský, Ph.D.
Otázky k úvodní přednášce „Měření v laboratoři“ 1. Definujte vlastními slovy co to je měření? Měření je kvantitativní zkoumání vlastností předmětů – mohou to být i jevy a procesy. Obvykle je porovnáváme s obecně přijatou jednotkou. Výsledkem měření je tedy číslo, které vyjadřuje poměr zkoumané veličiny k jednotce. 2. Vyjasněme si co je výsledkem měření. Výsledkem je charakteristika měřené veličiny, která je přesnější než kvalitativní popis (například že těleso A je teplé, a těleso B studené). Máme možnost tuto veličinu zjistit opětovným měřením – pokud zajistíme stejné okolní podmínky. Na základě měřené veličiny můžeme dále vyhodnotit a učinit závěry. 3. Čím lze výsledek měření vyjádřit? Pomocí domluvené škály a její jednotky. 4. Jaké jsou základní jednotky soustavy SI a pro jakou veličinu se používají? Metr - délka, kilogram – hmotnost, sekunda - čas, kelvin – termodynamická teplota, ampér – elektrický proud, kandela - svítivost, mol – látkové množství. 5. Jaké jsou odvozené jednotky a z čeho vychází? Uveďte příklady. Odvozené jednotky jsou tvořeny kombinacemi základních; metr čtverečný, newton, pascal, joule, ohm, aj. 6. Jaký je rozdíl mezi přímým a nepřímým měřením? Při přímém měření měříme přímo požadovanou veličinu, např. měření délky pásmem. Při nepřímém měření měříme jinou veličinu a na jejím základě vyhodnocujeme naší požadovanou. Obě veličiny mají obvykle fyzikální spojitost. Je to princip většiny měřících přístrojů. Například běžným teploměrem měříme výšku rtuťového sloupce, ke kterému je přiřazená teplotní stupnice. 7. Jaká je nezbytná podmínka správného měření při použití měřicího přístroje, který funguje na principu nepřímého měření? Nutná je kalibrace přístroje – správné sladění měřené a odečítané veličiny. 8. Definujte vlastnosti měřících přístrojů a zařízení, podle kterých vybíráme vhodný typ. Měřící rozsah - Udává interval použitelnosti přístroje. Rozsah měřených hodnot, ve kterém není překročená udávaná chyba měření. Citlivost - Podíl změny ukazatele a změny měřené hodnoty. V podstatě charakterizuje nejmenší změnu měřené veličiny, kterou je přístroj schopen zjistit.
Přesnost - Vyjádřitelná rozptylem naměřených hodnot při měření téže (neměnné, totožné) veličiny. Rychlost - Doba potřebná pro ustálení přístroje umožňující odečet, velmi důležité při měření v čase proměnlivé veličiny. 9. Definujte, jakými typy čidel můžeme měřit teplotu látky. Provedení teplotních čidel – dotykové (teplota povrchu pevného tělesa) a ponorné (teplota tekutiny). Konstrukční a materiálové rozdělení: NiCr-N – termočlánky, využívají Peltier-Siebeckova jevu; rychlé, velký měřící rozsah. Pt100/1000 – odporové, mění odpor platinového prvku v závislosti na teplotě; jsou přesné, ale pomalé. NTC – termistory; velmi rychlé, přesné, ovšem mají malý měřící rozsah. Infrasensory - bezkontaktní měření teploty, rychlé, pro správné vyhodnocení je nutné správně definovat emisivitu materiálu. Na výslednou teplotu zkoumaného povrchu mohou mít vliv i okolní plochy. 10. Definujte, jakým typem čidla můžeme měřit vlhkost vzduchu. Vlhkostní senzory, psychrometry – kapacitní snímače. Obvykle měří kombinaci teploty a relativní vlhkosti vzduchu. 11. Definujte, jakými typy čidel můžeme měřit rychlost vzduchu. Termoanemometry – čidla měřící ochlazování termistoru, rychlá, přesná, vhodná pro nízké rychlosti (do 5 m/s). Vrtulkové – snímač měří otáčky vrtulky. 12. Definujte, jakými typy čidel můžeme měřit průtok kapaliny. Snímáním pohybu tělesa umístěného v proudu. Podle konstrukce jsou tělesa šroubového, nebo lopatkového tvaru. Měření ultrazvukem - pracuje na základě metody tranzitního času ultrazvuku. Ultrazvukové vlny jsou vysílány a přijímány diagonálně napříč proudem kapaliny. Rychlost průtoku je spočítána z rozdílu tranzitních časů. Měření Dopplerovou metodou vychází z vyhodnocení snížení frekvence vlnění po odrazu. 13. Definujte, jak můžeme měřit tlak vzduchu. Atmosférický tlak můžeme měřit trojicí tlakoměrů: Kapalinové (rtuťové) tlakoměry udávají tlak výškou rtuťového sloupce ve vzduchoprázdné skleněné trubici, která je nahoře uzavřena a dole ponořena do nádoby se rtutí.
Aneroidy fungují na principu vzduchoprázdné nádobky, která se působením atmosférického tlaku deformuje. Velikost deformace je přenášena na ručičku ukazující velikost tlaku na stupnici. Senzory tlaku obsahují membránu, která se vlivem působení tlaku deformuje. Membrána je osazená piezoodpory (polovodiče). Podle protitlaku z druhé strany membrány rozlišujeme absolutní, diferenciální a manometrické. 14. Jakou osnovu by každé měření mělo mít? Příprava měření – velmi důležitá součást, která zahrnuje získání jasného zadání, analýzu podkladů, určení vhodného měřícího postupu a volba příslušného zařízení. Měření na místě – nalezení vhodného umístění pro čidla a přístroje, instalace, neustálá dokumentace podmínek, v nichž měření probíhá, záznam měřených dat. Vyhodnocení a závěry – analýza měřených dat, výpočty, souhrn a závěry.
Otázky k úloze „Cvičení č. 3 – Stanovení účinnosti výměníku ZZT“ 1. Vysvětlete cíl použití zařízení pro zpětné získávání tepla z odváděného vzduchu. Využít energii přenášenou odpadním (znečištěným) vzduchem a zlepšit celkovou energetickou bilanci systému. 2. Jak lze využít teplo získané z odpadního vzduchu? Ohřev přiváděného čerstvého vzduchu. Ohřev jiné látky pro využití v energetickém systému provozu (voda, jiná akumulační látka), například v systému přípravy teplé vody. Ohřev látky mimo energetický systém (sušení). 3. Jaký je princip zařízení pro zpětné získávání tepla z odváděného vzduchu? Odváděný odpadní vzduch sdílí teplo přímo do ohřívaného media (mísení vzduchu), přes teplosměnnou plochu (většina výměníků), přes vložené zařízení (kapalinový oběh). Směšování proudů vzduchu není obvykle akceptované jako zpětné získávání tepla. 4. Jaké lze uvést vlivy na přenesený tepelný tok? Parametry výměníku - velikost, tvar a materiál teplosměnné plochy; rovnoměrnost vystavení teplosměnné plochy proudům vzduchu; technická kvalita výměníku; součinitel prostupu tepla přes teplosměnnou plochu. Parametry provozu - parametry proudů vzduchu (zejména rozdíl teplot a hmotnostních průtoků); tlakové rozdíly mezi proudy vzduchu; příměsi ve vzduchu (nečistoty, korozivní a leptavé látky); údržba zařízení 5. Definujte základní rozdělení zařízení pro zpětné získávání tepla do skupin podle způsobu sdílení tepla. Regenerační – entalpijní získávání tepla, převažující sdílení citelného, latentního tepla a hmoty. Ohřívaný vzduch vtéká opakovaně s určitým časovým zpožděním za vzduchem ohřívajícím do přesně vymezeného prostoru, vyplněného pevným teplo zprostředkujícím elementem a přijímá z něho teplo, dříve přivedené ohřívajícím médiem. Rekuperační – teplotní získávání tepla, převažující sdílení – citelné (latentní) teplo. Oba proudy vzduchu, ohřívající i ohřívaný, jsou odděleny nepropustnou stěnou o určité tloušťce a o teplosměnných plochách S1 a S2 na stranách obou médií. 6. Vyjmenujte zástupce pro kategorii regeneračních a rekuperačních zařízení pro ZZT. Regenerační - rotační výměníky, přepínací výměníky
Rekuperační - deskové výměníky, výměníky z tepelných trubic, oddělené výměníky s vloženým kapalinovým okruhem 7. Vysvětlete rozdíl mezi citelným a vázaným teplem. Citelné teplo je funkcí změny teploty, při jeho sdílení nedochází ke změně skupenství látky. Vázané teplo je spojené s fázovými změnami látky. Při jeho sdílení dochází ve vzduchu ke změně měrné vlhkosti, mění se obsah vodní páry, tudíž probíhá některá ze změn kondenzace, odpařování, nebo vypařování vody. 8. Jaké jsou možnosti uspořádání vzduchových proudů ve výměníku a jaké se nejčastěji u výměníků ZZT používají? Rozdělení směru a smyslu proudění obou teplonosných médií: a) souproudé - směry os proudů ohřívacího a ohřívaného média jsou rovnoběžné a vektory rychlostí mají stejný smysl; b) protiproudé - směry proudů jsou rovnoběžné a mají opačný smysl; c) křížové - osy proudů jsou mimoběžné a v kolmém průmětu spolu svírají úhel 90°; d) se šikmým vzájemným proudem - osy proudů svírají v kolmém průmětu spolu úhel větší nebo menší než 90°, e) vícenásobně souproudé, protiproudé a křížové proudění, f) s kombinovaným prouděním.
a) souproud; b) protiproud; c) křížový proud; d) šikmý proud; e) až g) kombinované proudění Nejčastěji používané u výměníků ZZT: Protiproudé – rotační výměníky, výměníky z tepelných trubic, některé deskové Křížoproudé - nejčastější uspořádání u deskových výměníků Vícenásobné – u výměníků ZZT vzduch-vzduch je výjimečné, používá se, když řadíme výměníky do série. U zařízení ZZT využívajících kapalinový, nebo chladivový okruh se uplatní zejména na straně kapaliny. 9. Uveďte, jak definujeme účinnost sdílení tepla ve výměníku pro ZZT.
Účinnost sdílení tepla definujeme poměrem skutečně přeneseného tepelného toku k maximálnímu tepelnému toku, který lze získat mezi proudy vzduchu ochlazovaného a ohřívaného. Skutečně přenesený tepelný tok vyjádříme na základě rovnosti tepelného toku odevzdaného ochlazovaným vzduchem a přijatého ohřívaným vzduchem – vycházíme z tepelné bilance výměníku. Maximální tepelný tok udává, jaké množství tepla lze teoreticky sdělit v nekonečně dlouhém protiproudém výměníku. 10. Na základě jaké bilance vyjádříme skutečně přenesený tepelný tok ve výměníku? Vyjádříme jej na základě bilance tepelných toků ve výměníku z rovnosti tepelného toku Qi odevzdaného ochlazovaným vzduchem i a Qe přijatého ohřívaným vzduchem e, čímž předpokládáme, že ve výměníku nedochází ke ztrátám tepla.
Q = Qi = Qe = mi (hi1 − hi 2 ) = me (he 2 − he1 ) mi je hmotnostní průtok ochlazovaného suchého vzduchu, [kg.s-1] me je hmotnostní průtok ohřívaného suchého vzduchu, [kg.s-1] h je měrná entalpie (1 – vstup, 2 – výstup), [J.kg-1 s.v.]
Otázky k úloze „Cvičení č. 4 – Zjištění charakteristiky teplovodní otopné soustavy“ 1. Popište princip návrhu oběhového čerpadla teplovodní otopné soustavy. Jaké jsou nezbytné vstupní parametry? Vstupní parametry: návrhová tlaková ztráta potrubní sítě otopné soustavy, návrhový průtok teplonosné kapaliny. Vstupní parametry udávají jeden bod charakteristické křivky soustavy. Hledáme průsečík charakteristických křivek soustavy a navrhovaného oběhového čerpadla, který nazýváme pracovním bodem. Při návrhu hledáme takový pracovní bod, který splní požadavek návrhového průtoku i tlakové ztráty, aniž by výsledek proti vstupním parametrům byl předimenzovaný (tzn., kdyby skutečný průtok byl významně vyšší než návrhový). 2. Co vyjadřuje charakteristická křivka oběhového čerpadla? Charakteristická křivka oběhového čerpadla definuje vztah mezi tlakem čerpadla, tzn. dopravní (výtlačnou) výškou, v závislosti na průtočném množství kapaliny. Obvykle má tvar křivky vyjadřující při vysokém průtoku nízkou dopravní výšku čerpadla a při nízkém průtoku vysokou dopravní výšku. Dopravní výška se značí H a jednotky jsou: m, Pa, bar Průtočné množství se značí Q a jednotky jsou: m3/h, l/s, kg/s 3. Co vyjadřuje charakteristická křivka otopné soustavy? Charakteristická křivka otopné soustavy vyjadřuje tlak, kterým musí čerpadlo pracovat při daném průtočném množství, aby překonalo tlakové ztráty v této síti. Křivka má tvar paraboly a její strmost je závislá především na zvoleném průřezu potrubí. Soustava s rozvodem o malých průměrech (vysokých tlakových ztrátách) vytváří strmou charakteristiku, opačně soustava o velkých průměrech (nízké tlakové ztráty) má plochou charakteristiku. 4. Co to je pracovní bod otopné soustavy? Pracovní bod je bod, ve kterém se protíná charakteristika oběhového čerpadla a charakteristika sítě otopné soustavy. Pracovní bod definuje dopravní výšku čerpadla pro požadovaný průtok kapaliny v síti. Změní-li se charakteristika sítě (např. uzavřením větve), posune se i pracovní bod. 5. Vysvětlete co to je u regulační armatury Kvs a Kv hodnota a k čemu slouží. Hodnota Kvs - základní parametr každé regulační armatury. Udává velikost průtoku za hodinu plně otevřenou armaturou při tlakové ztrátě 100 kPa a teplotě vody 15 °C. Je nezbytná pro návrh konkrétní regulační armatury.
Hodnota Kv - vyjadřuje průtok za hodinu při definovaném zdvihu regulační kuželky a definované tlakové ztrátě ventilu. Slouží pro nastavení a posouzení chování armatury v soustavě. 6. Vysvětlete termín autorita ventilu. Autorita ventilu a - definována jako poměr tlakové ztráty ventilu při maximálním průtoku k dispozičnímu tlaku při zcela uzavřeném ventilu. Autorita má zásadní vliv na deformaci průtočné charakteristiky ventilu, tedy závislost zdvihu regulační kuželky a hodnoty Kv. Obvykle se doporučuje autorita v rozmezí 0,3-1. 7. Jaká je role vyvažovacího ventilu umístěného v blízkosti místa spotřeby tepla? Vyvažovací ventil zajišťuje omezení průtoku místem spotřeby tepla, pokud je vyšší než požadovaný. Tím zlepšuje charakteristiku regulačního ventilu, kterému může vrátit plný regulační zdvih při pohybu kuželky mezi krajními polohami. Může mít i diagnostickou, uzavírací, případně vypouštěcí funkci. 8. Vysvětlete statický a dynamický tlak v teplovodní otopné soustavě. Součet statického a dynamického (kinetického) tlaku je u nestlačitelných tekutin roven celkovému tlaku. Při proudění kapaliny potrubní sítí zůstává podle zákona o zachování energie v proudící ideální kapalině celkový tlak konstantní (Bernoulliho rovnice). Pokud je kapalina bez pohybu, je dynamický tlak nulový a statický zůstává konstantní a je dán hydrostatickým tlakem a tlakem v expanzní nádobě. Při spuštěném oběhovém čerpadle a proudící kapalině v soustavě je průběh celkového tlaku ovlivněn dopravní výškou (dynamickým tlakem) čerpadla. Na výtlačné straně čerpadla je celkový tlak nejvyšší a na sací straně nejnižší. Relativní přetlak proti statickému tlaku postupně s rostoucí vzdáleností od čerpadla klesá, jeho nula je v místě připojení expanzní nádoby. Ve zbylé trase soustavy zpět k sání čerpadla je relativní podtlak. Klesne-li v této části celkový tlak pod atmosférický tlak, může dojít k přisávání vzduchu do soustavy. 9. Popište princip měření na vyvažovacím ventilu. Ventil obsahuje škrticí prvek (clonku). Princip spočívá v měření rozdílu tlaku před a za škrtícím prvkem. Měřený rozdíl (diference) tlaku je rozdíl statického tlaku. Teoretický základ najdeme v Bernoulliho rovnici. Ta vyjadřuje zákon zachování mechanické energie v tekutině, podle kterého při stejných podmínkách tlak v tekutině klesá s nárůstem rychlosti jejího proudění. Když do proudu tekutiny v potrubí vložíme překážku, roste rychlost proudění (kinetická energie) tekutiny při průchodu překážkou a statický tlak v tekutině (potenciální energie) klesá.
Na základě změřeného poklesu tlaku a známé Kv hodnoty zadané armatury dopočítá vyvažovací přístroj průtok teplonosné kapaliny. 10. K jakému účelu slouží vyvážení otopné soustavy před jejím předáním investorovi? Cílem je zajistit provozní vlastnosti otopné soustavy v souladu s projektovou dokumentací, tak aby celá soustava plnila svým provozem požadavky hospodárného vytápění objektu. Prostředkem pro dosažení tohoto cíle je zajištění stejné tlakové ztráty každého místa spotřeby tepla, při jmenovitém průtoku v soustavě. Porovnání tlakových ztrát jednotlivých míst se spotřebou tepla vyžaduje definici vztažného bodu. Nejčastěji jím je zdroj tepla, případně pata stoupačky (když je vybavená regulátorem diferenčního tlaku).
Otázky k úloze „Cvičení č. 5 – Stratifikace vodního objemu v akumulačním zásobníku“ 1. Jak se mění měrná hmotnost vody v závislosti na teplotě? Měrná hmotnost vody s rostoucí teplotou klesá. 2. Vysvětlete princip teplotního vrstvení (stratifikace) vodního objemu. Voda se vlivem vztlakových sil dělí do teplotních vrstev s nejvyšší teplotou nahoře a nejnižší dole. Udržení teplotních vrstev ve vodním objemu napomáhá nízká tepelná vodivost vody. Ve vodním objemu nesmí výrazněji působit jiné síly, které by promíchávali jednotlivé vrstvy (průtok po výšce). 3. Jaké je využití teplotního vrstvení (stratifikace) vodního objemu? Využití je výhodné pro akumulaci tepla, kdy lze využít zdrojů tepla o různém potenciálu, podobně i pro jednotlivé odběry tepla. Zařízení se obvykle nazývají stratifikační akumulační nádrže/zásobníky. Při funkčním rozvrstvení vodního objemu do teplotních vrstev je možné využití akumulované teplo pro různé účely. Vrstvy o nejvyšší teplotě pro přípravu TV, střední pro nízkoteplotní vytápění a spodní vrstvy pro ochlazenou zpětně cirkulující vodu. 4. Jaké jsou základní podmínky pro udržení teplotního vrstvení (stratifikace) vodního objemu? Je nezbytné udržet vtokovou rychlost vody do jednotlivých vrstev nižší než 0,1 m/s, jinak bude vlivem kinetické energie proudu docházet k promíchání teplotních vrstev. Pro podporu vztlakových sil se využívají téměř výhradně vertikální zásobníky s vyšší štíhlostí. Ve vodním objemu lze instalovat samočinné, případně řízené stratifikační vestavby. 5. Proč se princip vrstvení vodního objemu používá výhradně u vertikálních zásobníků tepla? Využívají se téměř výhradně vertikální zásobníky s vyšší štíhlostí, čímž se podpoří vztlakové síly. Zásobníky s nižší štíhlostí mohou také využít teplotní stratifikace, ale styčná plocha mezi teplotními vrstvami je větší a sdílení tepla mezi vrstvami je intenzivnější. V případě horizontálních zásobníků nelze docílit využitelné stratifikace vůbec. 6. Jak se změní množství akumulovaného tepla mezi standardním a stratifikačním zásobníkem při stejném dodávaném tepelném příkonu? Nezmění se. Výhoda stratifikace spočívá v lepším využití akumulovaného tepla v závislosti na potenciálu (teplotě) při kterém je teplo do zásobníku dodáváno. Je-li k dispozici větší počet tepelných zdrojů s různými potenciály, nebo takový tepelný zdroj, který dodává tepelný tok s proměnlivým potenciálem (solární soustava) lze s výhodou využít stratifikaci vodního
objemu do teplotních vrstev proti unifikované teplotě promíchaného vodního objemu u standardního zásobníku. 7. Pro jaké soustavy se nejvíce využívá stratifikačních zásobníků? Velmi výhodné je použití těchto typů zásobníků pro solární soustavy s termosolárními kolektory. Vzhledem k proměnlivým teplotám na kolektorech v závislosti na dopadající sluneční radiaci se mění i jimi dosažený tepelný výkon. Stratifikaci do teplotních vrstev lze úspěšně využít pro akumulaci tepla při nízkém i vysokém tepelném výkonu aniž by docházelo k stagnaci kolektorů. Nižší tepelný výkon, kdy teplota vody v solární soustavě je nízká je možné lépe využít akumulací do nízkých vrstev zásobníku, i když vrstvy při vrcholu zásobníku mají teplotu vody vyšší než teplota na kolektoru. 8. Jaké jsou nezbytné součásti zásobníku, který cíleně využívá teplotní vrstvení vodního objemu? Stratifikační zásobník by měl být vybaven zařízením, které podpoří vrstvení vodního objemu po jeho výšce. V zásadě by toto zařízení mělo zajistit distribuci vody na vstupu do zásobníku s ohledem na aktuální teplotní vrstvení, rovněž by mělo omezit promíchávání vrstev a bránit jakémukoliv proudění po výšce zásobníku. 9. Popište příklad samočinné stratifikační vestavby Samočinné stratifikační vestavby využívají rozdílu hustot mezi přiváděnou vodou a vrstvami akumulačního zásobníku. Voda je z vestavby přiváděna vždy pod vrstvu, která první má nižší hustotu. Výstupní hrdla se vybavují lehkými zpětnými klapkami, které zabraňují přisávání vody z chladnější části zásobníku. 10. Popište příklad řízené stratifikační vestavby Akumulační nádoba je po výšce vybavená řízenými vstupy osazenými automatickými uzavíracími armaturami. Řídicí systém na základě porovnání vstupní teploty T a teplot jednotlivých vrstev Tx otevře regulační systém ventil ve výšce s nejnižším rozdílem (T-Tx).
Otázky k úloze „Cvičení č. 6 – Posouzení vnitřního prostředí“ 1. Definujte, co znamená termín tepelná pohoda. Lze nalézt mnoho definicí, ovšem všechny v zásadě vyjadřují, že člověk přebývající ve vnitřním prostředí při určité fyzické aktivitě pociťuje tepelnou pohodu tehdy, když je spokojen s tepelnými podmínkami prostředí. Definice podle ČSN EN ISO 7730: Tepelný komfort je stav mysli vyjadřující uspokojení s tepelným prostředím. Definice podle prof. Cihelky: Tepelná pohoda znamená, že je dosaženo takových tepelných poměrů, kdy člověku není ani chladno, ani příliš teplo - člověk se cítí příjemně. Definice podle ASHRAE Standard 55: Human thermal comfort is defined as the state of mind that expresses satisfaction with the surrounding environment. 2. Jaké jsou dva základní přístupy k vyjádření tepelné pohody? Přístup tepelné bilance (heat-balance approach) – kombinuje teorii sdílení tepla a termoregulačních fyziologických vlastností lidského těla k určení komfortního intervalu teplot při kterých se uživatel bude cítit komfortně. Adaptivní přístup (adaptive approach) – vychází z úvahy, že lidé jsou tolerantnější k teplotním změnám a vědomě i nevědomě jednají tak, aby příznivě ovlivnili tepelnou bilanci těla. 3. Vysvětlete princip vyjádření tepelné pohody přístupem podle tepelné bilance. Přístup tepelné bilance kombinuje teorii sdílení tepla a termoregulačních fyziologických vlastností lidského těla k určení komfortního intervalu teplot, při kterých se uživatel bude cítit v tepelné pohodě. Pro vyjádření se používá indexu PMV doplněný o index nespokojenosti PPD. Tento přístup vznikl v šedesátých letech 20. století na základě rozsáhlých experimentů s velkým počtem respondentů v prostředí klimatické kabiny, hlavním průkopníkem tohoto přístupu byl prof. P. Ole Fanger. Je vhodný zejména pro stanovení podmínek vnitřního prostředí pro vytápění i klimatizaci. Přístup tepelné bilance je celosvětově uznávaný a je základem evropské normy ČSN EN ISO 7730 a amerických zabývajících se vnitřním prostředím. 4. Vysvětlete princip adaptivního přístupu k vyjádření tepelné pohody. Adaptivní přístup vychází z úvahy, že lidé jsou tolerantnější k teplotním změnám a vědomě i nevědomě jednají tak, aby příznivě ovlivnili tepelnou bilanci těla. Adaptivní přístup připouští tepelný komfort v širším intervalu teplot. Důležitý zejména u budov bez aktivního chlazení, nebo vytápění. Uživateli musí být dána široká svoboda upravit si prostředí podle své úvahy (otevírání oken, řízení žaluzií, volba oblečení, apod.). Ve svém přístupu zohledňuje i psychický stav uživatele a jeho zvyklosti, například předpokládá, že vnímání teploty
uživatelem je daleko nižší, pokud prostředí vnímá jako známé, přátelské a plně pod kontrolou. 5. Výsledkem čeho je tepelná bilance člověka? Jakými tepelnými toky mezi lidským tělem a okolním prostředím lze tepelnou bilanci člověka vyjádřit? Tepelná bilance lidského těla je vždy závislá na okolním prostředí a je výsledkem produkce a výměny tepla s okolním prostředím. Lidské tělo neustále aktivně produkuje teplo ve dvou základních skupinách; bazální metabolismus, kdy je teplo produkováno na základě biologických procesů (m.j. trávení potravy) a svalový metabolismus, jenž vzniká při činnosti člověka (při konání práce). M ± R ± Cv ± Cd - Ediff - Ersw - Eresp - L = ΔS M R Cv Cd Ediff Ersw Eresp L ΔS
- hodnota metabolismu - tepelná ztráta (zisk) sáláním - tepelná ztráta (zisk) prouděním - tepelná ztráta (zisk) vedením - tepelná ztráta difuzí pokožky - tepelná ztráta běžným pocením - tepelná ztráta dýcháním (latentní) - tepelná ztráta dýcháním (citelná) - změna tepelné kapacity.
Odvod tepla z lidského těla závisí na parametrech okolí, ale lidské tělo není pasivní, stále se pomocí fyziologických regulačních mechanismů snaží docílit tepelné rovnováhy, kdy ΔS je rovné nule. Ovšem při ΔS > 0 teplota lidského těla stoupá, a naopak při ΔS < 0 teplota lidského těla klesá. 6. Jaká je reakce lidského těla na teplé prostředí? Na teplé prostředí nebo stoupající produkci metabolického tepla, lidské tělo reaguje rozšířením podkožních cév a vyšším zásobováním pokožky krví. Roste teplota pokožky a zvýší se odvod tepla z těla. Jestliže zvýšení teploty pokožky nemůže obnovit tepelnou rovnováhu, jsou aktivovány potní žlázy a začne probíhat chlazení odpařováním. Extrémní situace se nazývá hypertermie = nevyhnutelné přehřívání organismu. Nastává v případě, že oba mechanismy nemohou obnovit tepelnou rovnováhu těla. 7. Jaká je reakce lidského těla na chladné prostředí? Dojde ke snížení podkožní cirkulace krve a teploty pokožky, v jejímž důsledku klesá tepelná ztráta lidského těla. Proces bývá provázen vznikem "husí kůže" nebo postavením chloupků na kůži, zlepšuje se tím tepelná izolace kůže. Jestliže toto je neúčinné, nastoupí svalové napětí, třesení, které zvyšuje tepelnou produkci.
Třesení může vyvolat až desetinásobné zvýšení produkce tepla. Vnitřní teplota těla se nemění. Tělesné končetiny, prsty, uši, mohou mít nedostatek krve a jejich teplota může poklesnout až pod 20 °C. Mohou i omrznout, aniž by byla ohrožena vnitřní teplota těla. Extrémní situace se nazývá hypotermie = nevyhnutelné podchlazení těla. Pokračující vystavení chladným podmínkám způsobuje vzestup krevního tlaku, srdeční frekvence a spotřeby kyslíku. Začne-li klesat teplota tělesného jádra, klesá srdeční frekvence a dochází k selhání krevního oběhu. Smrt většinou nastává mezi 25 až 30 °C teploty tělesného jádra. 8. Vyjmenujte faktory vnitřního prostředí na tepelnou pohodu. Teplota vzduchu Radiační teplota Vlhkost vzduchu Rychlost proudění vzduchu Operativní teplota - je vypočtená hodnota a je definována jako jednotná teplota uzavřeného prostoru (tj. prostoru o stejné teplotě vzduchu i stejné střední radiační teplotě), černého z hlediska radiace, ve kterém by lidské tělo sdílelo konvekcí i sáláním stejné množství tepla jako ve skutečném, teplotně nesourodém prostředí Operativní teplota je váženým průměrem teploty vzduchu a střední radiační teploty podle odpovídajících součinitelů přestupu tepla konvekcí a sáláním. (Kabele, K. Modelování operativní teploty. 2003, dostupné na http://www.tzb-info.cz/1422-modelovani-operativniteploty). Efektivní teplota - je teplota prostoru při relativní vlhkosti 50 %, která způsobí stejné celkové tepelné ztráty z pokožky jako ve skutečném prostředí. Dva prostory se stejnou efektivní teplotou vyvolají stejné reakce organismu, i když tyto prostory mají rozdílnou teplotu i vlhkost vzduchu. Podmínkou je však stejná rychlost proudění vzduchu. (Centnerová, L. Tepelná pohoda a nepohoda. 2000, dostupné na http://www.tzb-info.cz/404-tepelnapohoda-a-nepohoda#lit) 9. Vyjmenujte osobní faktory ovlivňující tepelnou pohodu. Osobní faktory vstupující do tepelné bilance člověka jsou hodnota metabolismu podle fyzické aktivity M (W/m2, met) a izolace oblečení I (m2.K/W). 10. Co to jsou indexy PMV a PPD? Indexy PMV a PPD se používají pro vyjádření průměrného hodnocení kvality vnitřního prostředí. Index PMV (Predicted Mean Vote) vyjadřuje předpokládanou průměrnou volbu, tj. průměrný tepelný pocit člověka a index PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) vyjadřuje předpokládané procento nespokojených. V hodnoceném prostředí při větším počtu osob bude vždy minimální nebo vyšší počet nespokojených, který je stanoven nejméně 5 % ze všech osob.
Stupnice pro vyjádření tepelného pocitu indexem PMV má 7 stupňů od +3 (horko), přes neutrální pocit 0 až k -3 (zima). Norma ČSN EN ISO 7730 definuje tři kvalitativní třídy A, B, C vnitřního prostředí na základě indexů PMV a PPD. Jejich pomocí lze určit příslušná projektová kritéria pro jednotlivé typy budov, nebo prostorů.
