Tepelná pohoda a inteligentní dům

Tepelná pohoda je podle současných znalostí aspekt, který ovlivňuje kvalitu užívání interiérů budov, a její zajištění má zásadní dopad na energetickou náročnost budovy. Problematika nabývá na významu zvláště v současné době, kdy je trendem budování energeticky úsporných budov nebo pasivních budov. Navíc budování tzv. inteligentních budov nabízí možnost včlenit úlohu zajištění tepelné pohody do jejích technologických zařízení a do jejího řídicího a informačního systému.

Úvod

Tepelná pohoda je velmi významná kategorie pro pocit komfortu v podmínkách mimo požadovanou teplotu prostředí. Zajištění tepelné pohody silně ovlivňuje energetickou bilanci budovy.

Řídicí systémy pro tzv. inteligentní domy (nebo také smart house, smart home) přebírají úkol zajistit tepelnou pohodu na sebe [8], [5]. Shrňme, co řídicí systémy moderních budov zajišťují:

• v oblasti prostředí – tepelnou, světelnou a akustickou pohodu, kvalitu vzduchu, omezení elektrosmogu,
• v oblasti zabezpečení – protipožární opatření, opatření při úniku plynu a zaplavení, kontrolu pohybu osob kolem domu a uvnitř domu, detekci nedovoleného vniknutí do objektu,
• v oblasti úspor energie – ve vazbě na tepelnou a světelnou pohodu řízení využití obnovitelných zdrojů, kontrolu vypnutí svítidel, měření a analýzu spotřeby elektřiny, nabíjení elektromobilů (popř. začlenění do smart grids), zálohování napájení elektřinou, využití dešťové vody,
• v oblasti ochrany životního prostředí – snižování emisí CO₂,
• v oblasti zábavy – zapínání spotřebičů, nahrávání pořadů, integrované multimediální centrum, dohled nad komunikační sítí v domě, popř. nad bezdrátovou sítí WiFi.

Schéma řídicího systému inteligentního domu je na obr. 1. Centrální jednotka (1) je připojena k internetu ethernetovým kabelem prostřednictvím směrovače (router) (3). S řídicími moduly jednotlivých okruhů: prostředí (4) se snímači (4) až (12), osvětlení (15) se snímači a ovládáním (13) až (14), zabezpečení (16) se snímači (17) až (24), spotřeby (25) se snímači (26) až (28), komunikuje prostřednictvím bezdrátové sítě WLAN nebo vhodné sériové sběrnice, např. LonWorks.

Systém tepelné pohody

Popis systému tepelné pohody

Zajištění tepelného komfortu patří mezi základní funkce řídicího systému inteligentního domu. Podle klimatu v oblasti, kde je dům vystavěn, je vybaven technikou pro topení a chlazení s potřebným výkonem. Významnou součástí systému pro dosažení tepelné pohody jsou dále prostředky řízení a informační sítě.

Na obr. 2 je znázorněno, co tvoří a ovlivňuje tepelnou pohodu člověka. Tepelná pohoda člověka je závislá na metabolickém výdeji tepla W_h, který závisí na druhu činnosti, již člověk vykonává, na tepelněizolačních vlastnostech oděvu (I_h) a na podmínkách prostředí: teplotě vzduchu t_a, relativní vlhkosti vzduchu M_a, teplotě povrchu všech stěn v místnosti, tj. na tzv. střední radiační teplotě t_r, a na velikosti proudění vzduchu S_a. Podrobný popis měřených veličin uvádí tab 1. Tepelnou pohodu vyhodnocuje elektronická řídicí jednotka, jejímž výstupem je regulovaná veličina u(τ), kde τ je čas. Regulovaná veličina u(τ) je jedním ze vstupů jednotky ekvitermní regulace.

Metabolický výdej tepla je dán fyzickou aktivitou člověka v daném prostředí. Je-li člověk zcela v klidu (např. leží na posteli), vydává tělo muže přibližně 48 W/m² a tělo ženy 40 W/m². Těžce pracující člověk vydává více než 300 W/m². Vedlejší jednotkou vyjadřující výdej tepla je metabolický ekvivalent – met, který odpovídá metabolickému výdeji tepla průměrného sedícího člověka. Platí, že 1 met = 58,15 W/m².

Oblečení představuje pro teplo z metabolické produkce organismu tepelný odpor I_h. Proto je důležité oblečení člověka v prostředí, je-li to možné, volit podle metabolické produkce organismu a parametrů prostředí (nebo naopak parametry prostředí přizpůsobit oblečení, je-li druh oblečení dán bezpečnostními či hygienickými předpisy nebo společenskou konvencí). Jednotkou I_h je buď tepelný odpor (m²·K/W) pro daný typ oblečení nebo vedlejší jednotka clo, přičemž 1 clo = 0,155 m²·K/W odpovídá tepelnému odporu běžného společenského obleku.

Při znalostech těchto veličin lze tepelnou pohodu vyhodnotit podle modelu předpovědi středního tepelného pocitu PMV (Predicted Mean Vote; [1], [3], [4]). Je-li hodnota koefi­cientu PMV = 0, je tepelný pocit neutrální. Hodnota od nuly do –3 znamená pocity chladu, naopak od nuly do +3 jsou hodnoty vyjadřující teplo až horko.

Protože v současné době nejsou běžně vyráběny technické prostředky pro měření parametru střední radiační teploty t_r, potřebné pro výpočet PMV, stanoví se tepelná pohoda podle tzv. operativní teploty t_o [3]. Po­užívá se měření kulovým teploměrem a zohledňuje se při tom vliv teploty vzduchu i sálání okolních povrchů. Toto měření je však zatíženo velkou nejistotou v měření a velkou dynamickou nesourodostí [7].

Ukazatel předpovídaného procenta nespokojených PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) se odvozuje z parametru PMV. Ukazatel PMV předpovídá střední hodnotu posuzování tepelného pocitu u velké skupiny lidí a dává kvantitativní předpověď poměrného počtu lidí, kteří budou nespokojeni s hodnocením mikroklimatu.

Norma [3] uvádí také stupeň obtěžování průvanem DR (Draught Ra­ting). Hodnota je závislá na místní teplotě vzduchu, na průměrné rychlosti vzduchu v interiéru a na místní intenzitě turbulence.

Řízení tepelné pohody

V moderních inteligentních domech se stanovuje předpověď středního tepelného pocitu PMV. Číselná hodnota parametru PMV může být využita dvěma způsoby:

• Pro stanovení žádané hodnoty teploty vzduchu t_a u systému řízení vytápění nebo chlazení podle ostatních hodnot tak, aby hodnota parametru PMV byla nulová. Schéma zapojení systému vyhodnocování tepelné pohody do okruhu vytápění je na obr. 3.
• Pro stanovení vhodného druhu oblečení pro danou fyzickou činnost v daném prostředí.

Řídicí jednotka na obr. 3 podle hodnot vstupních měřených a doplňkových veličin vyhodnotí indexy tepelné pohody (PMV, PPD, DR) a současně má na výstupu signál u_PMV (τ) jako řídicí veličinu pro technické prostředky ekvitermní regulace, které po­dle tohoto signálu a údajů o venkovní teplotě t_ex (τ) a teplotě v referenční místnosti interiéru t_ut (τ) řídí zdroj tepla nebo chladu tak, že udržují index PMV rovný nule.

Doposud je velkým technickým problémem to, že neexistuje jednoduchý sériově vyráběný snímač střední radiační teploty všech vnitřních ploch interiéru. Vyráběné teploměry pro měření operační teploty mají velké nejistoty v měření a výrazně rozdílné časové konstanty, negativně ovlivňující vyhodnocování tepelné pohody. Navíc jsou finančně nákladné.

Výsledky výzkumné práce zabývající se otázkami tepelné pohody umožňují použít řešení s nepřímým měřením a následným vyhodnocením referenční radiační teploty t_rt interiéru [4]. Princip stanovení hodnoty lze vysvětlit podle blokového schématu na obr. 4.

Podle fyzikálních zákonů pro prostup tepla stěnou lze za určitých předpokladů najít místo na vnější stěně místnosti, kde pro celkový měrný tepelný tok přes stěnu q_st platí:

vzorec (1)

kde

U_st je odpor proti prostupu tepla stěnou bez uvažování součinitele přestupu tepla na vnitřní straně,

U_st^* odpor proti prostupu tepla stěnou s uvažováním součinitele přestupu tepla na vnitřní straně,

t_in   vnitřní teplota,

t_ex  venkovní teplota,

t_rt    referenční radiační teplota.

Hodnotu referenční radiační teploty t_rt lze po odvození stanovit podle vztahu:

vzorec    (2)

kde

α_ex je součinitel přestupu tepla na vnější straně,

α_in součinitel přestupu tepla na vnitřní straně (součinitele přestupu tepla nejsou materiálové konstanty, ale závisejí na mnoha dalších parametrech, zejména na rychlosti proudění vzduchu kolem stěny),

d   tloušťka stěny,

λ_st  součinitel tepelné vodivosti stěny.

Vypočtená hodnota referenční radiační teploty t_rt je hodnota pro zvolené místo. Do vzorce pro výpočet PMV a dalších indexů se dosazuje vypočtená hodnota korigovaná součinitelem k_rt, který zohledňuje další prostorové vlivy interiéru. V jednotce ekvitermní regulace se počítá korigovaná radiační teplota  podle vztahu:

vzorec    (3)

Závěr

Tepelná pohoda je významným faktorem kvality užívání každé budovy. Příspěvek přináší nové řešení vyhodnocování a řízení tepelné pohody člověka v interiéru. Toto nové řešení nepřímo vyhodnocuje referenční radiační teplotu ploch interiéru a umožňuje ji finančně nenáročným způsobem vyhodnocovat a následně řídit tepelnou pohodu v interiéru budovy.

Literatura:

[1] FANGER, P. O.: Thermal Comfort. New York, Mc-Graw-Hill Book Company, 1970, 224 s.

[2] ČSN ISO 7726 Tepelné prostředí. Přístroje a metody měření fyzikálních veličin. Praha, Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 1993.

[3] ČSN EN ISO 7730 Mírné tepelné prostředí – Stanovení ukazatelů PMV a PPD a popis podmínek tepelné pohody. Praha, Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 1993.

[4] HRUŠKA, F.: Automatizace techniky prostředí podle tepelné pohody. Doktorská disertační práce. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, FT, květen 2001.

[5] HRUŠKA, F.: Řízení parametrů prostředí podle tepelné pohody. In: Konference Inteligentní budovy, Brno, 21. 4. 2004. GITY, a. s., 2004. CD-ROM.

[6] HRUŠKA, F.: Měření střední radiační teploty pro stanovení indexů tepelné pohody. Teze habilitační práce. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, FT, leden 2005.

[7] HRUSKA, F.: Analysis of black spherical thermometer. In: Proceedings of the 6th International Carpathian Control Conference, Miscolc, Hungary, 24.–27. 5. 2005, pp. 123–128, ISBN 963-661-645-0.

[8] VALEŠ M.: Inteligentní dům. 2. vyd. Brno, ERA, 2008, 123 s., ISBN 978-80-7366-137-3.

doc. Ing. František Hruška, Ph.D., Fakulta aplikované informatiky, Univerzita Tomáše Bati Zlín (hruska@fai.utb.cz)

Obr. 1. Ukázkové schéma systému inteligentního domu

Obr. 2. Tepelná pohoda člověka v interiéru

Obr. 3. Schéma okruhu řízení tepelné pohody

Obr. 4. Schéma stanovení referenční radiační teploty v interiéru

Tab. 1. Veličiny stavu vnitřního prostředí