Termowizja w ocenie komfortu cieplnego pomieszczeń przeszklonych zimą

Analiza termiczna przegrody budowlanej wykonana z wykorzystaniem podstawowego równania bilansu energii (ciepła) zakłada, że energia wnikająca w przegrodę zawiera dwa składniki: składnik konwekcyjny i radiacyjny. Całkowity strumień ciepła wnikającego (a zatem i przenikającego) przez przegrodę przyjmuje postać.

gdzie:
q – jest całkowitym strumieniem ciepła wnikającego (przenikającego) przez przegrodę,
q_k – jest strumieniem ciepła przekazywanego drogą konwekcyjną,
q_r – jest strumieniem ciepła przekazywanego przez promieniowanie (radiację).

Wymiana ciepła wewnątrz pomieszczeń budynków ze szczególnym uwzględnieniem promieniowania.

Podstawowe formy transportu ciepła przez przegrody budowlane to: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie. Przewodzenie charakteryzuje współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/m K] materiału. Konwekcyjna wymiana ciepła zależy od przejmowania ciepła na powierzchniach przegrody i charakteryzuje się współczynnikami przejmowania ciepła przez konwekcję h_c [W/m²K] oraz przez promieniowanie h_r [W/m²K]. Wymiana ciepła przez promieniowanie charakteryzowana jest przez współczynnik emisyjności ε, zależny od materiału, rodzaju jego powierzchni, temperatury, długości fali oraz kąta padania promieniowania.

Strumień ciepła q przekazywany do otoczenia przez promieniowanie ma postać

gdzie:
σ = 5,67· 10^-8 W/ m² ·K⁴ stała Stefana-Boltzmana
T_r – temperatura cieplejszej powierzchni
T_o – temperatura chłodniejszej powierzchni otoczenia
α_r– radiacyjny współczynnik przejmowania ciepła

Rys. 1. Rozkłady temperatury na powierzchniach wewnętrznych pomieszczenia, widoczna różnica temperatury między ścianą osłonową i działową oraz powierzchniami przeszklonymi.

Można się zastanowić, czy promieniowanie wewnątrz budynku wpływa na wymianę ciepła przez przegrody do otoczenia po wewnętrznej stronie w pomieszczeniu? Można sądzić, że problem wymiany ciepła przez promieniowanie jest równie istotny na zewnątrz, jak i wewnątrz budynku.

Ma to miejsce w szczególności w przypadku radiacyjnego oddziaływania przegrody budowlanej ze ścianami wewnętrznymi w budynku, których temperatura jest zwykle o kilka K wyższa (rys. 1). Coraz większa dostępność i dokładność kamer termograficznych pozwala badać zjawiska cieplne z wykorzystaniem tej metody pomiarowej.

Różnice temperatury pomiędzy powierzchnią przegrody budowlanej i otaczającego powietrza można wyznaczyć kamerą termowizyjną z pojedynczego termogramu, na którym zarejestrowany jest obraz powierzchni przegrody i obiektu przyjmującego temperaturę powietrza.

Projektowe a rzeczywiste właściwości cieplne przegród budowlanych

Temperatura ściany osłonowej (chłodzonej od zewnątrz) po stronie wewnętrznej T_w niekiedy jest nieco niższa od temperatury ścian działowych wewnątrz budynku, która jest równa temperaturze wewnętrznej w pomieszczeniu T_p. Radiacyjna wymiana ciepła pomiędzy ścianami wewnętrznymi, a ścianą zewnętrzną budynku musi uwzględniać współczynniki konfiguracji (kształtu), które określają, jaka część energii jednego obiektu dociera do drugiego i na odwrót. Moc promieniowania P, jaka dociera z wnętrza budynku do ściany chłodzonej wynika z bilansu energii i wynosi:

gdzie :
F_2-1, F_1-2 – współczynniki konfiguracji
S₂, S₁ – pola powierzchni ścian wewnętrznych w pomieszczeniu i ściany zewnętrznej

Wartość radiacyjnego współczynnika ciepła na wewnętrznej krawędzi ściany zewnętrznej wynosi:

przy czym T_śr jest średnią wartością temperatur T_p i T_w wyrażona w K.

Jeśli zmierzymy wartości temperatury przegrody po stronie wewnętrznej i ścian wewnątrz budynku i wynoszą one odpowiednio T_w = 17°C i T_p = 23°C to radiacyjny współczynnik przejmowania ciepła wynosi α_r = 5,14 W/(m²˙K).

Podobnie wygląda sytuacja, jeśli elementy ścian budynku od strony wewnętrznej (np. obszary przeszklone) mają temperaturę zdecydowanie niższą od pozostałych ścian wewnętrznych i temperatury panującej wewnątrz pomieszczenia. Wtedy radiacyjna wymiana ciepła następuje jeszcze intensywniej.

Przyczyny obniżonego komfortu cieplnego w pewnych obszarach pomieszczeń budynku

Analiza radiacyjnej wymiany ciepła w obszarach pomieszczeń wskazuje, że następuje oddziaływanie obiektów będących w otoczeniu człowieka i nie może być on traktowany jako wyizolowany. Temperatura odczuwalna jest definiowana jako jednolita temperatura pomieszczenia, w którym człowiek wymieni na drodze promieniowania i konwekcji taką samą ilość ciepła, jak w rzeczywistym, niejednolitym środowisku.

Obecność w pomieszczeniu powierzchni o znacznie niższej temperaturze (np. szyb o niskiej izolacyjności lub mostków cieplnych), czy ruch powietrza (np. w wyniku nieszczelności okien) powoduje zmniejszenie temperatury odczuwalnej w stosunku do temperatury powietrza. Temperatura odczuwalna (strumień ciepła tracony przez człowieka na drodze promieniowania) zależy od usytuowania człowieka względem powierzchni o obniżonej temperaturze.

Otoczenie oceniane jest przez człowieka pod względem termicznym w zależności od temperatury odczuwalnej, jego aktywności ruchowej lub jego braku, rodzaju ubrania (oporu cieplnego ubrania), prędkości względnej powietrza i wilgotności. A zatem, przykładowo, mimo utrzymywania w pomieszczeniu temperatury powietrza np. 20–22°C, przebywanie w pobliżu okna, którego temperatura od strony wewnętrznej wynosi np. 13- 14°C powoduje, że odczuwane jest niepożądane oziębienie części lub całego ciała.

Nie należy więc oczekiwać spełnienia warunków komfortu cieplnego w pobliżu przeszkleń o wysokim współczynniku przenikania ciepła w miesiącach zimowych, mimo zapewnienia dość wysokiej temperatury powietrza w pomieszczeniu. Lokalizacja miejsc pracy w pobliżu okien lub fasad szklanych powinna być wystarczającą przesłanką do zastosowania szyb zespolonych o współczynniku przenikania mniejszym od 1,1 W/ (m2˙K). Pomiary termowizyjne pozwalają wykryć te „zimne powierzchnie”, które są przyczyną pogorszenia komfortu cieplnego (rys. 2).

Rys. 2. Obrazy termalne na powierzchniach wewnętrznych pomieszczenia biurowego, widoczne niższe temperatury na stanowiskach pracy w pobliżu „ zimnych powierzchni” przeszklonych oraz odbite promieniowanie cieplne od pracowników widoczne na przeszkleniu

Badania komfortu cieplnego w obszarach przeszklonych pomieszczeń budynku metodą termowizyjną

Komfort cieplny pomieszczeń jest zależny nie tylko od temperatury panującej w ich wnętrzu, lecz również jest kompleksowo powiązany z temperaturami występującymi na wewnętrznej powierzchni przegród budowlanych zewnętrznych i wewnętrznych budynku. Na stabilność temperatury duży wpływ wywiera pojemność cieplna przegród, zarówno zewnętrznych, jak i wewnętrznych. Poniżej przedstawiono termogramy uzyskane podczas typowych badań termowizyjnych we wnętrzach budynków w pomieszczeniach biurowych, mieszkalnych i przemysłowych.

Rys. 3. Rozkłady temperatury na powierzchniach wewnętrznych pomieszczenia biurowego, widoczna różnica temperatury między powierzchniami przeszklonymi a ścianą oraz między podłogą a meblami i urządzeniami służącymi do pracy (biurko, komputer).

Rys. 4. Rozkłady temperatury na powierzchniach wewnętrznych pomieszczenia mieszkalnego, widoczna różnica temperatury między powierzchniami przeszklonymi a ścianami oraz meblami i innymi sprzętami.

Na obrazach termalnych wewnętrznych powierzchni pomieszczeń biurowych i mieszkalnych (rys.3, 4) niższe temperatury stwierdzono w obszarach przeszklonych oraz produkcyjnych i magazynowych (rys. 5). Pokazuje to zróżnicowanie temperatur w różnych obszarach tych pomieszczeń.

Rys. 5. Rozkłady temperatury na powierzchniach wewnętrznych pomieszczeń produkcyjnych i magazynowych, widoczne nieznaczne różnice temperatury jednak na znacznych powierzchniach ścian zewnętrznych.

Widoczne różnice temperatur w pomieszczeniu miedzy oknami i ścianami osłonowymi dla pakietów 2-szybowych i brak takiej różnicy w pokoju z oknami z 3-szybowym pakietem rys. 6.

Rys. 6. Porównanie obrazów termalnych od wnętrza pomieszczenia z oknami z pakietem 2-szybowym o średnim współczynniku U i okna z pakietem 3-szybowym o bardzo dobrym współczynniku U.

Duże powierzchnie przeszklone o nienajlepszej izolacyjności cieplnej nawet od strony południowej, w zimie, wieczorem i w nocy obniżają temperaturę w pomieszczeniu, mniejsze powierzchnie przeszklone o jeszcze słabszej izolacyjności nie są jednak w stanie tak wychłodzić łazienki (rys. 7).

Rys. 7. Rozkłady temperatury na powierzchniach wewnętrznych pomieszczeń mieszkalnych: z lewej widoczna znaczna powierzchnia przeszklona powoduje obniżenie temperatury w salonie, z prawej łazienka z niewielkim oknem o niskiej temperaturze nie obniża temperatury wewnątrz pomieszczenia.

Generalnie, aby poprawić komfort cieplny pomieszczeń eliminując straty przez promieniowanie, należy zastosować okna wysokiej jakości o niskim współczynniku przenikania ciepła, jeśli chodzi o przeszklenia oraz ramy okienne (rys. 6, 8).

Rys. 8. Porównanie rozkładów temperatury od wnętrza pomieszczenia okna starej konstrukcji tzw. skrzynkowego z nowoczesnym oknem z szyba zespoloną

Mniej skutecznym, jednak efektywnym sposobem, za to znacznie tańszym, jest zastosowanie w gorszych oknach starszej konstrukcji rolet i żaluzji wewnętrznych a nawet zwykłych zasłon, zwłaszcza nocą, które będą miały wyższą temperaturę i poprawią komfort cieplny pomieszczeń (rys. 9).

Rys. 9. Porównanie obrazów termalnych od wnętrza pomieszczenia okien odsłoniętych oraz okien, w których spuszczono żaluzje wewnętrzne czy zasłonięte są firany

Podsumowanie

W rzeczywistych przegrodach budowlanych najczęściej występuje wymiana ciepła przez przewodzenie, a w przypadku przegród szklanych – przez przewodzenie i przez promieniowanie. Konwekcja ma większe znaczenie przy wymianie ciepła pomiędzy ciałem stałym i środowiskiem gazowym, zwłaszcza, gdy występuje cyrkulacja powietrza. Ponieważ w wymianie ciepła biorą udział wszystkie jej rodzaje, stosuje się tzw. współczynnik przenikania, który można wyznaczyć z pomiarów temperatury po wewnętrznej i zewnętrznej stronie oraz gęstości strumienia cieplnego przepływającego przez przegrody. Szczególnym rodzajem przegród budowlanych są okna i fasady szklane. Izolacyjność cieplna przeszkleń jest znacznie gorsza od ścian, co powoduje, że nawet mniejsza ich powierzchnia jest przyczyną znacznych strat ciepła porównywalnych ze stratami przez ściany. Stąd starania o maksymalne polepszenie własności termoizolacyjnych okien. Charakteryzuje je współczynnik przenikania ciepła U. Poprawę (obniżenie) jego wartości można uzyskać przez:

• stosowanie szyb zespolonych zamiast szyb pojedynczych lub tradycyjnych-skrzynkowych,
• odpowiedni dobór szkła z powłokami niskoemisyjnymi miękkimi lub twardymi,
• gaz w przestrzeni międzyszybowej zamiast powietrza (standardem jest tutaj argon, można też stosować krypton i ksenon),
• stosowanie optymalnej szerokości przestrzeni międzyszybowej dla wypełnienia argonem (przyjęto 16 mm) efekt obserwuje się do około 22-24 mm, przy większej szerokości ramki występuje pogorszenie parametrów izolacyjnych szyby ze względu na możliwość występowania konwekcji w przestrzeni międzyszybowej.

Badania termowizyjne są bardzo przydatne w rejestracji i analizie zjawisk cieplnych występujących na wewnętrznej powierzchni ścian osłonowych (zwłaszcza obszarów przeszklonych). Pozwalają one wykryć obszary nadmiernie niskich temperatur zimą i próbować je wyeliminować oraz odpowiednio usytuować stanowiska pracy czy strefy przebywania ludzi. Pomagają one także przeanalizować zjawiska komfortu cieplnego w pomieszczeniach mieszkalnych i biurowych oraz poprawić jego jakość.