Výpočet části tepelné bilance pro nemovitosti – určeno k oponentuře
Shrnutí: V dalším se diskutuje část tepelné bilance pro území, které je oproti původnímu stavu přírody zatíženo zástavbou (nemovitosti, silnice, pole, …). Jedná se o indikativní, zjednodušený výpočet jak tři soubory procesů (které člověk ovlivnil a které člověk umí ovlivnit i dnes, resp. v čase budoucím) přispívají tepelné bilanci zkoumaného územního celku. V prvním přiblížení se zdá, že tento výpočet by mohl mít dobrý význam pro informovanost vlastníků/správců území. Informovanost vlastníků / správců nemovitostí by mohla dlouhodobě zajistit postupný návrat částí území do stavu tepelné bilance „před zástavbou“. V současné době je třeba výpočet podrobit důkladné analýze a oponentuře odborníků – zvláště pak expertů na termodynamiku a fyzikální chemii.
Soubory uvažovaných procesů, které na bilanci tepla kubického prostoru u povrchu Země mají vliv a které byly a jsou člověkem ovlivněny:
- Příjem tepla ze slunečního záření
- Výdej tepla výparem vody
- Výroba tepla díky lidské činnosti (vytápění, ohřev TUV, doprava, energetika, …)
Omezení a zjednodušení
Procesy, které jsou člověkem přímo neovlivněné, nebo je jejich příspěvek pro tepelnou bilanci v čase minulém a současném zřejmě v průměru stejný, jsou pro tento indikativní výpočet části tepelné bilance vědomě zanedbány: přenos tepla z/do okolních prostor dík tepelné kapacitě vzduchu/deště/sněhu/podzemní vody, přenos tepla konvekcí z/na okolní prostor, vyzařování tepla na dlouhých vlnách mimo zkoumaný prostor, možná změna příjmu tepla odraženého atmosférou, akumulace/výroba tepla organismy. Dále je pro tento orientační výpočet zanedbán vliv „skleníkových plynů“ na růst tepelného toku odrazu tepla od atmosféry směrem k povrchu země. Stejně tak je zanedbán vliv vodní páry, která vzniká jako produkt spalování fosilních paliv a která snižuje rychlost odparu (snižuje rychlost chladícího procesu) a má tak systémový příčinek na růst absolutní teploty při povrchu země. Tento negativní vliv uměle vyráběné vodní páry je díky provedeným výpočtům marginální a pro výpočet jej můžeme zanedbat. Detail výpočtu máme k dispozici.
Řádná tepelná bilance by měla být provedena pro kubický prostor (který je třeba si v každém případě při posuzování výpočtu alespoň představit). Nicméně, současný indikativní výpočet je pro jednoduchost proveden pouze nad uvažovanou plochou. Výpočet je nyní tedy zjednodušen tak, aby byl srozumitelný a tedy i lehce oponovatelný. Pokud by se ukázalo, že je třeba výpočet v dalším zpřesnit, budou určeny parametry virtuálního kubického prostoru, sestavena soustava diferenciálních rovnic popisující kinetiku toků tepla pro každý proces a poté bude možné provádět řádné výpočty.
Vstupní hodnoty
Bilance bude provedena s využitím průměrných uváděných hodnot
- počet hodin slunečního svitu v ČR 1500 h.rok-1
- průměrná solární konstanta 300 J.s-1.m-2.
- průměrná rychlost odparu vody 2 mm.den-1
a tabelovaných termodynamických konstant
- výparná enthalpie (evaporační teplo) -2,4 MJ.kg-1
Hodnoty albeda (míra odrazivosti) pro různé povrchy a rychlosti odparu vody z rostlin/stromů jsou uvedeny v tabulce přiloženého výpočtu. Pokud se bude zdát, že výpočet vrací užitečné hodnoty, bude třeba tyto hodnoty detailněji zkoumat, naměřit a zpřesnit.
Zkoumané stavy
Zkoumané jsou/budou tři stavy: dříve před zástavbou, dnes včetně zástavby a v budoucnu „zamýšlený stav“, s ohledem na možné úpravy: zvýšit počet vysazených stromů, zvětšit rybník, založit mokřad/kořenovou čistírnu, změnit barvu střechy atp.
Cíl současné fáze
Nyní žádáme každého, aby posoudil správnost výpočtu (logika vzorců a uplatněné konstanty/parametry) s důrazem na rozměrovou analýzu (správnost použitých jednotek). Jedná se o nalezení možné systémové chyby, která by výpočty zásadně změnila. V této chvíli nehledáme marginality, jako jsou například hodnoty konstant (pokud se nejedná o řádové chyby, resp. chyby v rozměrech).
Diskuse dosavadních indikativních výpočtů
Srovnání tří zkoumaných scénářů (dříve, dnes a zítra) vychází v očekávaných relacích (dříve místo se zelení „chladilo“, dnes místo „topí“. Výpočet pro „zítra“ v sobě uplatňuje zvýšení plochy pro odpar vody a změnu albeda střechy nemovitosti. Absolutní výsledky (součet příjmů a výdajů tepla za jeden průměrný den pro každý ze tří scénářů) nejsou s ohledem na uplatněná zjednodušení až tak zajímavé. Mimořádně zajímavé však je, že se příjmy a výdaje řádově shodují a dále pak to, že celkové bilance všech tří scénář variují kolem nuly:
Reálné zkoumané místo o půdorysu 20 tis m2
Scénář „dříve“ chladil – 2,5 GJ za průměrný den
Scénář „dnes“ topí +3 GJ za průměrný den
Scénář „zítra“ by mohlo opět chladit – 1 GJ za průměrný den
Hodnoty této částečné bilance „dříve“ a „dnes“ variují kolem nuly: scénář „dříve“ má záporné znaménko (chladí), scénář „dnes“ má kladné znaménko (hřeje). To dává navíc naději, že předpoklad zanedbat všechny ostatní uvedené procesy byl pro tuto business situaci (ukázat majiteli/správci nemovitosti co způsobil) oprávněný. Pro potřeby rozhodování o budoucích úpravách pozemků a zástavby tedy zřejmě stačí vycházet z uvažovaných tří souborů procesů (příjem tepla ze slunce, odvod tepla výparem a přímá produkce tepla člověkem). Výpočet dále ukazuje, že tepelný tok přímo způsobený člověkem (topení, …) vychází v řádu jednotek GJ/den a je řádově nižší, než jsou bilanční složky procesů A a B:
Žádost o spolupráci
Pokud máte zájem o prostudování/posouzení detailního výpočtu (soubor v MS Excel), tak nám prosím napište jaromir.horak@equica.cz a výpočet obdržíte e-mailem. Pokud nebude metodika výpočtu vážným způsobem zpochybněna, Equica a.s. bude nabízet službu výpočtu této části tepelné bilance všem zájemcům.
Řešitelský tým:
Ing. Jaromír Horák, absolvent VŠCHT Praha,
specializace matematické modelování biologického čištění odpadních vod.
Ing. Martina Wild, absolvent VŠCHT Praha, martina.wild@equica.cz