top of page

Teorie a metodika výpočtů

Tato stránka přináší podrobnější, sic populárně pojatou diskusi co je cílem výpočtů (části) tepelné bilance uvažovaného území a jak se tyto výpočty provádějí. Detailní popis pak bude uveden v nabídce, resp. v provedených výpočet na základě vaší objednávky. Každý z níže uvedených faktů si můžete prostudovat a ověřit v termodynamice a fyzikální chemii. Tyto vědy nejsou nikterak nové, sic se na vysokých školách vyučují poskrovnu. Bible fyzikální chemie byla publikována již v roce 1950 autorem Walter John Moore,

V Angličtině Fyzikální chemie zde, v češtině pak například zde.

Uvažované území: Pro každý výpočet lze uvažovat jinak veliké území, typicky podle toho jaké území žadatel o výpočet vlastní, nebo spravuje. Dále jen "území". 

Procesy, které mají vliv na bilanci energie daného území:

Enegie ze slunce
 

Počítáme s ní

výdej tepla,
chlazení povrchu sáláním

Řízené zanedbání

Výparná enthalpie

výparné teplo

Počítáme s ní

Odražené teplo z atmosféry, 
"skleníkový efekt"

Řízené zanedbání

Teplo,
vyrobené člověkem

Počítáme s ním

Akumulace a produkce v živými organismy a vegetací

Řízené zanedbání

Vítr, déš|ť, sníh, ...

všemi směry

Řízené zanedbání

Ostatní procesy, které jsme snad opomněli 

Řízené zanedbání

Teplo ze Slunce. Příjem energie ze Slunce (zjednodušeně) je závislý na délce svitu (v ČR se uvádí 1500 hodin svitu za rok), na velkosti takzvané Solární konstanty (jaké má Slunce v naší zeměpisné šířce sílu - uvádí se např. 300 w.m-2 (Joulů za sekundu na metr čtvereční) a na albedu (míře odrazivosti) povrchu, zjednodušeně na barvě povrchu. Albedo se udává buď v procentech, nebo jako relativní hodnota od 0 do 1. Více o této zásadní veličině pro výpočet bilance se dočtete například zde

Výdej tepla sáláním. Povrch Země se ochlazuje dík přeměně tepelného na elektromagnetické záření. Rychlost tohoto procesu roste  s rozdílem čtvrtých mocnin teplejšího (povrch země) a chladnějšího (kosmický prostor). Výpočet je relativně složitý a pro teď budeme příčinek tohoto procesu považovat za stejný jak před, tak po zástavbě. Tento přístup je ano velmi odvážný, ale chceme se rychle a relativně snadno dobrat k tomu hlavnímu, co tepelnou bilanci tvoří a co umíme lehce ovlivnit. K marginálnímu zpřesnění výpočtů lze přistoupit následně, nezpůsobí to řádovou změnu výsledků porovnávání stavu území před zástavbou a dnes, včetně zástavby.

Pokud připustíme, že rychlost odvodu tepla z povrchu země roste s rozdílem čtvrtých mocnin, tak už tušíme, jak je tento samoregulační proces nekompromisní. Proto i v místech kde není dost vody pro odpar = pro chlazení (například pouště) se stihne povrch během noci uchladit často až pod nulu. Tento fakt sám o sobě, tedy brutální kinetika tohoto chladícího procesu naznačuje, že dosáhnout změny průměrné teploty na zemi zřejmě není nijak lehké. A pokud se zásadně nezmění počáteční podmínky (to je na delší diskusi), tak to zřejmě není možné. 

Výparná entalpie. Nebo také výparné teplo. Množství tepla, které se musí dodat, aby se odpařila voda. Odpařování vody tedy chladí místo, kde odpařování probíhá. Množství odebraného tepla lze vyhledávat například zde. Vypaření 1 kg vody o teplotě 20 st. C ochladí místo výparu / odebere teplo 2,4 MJ. 

Teplo vyrobené člověkem. Jedná se o veškeré teplo, které vyprodukujeme topením, ohřevem vody, zbytkové teplo z výroby a jiných činností. Žádné teplo se neztratí, nezáleží na tom jak moc dobře má kdo izolovaný dům. Veškeré teplo nakonec "uteče" a přispěje tak k tepelné bilanci území. 

Ostatní procesy, které jsou ve výčtu uvedeny, nyní řízeně ve výpočtech částečné bilance zanedbáme.
Jedná se o procesy, jejichž rychlosti a tedy vliv na tepelnou bilanci

a) byly více-méně stejné před zástavbou a nyní, b) neumíme je lehce ovlivnit. 

Pokud bychom chtěli znát příčinek člověka na proces "odražené teplo z atmosféry" (kalkulovat vliv skleníkového efektu), pak bychom potřebovali mít k dispozici důvěryhodnou kinetiku tohoto procesu. Tato kinetika k dispozici na internetu není, sic ji poctivě hledáme. Pro zajímavost si vliv CO2 můžeme v bodech diskutovat: 

a) čím více CO2 příroda a lidé vyrobí, tím rychleji je fyzikální absorpcí do vody z atmosféry odstraňován do moře a do povrchu země.

b) čím více CO2 do vody a do země dostaneme, tím rychleji je jako základní složka fotosyntézy utilizován/spotřebováván zelenými organismy - jak na suchu, tak ve vodě/v moři. Kinetika růstu planktonu v ve světových mořích a fyzikálně rozpuštěný CO2 - rozpuštěný kyslík v moři - vyloučený kyslík z mořské vody do atmosféry zcela zásadní pro udržování dýchatelné atmosféry na Zemi (cca 18% kyslíku). 

c) čím je CO2 v jeho plynném stavu v atmosféře více, tím lépe roste vše zeleně. A to potřebujeme, protože fotosyntéza nejen že vytváří rostliny ale také vyrábí kyslík, jak již bylo zmíněno, který dýcháme. Proto se do skleníků přidává CO2, aby byla lepší úroda. Navíc, více zeleně = více zadržené vody, která je nutná pro odpar = pro chlazení. 

d) čím je CO2 v atmosféře více, skleníkový efekt se údajně snižuje a to logaritmicky. Teorie proč tomu tak je si můžete načíst například zde. Přeloženo do češtiny, čím více CO2 je, tím menší vliv na skleníkový efekt má. Sami si najděte ve vyhledávači "Logarithmic CO2", není to triviální diskuse.  Rozhodně nezavdává právo tvrdit že "Geen deal" = nulové CO2. Pokud bychom chtěli ralizovat "Green deal", tedy zelenou dohodu, pak potřebujeme více CO2 aby zeleň rostla, nikoli obráceně. Nic zeleného na zemi nebude, pokud budeme odstraňovat CO2

e) super zajímavá diskuse by byla porovnat bilanci CO2: kolik tun CO2 průměrně vyrobí příroda (stejné množství se průměrně spotřebuje na výrobu kyslíku) za den samovolně. Oproti tomuto číslu je produkce CO2 spalováním a dýcháním zanedbatelný zlomek. Stejně tak je třeba zmínit, že na globální kinetické závislosti ohřevu a chlazení tento plyn nemůže mít měřitelný vliv, protože jeho celková koncentrace v atmosféře nepřesauje 


Podtrženo sečteno: nezpochybňujeme zde možný vliv CO2 na rychlost procesů oteplování a odvozeně na rychlost procesů chlazení, které určují výslednou teplotu.  Nicméně, do výpočtů tepelné bilance tento vliv začlenit nelze, protože kinetické rovnice které by to popisovaly nejsou k dispozici. 

Zásadní zjednodušení uvedeného přístupu je nahrazení kubického prostoru nad uvažovaným územím plochou tohoto území. Pokud bychom chtěli kalkulovat příjem tepla (oteplování), výdej tepla (chlazení) a akumulaci tepla v kubickém prostoru, museli bychom  pracovat s detailní deskripcí materiálů a jejich tepelnými vodivostmi a tepelnými kapacitami. Celý výpočet by pak musel být veden nad soustavou diferenciálních rovnic a také paralelní výpočet ve všech dalších kubických prostorech, které s naším zkoumaným prostorem sousedí. 

Zanedbání některých procesů a zjednodušení kubického prostoru na plochu nás nutí diskutovat nikoli kompletní tepelnou bilanci kubického prostoru, ale jen částečnou tepelnou bilanci uvažovaného území. Nicméně i tak se jedná o velmi zajímavou část tepelné bilance, která každému majiteli, nebo správci území ukáže, jak si jeho území stojí v porovnání s časem minulým, před zástavbou. A pokud se ukáže, že jeho území hřeje, pak bude možné lehce navrhnout a vypočítat jaké elementy a jaké jejich velikosti je třeba pořídit, aby se území dostalo do podobného tepelně bilančního stavu, jako tomu bylo před zástavbou. 

V případě větších zastavěných území je to pochopitelně větší výzva a bylo by třeba, ve spolupráci s obcemi, městy, kraji, ... zahrnout do výpočtů větší území včetně přilehlých komunikací, lesů, řek atp. 

Metodika výpočtu

Jak již bylo zmíněno, výpočty budou provedeny vždy dva: pro období před zástavbou a dnes, včetně zástavby. Třetí možný výpočet pak může zahrnovat zamýšlené, projektované úpravy, které by tepelnou bilanci mohly překlopit z "kladných" do "záporných čísel". Tedy ze stavu dnešního, kdy území většinou "topí" do stavu nového, kdy by mohlo "chladit". 

A) Kalkulace území před zástavbou

1. vypočítá se příjem tepla z jednotlivých povrchů pro scénář před zástavbou pro průměrný den v roce. Je třeba tedy identifikovat všechny plochy, které se liší svým albedem (louky, vodní plochy, skály, ...), určit velikosti těchto ploch v m2 a kvalifikovaně odhadnout jejich albeda. Poté lze získat souhrnný výpočet za rok, který lze lehce zprůměrovat na 1 den: například 2 ha pozemek může mít denní příjem tepla + 60 GJ/ průměrný den v roce. 
 

2. vypočítá se výdej tepla, spojený s odparem vody (ze zelených povrchů, vodních ploch) z uvažovaného území. 2ha pozemek může mít průměrný denní výdej tepla například - 35 GJ/průměrný den v roce.

3. Za předpokladu, že dříve uvažované území (u povrchu Země) mělo historicky stejnou průměrnou teplotu, pak platí bilanční rovnice

Teplo ze Slunce = Chlazení dík opadu vody + Zanedbané tepelné toky

Zanedbané tepelné toky je tedy úhrn všech tepelných toků, včetně chlazení sáláním v noci.

Hodnotu zanedbaných teplených toků tedy určíme odečtením Teplo ze Slunce - chlazení dík odparu. V rovnovážném stavu před zástavbou byl úhrn zanedbaných tepelných toků - 25 GJ/průměrný den v roce.

Jak vidno, hodnota má záporné znaménko, jedná se tedy ve finále o soubor chladících procesů, zvláště pak radiace v noci, kdy se povrch Země ochlazuje. 

B) Kalkulace současného stavu uvažovaného území

4. Vypočítá se kolik tepla ze Slunce se přijme dnes, v situaci se zástavbou. Modelový výpočet vrací  cca o 1 GJ za den více tepla (díky nízkému albedu tmavých střech a super tmavých fotovoltaických panelů), než tomu bylo v období před zástavbou. Pro objasnění, solární panel je velmi tmavý, jeho albedo je velmi nízké = většina sluneční energie se na něm zachytí. A pouze asi 20% této energie se přemění na elektřinu, zbytek = teplo, které ohřeje panel a vzduch kolem něho. proto nad solárními panely/elektrárnami jsou dík těmto Heat Islands silné vzdušné proudy směrem vzhůru, teplý vzduch stoupá vzhůru.

5. Dále pak se určí velikost tepelného toku díky odparu vody. Modelový výpočet vrací cca o 2GJ/den nižší chlazení, než tomu bylo v období před zástavbou.

6. vypočítá se, kolik tepla za rok celkem člověk na daném území vyrobí, výsledek se opět zprůměruje na 1 průměrný den. Tato hodnota vychází pro RD např. 0,5 GJ / průměrný den v roce. 

7. S využitím vypočítaných hodnot se provede tepelná bilance současného stavu. Lze tedy sečíst všechny příspěvky tepelné bilance:

Eq rozdíl = Rozdíl oproti stavu před zástavbou =

Teplo ze Slunce dnes + Chlazení dnes + Teplo vyrobené člověkem + Souhrn zanedbaných tepelných toků

Pro modelový výpočet vychází hodnota Rozdíl oproti stavu před zástavbou (EqRozdíl) 3,5 GJ/den. Uvažované území tedy topí a zřejmě je tedy správně provést některá opatření tak, aby se území dostalo do rovnováhy, resp. do stavu tepelné bilance před zástavbou. Je tedy třeba navrhnout a vystavět mokřady, rybníček / zadržovat/recyklovat dešťovou / odpadní recyklovanou vodu, zvážit změnu barvy střešní krytiny atp.

Výpočty ukazují, že dosáhnout rovnovážného stavu, vyvážené tepelné bilance tak, jak tomu bylo před zástavbou je proveditelné. 

8. jako side-efect výpočtů získáte také informaci o tom, kolik vody (např. za průměrný den) je spotřebováváno pro chlazení vašeho území. Vězte, že je to mnoho m3 za den. Pro představu, uvažované území o rozloze 2ha spotřebuje na odpar/chlazení asi 10 m3 = deset tisíc litrů vody za průměrný den. 

bottom of page