Snížit spotřebu tepelné energie, zvýšit tepelnou pohodu v interiéru a přitom neprovádět vnější vrstvu tlusté tepelné izolace. Zní to jednoduše, ale jde to?

Zateplenie domu náterom ThermoShield

Ano, součastné technologie a výsledky vědeckých výzkumů v oboru stavební fyziky udávají nové směry v tepelné ochraně budov pro snížení energetické náročnosti provozu. Pro snadnější představení těchto nových materiálů a systémů, je nutné specifikovat faktory, které skutečně ovlivňují tepelné ztráty a o kterých se nikde nemluví.

Neustále slyšíme: zateplení, zateplení, zateplení

Toto jsou slovní spojení, která slýcháváme každý den, útočí na nás v podobě reklam na ten či onen systém zateplení domu, ten či onen vytápěcí způsob, na úspornost toho či onoho topného media.

Moudrý státní úředník, na základě doporučení "zaručených odborníků", nám udává, kolik doporučeně musí mít hodnotu různé ukazatele a součinitelé, aby Váš dům byl energeticky úsporný, splňoval určité barevné pásky v nějakém grafu a nebo dokonce, aby vůbec žádnou tepelnou energii nespotřebovával – "jakési perpetum mobile", přesně v duchu hesla –"Ušetřit korunu, i kdyby to stálo milion".

Když se rozumně podíváme na základě čeho se tyto hodnoty určují, jaké se zadávají vstupní hodnoty do tepelných výpočtů, jaké se používají výpočetní postupy a jak se sumarizuje celkové hodnocení energetické účinnosti obálky domu, musíte zkonstatovat, že jsme v "technickém středověku". Vstupní hodnoty pro tepelné výpočty a kombinace jejích působení v reálném čase s největší pravděpodobností nikdy nenastanou. Tím jsou tyto výpočty nevěrohodné a zavádějící.

Kdyby v jiných technických oborech, byly nosné konstrukce projektovány a počítány se stejnou technickou úrovní, byly by extrémně těžké a většina z nich by spadla.

Výpočet tepelných ztrát zatepleného domu

Tepelné výpočty můžeme označit, jako přesný součet absolutně nepřesných čísel, (jako čísla statistiků.). Komu tento stav vyhovuje nebudeme rozvádět.

V dnešní době se stavební konstrukce hodnotí v naprosté většině případů výpočetními postupy se stacionárními okrajovými podmínkami. To znamená, že výpočty pro transport tepla (energetická hodnocení, tepelné ztráty, teplotní faktor, tepelné mosty atd.) a transport vlhkosti (roční bilance zkondenzované vypařené vlhkosti) se provádí při konstantní vnější teplotě a relativní vlhkosti vzduchu.

Zjednodušené stacionární výpočty tepelných ztrát objektů, tak jak se v české republice ještě používají, zanedbávají působení:

Vnějších klimatických jevů

  • sluneční záření (krátkovlnné IR záření) 
  • dlouhovlnné IR záření
  • déšť
  • vítr

 

Fyzikálních dějů

  • akumulace tepla
  • akumulace vlhkosti
  • kapilární kondenzace
  • transport kapalné vlhkosti
  • vliv vlhkosti na součinitel tepelné vodivosti

 

Nové systémy výpočtu tepelných ztrát budov jsou "Dynamické simulace transportu tepla a vlhkosti", jsou to numerické výpočty, které využívají proměnlivé okrajové podmínky - nejčastěji s časovým krokem v rozmezí několika minut. Takto krátký časový krok umožní zahrnout do výpočtu krátké avšak významné klimatické děje (krátkovlnné a dlouhovlnné záření, déšť, vítr apod.) 

Současně dynamické simulace transportu tepla a vlhkosti dokáží lépe postihnou fyzikální děje, které se odehrávají běžně ve stavebních materiálech a konstrukcích, a které nejsou popsatelné stacionárními metodami. 

V tomto pojednání se opíráme o praktické výsledky výpočetního softwaru WUFI® (Wärme und Feuchte Instationär - teplo a vlhkost nestacionárně), který umožňuje realistický výpočet dynamického jednorozměrného a dvourozměrného šíření tepla a vlhkosti ve vícevrstvých stavebních konstrukcích vystavených venkovnímu počasí. Software vychází z nejnovějších výsledků zkoumání transportu tepla, vodní páry i kapalné vlhkosti ve stavebních materiálech a byl verifikován mnoha srovnávacími měřeními in situ i v laboratořích Fraunhofer-Institut für Bauphysik. univerzity ve Stuttgartu

Výpočet zateplení pomocí software, který počítá s klimatickými vlivy

Software WUFI využívá naměřená klimatická data zahrnující hnaný déšť nebo sluneční záření jako okrajové podmínky, proto umožňuje realistické vyhodnocení tepelně vlhkostního chování konstrukce vystavené přirozenému počasí.

Software WUFI se používá například při stanovení:

  • času potřebného k vysušení vlhkého zdiva
  • rizika kondenzace uvnitř konstrukce 
  • vlivu hnaného deště na obvodové konstrukce 
  • efektu při použití vhodné opravy, renovace konstrukce 
  • tepelně vlhkostního chování střešních a obvodových plášťů při neočekávaném použití nebo při použití v různých klimatických regionech

 

Výhodou dynamických numerických simulácií pomocou softvéru WUFI® sú aj grafické výstupy. Jedná sa predovšetkým o grafy (matematické data) a o filmy (grafy v čase), ktoré ukazujú teplotu a vlhkosť v stavebných konštrukciách v čase.

Software WUFI splňuje všechny požadavky normy ČSN EN 15026:2007 -Hodnocení šíření vlhkosti stavebními dílci pomocí numerické simulace, která definuje používání numerického softwaru pro tepelně vlhkostní simulace ve vícevrstvých stavebních konstrukcích.

Fraunhofer-Institut IBF definoval přenos tepla následovně:

Přenos tepla se zakládá na vedení tepla závislém na vlhkosti a proudu entalpie páry. Tento proud přepravuje teplo tím, že se voda odpařuje na jednom místě a přitom se tomuto místu odebírá teplo a poté difunduje na jiné místo, kde kondenzuje a tím přivádí teplo. Tento způsob přenosu tepla se často označuje jako efekt latentního tepla.

Zjednodušené posuzování hodnoty "U" a "Glaserův model vlhkosti" se tak ve stavební fyzice sesadily na dobový jev. Přísluší jim již pouze omezená informativní platnost.

Věříme, že těmito odstavci určitě nadzvedneme "odborníky" na teplo, není to v historii nic neobvyklého. Nové technologie to mají na začátku často těžké.

Seznam faktorů ovlivňujících přenos tepla v obvodovém plášti stavby domů

Když se v 19. století stavěly první železnice, varovali „experti“, že lidské tělo se nemůže vyrovnat s rychlostí větší než 30 km/h.

V tomto místě můžeme uzavřít výčet faktorů ovlivňujících přenos tepla v obvodové obálce stavby domů. Provedeme tedy jejich krátký souhrn.

  • Neochota projektantů a odborníků na teplo přijmout nová řešení a naučit se je používat v praxi, překonat nesprávné a vžité jednoduché postupy, které v konečné fázi způsobují technické škody.
  • Omezit vstupu vlhkosti a zamezit její ukládání v konstrukcí.
  • Zajistit odvod zabudované a nahromaděné vlhkosti z konstrukce vždy směrem do exteriéru.
  • Ochránit konstrukci před vysokovýkonnou složkou sluneční radiace a ochlazovat konstrukci.
  • Plně zužitkovat dlouho vlnné sluneční záření k předehřevu konstrukce za chladných dnů.
  • Usměrnit radiační složku tepelné kondukce (vedením) v profilu stěny

 

Na příkladě zdiva z plných pálených cihel klasického formátu, si ukážeme vliv % vlhkosti na tepelných vlastnostech

Klasifikace vlhkosti zdiva 

Stupeň vlhkosti Vlhkost zdiva - wm v % hmotnosti
velmi nízká w < 3
nízká 3 ≤ w < 5
zvýšená 5 ≤ w < 7,5
vysoká 7,5 ≤ w ≤ 10
velmi vysoká w > 10

 

Jednotlivé vypočtené hodnoty fyzikálních veličin dle vlhkostního zatížení 

 

Vlhkost wm [%] λ
[W/(m.K)]
ρ
[kg/m3]
cu
[J/(kg.K)]
U
[W/(m2.K)]
Tepelná ztráta
Q [W/m2]
%
0 0,81 1900 840 1,47 51 100
1 1,20 1919 863,9 1,89 68 133
2 1,37 1938 889,9 2,04 74 145
3 1,47 1957 914,9 2,13 78 152
4 1,59 1976 939,6 2,24 82 160
5 1,67 1995 963,9 2,31 84 164
7 1,81 2033 1011,1 2,42 88 172
8 1,86 2052 1034,1 2,46 90 176
10 1,95 2090 1078,7 2,53 92 180
15 2,07 2185 1183 2,61 95 186

wm = objemová vlhkost, λ= součinitel tepelné vodivosti, ρ=hmotnost, cu=tepelná kapacita, U= součinitele prostupu tepla, Q=tepelná ztráta

Z uvedené tabulky je zřejmé, jak významný vliv má vlhkost na fyzikální, respektive tepelně technické vlastnosti cihelného zdiva. Nárůst součinitele prostupu tepla "U" má neblahý vliv na snížení povrchové teploty a tím i na riziko vzniku plísní.

Cílem tohoto výpočtu bylo demonstrovat, jak malé množství vlhkosti podstatně změní vlastnosti zdiva.

  • Nárůst součinitele prostupu tepla"U"o zhruba 77%
  • Nárůst ztráty tepla o 86% je velmi významný !!
  • Zvýšení hmotnostní vlhkosti na 15%.

 

Způsobů, jakými se vlhkost dostává do hmoty stěny je mnoho. Nebereme-li v úvahu technické závady a poruchy např.:vzlínající voda (tzv. kapilární), voda působící hydrostatickým tlakem, voda z rozvodů instalací, Je to nejčastěji voda srážková (déšť, sníh), difúze vodní páry a klimatická vlhkost vzduchu.