Znížiť spotrebu tepelnej energie, zvýšiť tepelnú pohodu v interiéri a pritom nerobiť vonkajšiu vrstvu hrubej tepelnej izolácie. Znie to jednoducho, ale ide to?

Zateplenie domu náterom ThermoShield

Áno, súčasné technológie a výsledky vedeckých výskumov v odbore stavebnej fyziky udávajú nové smery v tepelnej ochrane budov pre zníženie energetickej náročnosti prevádzky. Pre ľahšie predstavenie týchto nových materiálov a systémov je nutné špecifikovať faktory, ktoré skutočne ovplyvňujú tepelné straty a o ktorých sa nikde nehovorí.

Neustále počujeme: zateplenie, zateplenie, zateplenie

Toto sú slovné spojenia, ktoré počúvame každý deň, útočia na nás v podobe reklám na ten či onen systém zateplenia domu, ten či onen vykurovací spôsob, na úspornosť toho či onoho vykurovacieho média.

Múdry štátny úradník (na základe odporúčania "zaručených odborníkov") nám udáva, akú hodnotu musia mať rôzne ukazovatele a súčinitele, aby Váš dom bol energeticky úsporný, spĺňal určité "farebné pásiky" v nejakom grafe alebo dokonca, aby vôbec žiadnu tepelnú energiu nespotreboval - "akési perpetum mobile" - presne v duchu hesla: "Ušetriť korunu, aj keby to stálo milión".

Keď sa rozumne pozrieme na základe čoho sa tieto hodnoty určujú, aké sa zadávajú vstupné hodnoty do tepelných výpočtov, aké sa používajú výpočtové postupy a ako sa sumarizuje celkové hodnotenie energetickej účinnosti plášťa domu - musíte skonštatovať, že sme v "technickom stredoveku". Vstupné hodnoty pre tepelné výpočty a kombinácie ich pôsobenia v reálnom čase sa s najväčšou pravdepodobnosťou nikdy nenastanú. Tým sú tieto výpočty nevierohodné a zavádzajúce.

Keby v iných technických odboroch boli nosné konštrukcie projektované a počítané s rovnakou technickou úrovňou, boli by extrémne ťažké a väčšina z nich by spadla.

Výpočet tepelných strát zatepleného domu

Tepelné výpočty môžeme označiť ako presný súčet absolútne nepresných čísel (ako čísla štatistikov). Komu tento stav vyhovuje nebudeme rozvádzať.

V dnešnej dobe sa stavebné konštrukcie hodnotia v naprostej väčšine prípadov výpočtovými postupmi so stacionárnymi okrajovými podmienkami. To znamená, že výpočty pre transport tepla (energetické hodnotenie, tepelné straty, teplotný faktor, tepelné mosty atď) a transport vlhkosti (ročná bilancia skondenzovanej vyparenej vlhkosti) sa vykonáva pri konštantnej vonkajšej teplote a relatívnej vlhkosti vzduchu.

Zjednodušené stacionárne výpočty tepelných strát objektov (tak ako sa v slovenskej republike ešte používajú) zanedbávajú pôsobenia:

Vonkajších klimatických javov

  • slnečné žiarenie (krátkovlnné IR žiarenia)
  • dlhovlnné IR žiarenie
  • dážď
  • vietor

 

Fyzikálnych dejov

  • akumulácia tepla
  • akumulácia vlhkosti
  • kapilárna kondenzácia
  • transport kvapalnej vlhkosti
  • vplyv vlhkosti na súčiniteľ tepelnej vodivosti

 

Nové systémy výpočtu tepelných strát budov sú "Dynamické simulácie transportu tepla a vlhkosti". Sú to numerické výpočty, ktoré využívajú premenlivé okrajové podmienky - najčastejšie s časovým krokom v rozmedzí niekoľkých minút. Takto krátky časový krok umožní zahrnúť do výpočtu krátke, avšak významné klimatické deje (krátkovlnné a dlhovlnné žiarenie, dážď, vietor a pod) 

Súčasne dynamické simulácie transportu tepla a vlhkosti dokážu lepšie vystihnúť fyzikálne deje, ktoré sa odohrávajú bežne v stavebných materiáloch a konštrukciách a ktoré nie sú opísateľné stacionárnymi metódami.

V tomto pojednaní sa opierame o praktické výsledky výpočtového softvéru WUFI® (Wärme und Feuchte Instationär - teplo a vlhkosť nestacionárne), ktorý umožňuje realistický výpočet dynamického jednorozmerného a dvojrozmerného šírenie tepla a vlhkosti vo viacvrstvových stavebných konštrukciách vystavených vonkajšiemu počasiu. Software vychádza z najnovších výsledkov skúmania transportu tepla, vodnej pary i kvapalnej vlhkosti v stavebných materiáloch a bol verifikovaný mnohými porovnávacími meraniami in situ aj v laboratóriách Fraunhofer-Institut für Bauphysik. univerzity v Stuttgarte

Výpočet zateplenia pomocou software, ktorý počíta s klimatickými vplyvmi

Software WUFI využíva namerané klimatické údaje pokrývajúce hnaný dážď alebo slnečné žiarenie ako okrajové podmienky, preto umožňuje realistické vyhodnotenie tepelne vlhkostného správania konštrukcie vystavenej prirodzenému počasiu.

Software WUFI sa používa napríklad pri stanovení:

  • času potrebného na vysušenie vlhkého muriva 
  • rizika kondenzácie vnútri konštrukcie
  • vplyve hnaného dažďa na obvodové konštrukcie
  • efekte pri použití vhodnej opravy, renovácie konštrukcie
  • tepelne-vlhkostného správania strešných a obvodových plášťov pri neočakávanom použití alebo pri použití v rôznych klimatických regiónoch

 

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 spĺňa všetky požiadavky normy STN EN 15026:2007-Hodnotenie šírenia vlhkosti stavebnými dielcami pomocou numerickej simulácie, ktorá definuje používanie numerického softvéru pre tepelne vlhkostnú simuláciu vo viacvrstvových stavebných konštrukciách.

Fraunhofer-Institut IBF definoval prenos tepla nasledovne:

Prenos tepla sa zakladá na vedení tepla závislom na vlhkosti a prúdu entalpie pary. Tento prúd prepravuje teplo tým, že sa voda odparuje na jednom mieste a pritom sa tomuto miestu odoberá teplo a potom difunduje na iné miesto, kde kondenzuje a tým privádza teplo. Tento spôsob prenosu tepla sa často označuje ako efekt latentného tepla.

Zjednodušené posudzovanie hodnoty "U" a "Glaserov model vlhkosti" sa tak v stavebnej fyzike zosadil na dobový jav. Prislúcha im už iba obmedzená informatívna platnosť.

Veríme, že týmito odsekmi určite nadvihneme "odborníkov" na teplo, nie je to v histórii nič neobvyklé. Nové technológie to majú na začiatku často ťažké.

Zoznam faktorov ovplyvňujúcich prenos tepla v obvodovom plášti stavby domov

Keď sa v 19. storočí stavali prvé železnice, varovali "experti", že ľudské telo sa nemôže vyrovnať s rýchlosťou väčšou ako 30 km/h.

Na tomto mieste môžeme uzavrieť zoznam faktorov ovplyvňujúcich prenos tepla v obvodovom plášti stavby domov. Vykonáme teda ich krátky súhrn.

  • Neochota projektantov a odborníkov na teplo prijať nové riešenia a naučiť sa ich používať v praxi, prekonať nesprávne a vžité jednoduché postupy, ktoré v konečnej fáze spôsobujú technické škody.
  • Obmedziť vstupu vlhkosti a zamedziť jej ukladanie v konštrukcií.
  • Zaistiť odvod zabudovanej a nahromadenej vlhkosti z konštrukcie vždy smerom do exteriéru.
  • Ochrániť konštrukciu pred vysokovýkonnou zložkou slnečnej radiácie a ochladzovať konštrukciu.
  • Plne zužitkovať dlhovlnné slnečné žiarenie k predohrevu konštrukcie za chladných dní.
  • Usmerniť radiačnú zložku tepelnej kondukcie (vedením) v profile steny

 

Na príklade muriva z plných pálených tehál klasického formátu, si ukážeme vplyv % vlhkosti na tepelných vlastnostiach

Klasifikácia vlhkosti muriva 

Stupeň vlhkosti Vlhkosť muriva - wm v % hmotnosti
veľmi nízka w < 3
nízka 3 ≤ w < 5
zvýšená 5 ≤ w < 7,5
vysoká 7,5 ≤ w ≤ 10
veľmi vysoká w > 10

 

Jednotlivé vypočítané hodnoty fyzikálnych veličín podľa vlhkostného zaťaženia 

 

Vlhkosť wm [%] λ
[W/(m.K)]
ρ
[kg/m3]
cu
[J/(kg.K)]
U
[W/(m2.K)]
Tepelná strata
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 vlhkosť, λ = súčiniteľ tepelnej vodivosti, ρ = hmotnosť, cu = tepelná kapacita, U = súčiniteľa prestupu tepla, Q = tepelná strata

Z uvedenej tabuľky je zrejmé, aký významný vplyv má vlhkosť na fyzikálne, respektíve tepelno-technické vlastnosti tehlového muriva. Nárast súčiniteľa prechodu tepla "U" má neblahý vplyv na zníženie povrchovej teploty a tým aj na riziko vzniku plesní.

Cieľom tohto výpočtu bolo demonštrovať, ako malé množstvo vlhkosti podstatne zmení vlastnosti muriva.

  • Nárast súčiniteľa prechodu tepla "U" o približne 77%
  • Nárast straty tepla o 86% je veľmi významný !!
  • Zvýšenie hmotnostnej vlhkosti na 15%

 

Spôsobov, akými sa vlhkosť dostáva do hmoty steny je veľa. Ak neberieme do úvahy technické závady a poruchy napr: vzlínajúcej vody (tzv. kapilárnej), voda pôsobiaca hydrostatickým tlakom, voda z rozvodov inštalácií - je to najčastejšie voda zrážková (dážď, sneh), difúzie vodnej pary a klimatická vlhkosť vzduchu.