Vnitřní tepelná akumulace pasivních domů a letní tepelná stabilita

Datum: 14.9.2015  |  Autor: Ing. Martin Němeček, doc. Ing. Miloš Kalousek, Ph.D.  |  Recenzent: prof. Ing. Jozef Hraška, PhD., Stavebná fakulta STU Bratislava

Článek se zabývá základními poznatky o vnitřní tepelné akumulaci energeticky pasivních staveb ve vztahu k letní tepelné stabilitě v klimatických podmínkách střední Evropy. Článek se lehce dotýká problematiky tepelné akumulace staveb s lehkým konstrukčním systémem, jako jsou například moderní sendvičové dřevostavby.

1. Energeticky pasivní domy a letní tepelná stabilita

Obr. 1 Pasivní dům s typicky velkými okny na jižní straně
Obr. 1 Pasivní dům s typicky velkými okny na jižní straně

Energeticky pasivní stavby mají velmi malou potřebu tepla na vytápění [1, 2]. Pro dosažení tak malé potřeby tepla je vhodné, aby pasivní domy maximálně využívaly solární tepelné zisky získané přes transparentní části obálky budovy. Proto mají tyto stavby obytné místnosti s jejich okenními výplněmi orientovány zejména na jih a západ (obr. 1) [3]. Navíc jsou tyto okna oproti starší zástavbě o mnoho větší. Taktéž moderní výstavba podporuje trend větších oken s výhledy do okolí a na zahradu. Z pohledu letní tepelné stability je tedy rozdíl energeticky pasivních staveb oproti konvenčním stavbám takový, že mají o mnoho více solárních tepelných zisků. Pokud nejsou v létě okna stíněna, může tato nadbytečná tepelná zátěž znamenat větší potíže s přehříváním, než je zvykem [4, 5].

 

2. Novodobé „lehké“ konstrukční systémy dřevostaveb

Obr. 2 Typická dřevostavba s lehkým dřevěným skeletem
Obr. 2 Typická dřevostavba s lehkým dřevěným skeletem

V poslední době se v České republice nejenom s rozmachem pasivního stavění začalo uplatňovat větší množství konstrukčních systémů. Patří mezi ně jak masivní a zděné systémy, tak konstrukce na bázi lehkého skeletu. Nejpočetnějším zástupcem těchto případů jsou moderní dřevostavby, které používají jako nosnou konstrukci nejčastěji lehký dřevěný skelet (obr. 2). Nejenom pro nízkoenergetickou výstavbu mají dřevostavby určité výhody. Lehké sendvičové části stavby můžou být připraveny s předstihem mimo stavební pozemek, realizace se řídí principem suché výstavby. Proto může být doba výstavby velmi krátká. Avšak již z podstaty neobsahují tyto stavby větší množství masivní hmoty jako je tomu například u staveb zděných. Jakákoliv další snaha o zvýšení tepelné akumulace vnášením mokrých procesů v podobě vyzdívek a omítek vede k částečné degradaci výhod původního principu rychlé a suché výstavby těchto montovaných staveb. Z hlediska normového zatřídění lze obvodové konstrukce považovat za „lehké“ a „těžké“. Konstrukce jsou lehké, když plošná hmotnost všech vrstev od vnitřního líce po hlavní tepelně izolační vrstvu včetně je nižší než 100 kg/m2 [6]. Tyto konstrukce mají nízkou tepelnou setrvačnost, ostatní konstrukce s vysokou tepelnou setrvačností lze označovat za těžké. Zde je velmi důležité připomenout, že masivní konstrukce, které jsou od interiéru odděleny tepelnou izolací byť v malé tloušťce, nelze častokrát považovat za vyloženě těžké. Míra jejich schopnosti podílet se na tepelné akumulaci může být značně snížena. Taktéž materiály s lepšími izolačními vlastnostmi, většinou na úkor objemové hmotnosti, nemají takovou tepelně akumulační schopnost jako vyloženě masivní prvky, jako jsou například beton nebo plná cihla. Právě těchto masivnějších prvků může být použito ke zvýšení tepelné akumulace stavby, a to zejména u vnitřních konstrukcí.

3. Letní tepelná stabilita: požadavky a hodnocení

Tepelná stabilita popisuje teplotní vlastnosti prostoru tvořeného stavebními konstrukcemi ve vztahu k vnějším podmínkám. Místnost se dá označit jako tepelně stabilní, pokud její tepelný stav zůstává v daném časovém intervalu v dovolených mezích. Návrh dobré tepelné stability obytného objektu by měl zajistit, aby se daný objekt nebo jeho jednotlivá místnost v letním období nepřehřívala. Dle normy ČSN 730540-2 je v letním období hlavním hodnotícím kritériem nejvyšší denní teplota vzduchu θai,max pro 21. srpen [6]. Dřívější další kritérium nejvyššího denního vzestupu teploty vzduchu Δθai,max 5 °C pro obytné stavby se již neuplatňuje. Při hodnocení teploty vzduchu místností u obytných a občanských budov v letním období má splněn tento požadavek:

θai,max ≤ 27 °C
 

Výpočet letní tepelné stability probíhá za podmínek neustáleného teplotního stavu. Posuzovaná místnost je vystavena periodicky se opakujícímu tepelnému zatížení v podobě vnější teploty a slunečního záření [7, 8, 9]. Tento stav ilustruje obrázek 3. Průběh teploty a slunečního záření však ve skutečnosti není tak zcela ideální jako v normových okrajových podmínkách (obr. 4).

Obr. 3 Letní tepelná stabilita podle ČSN EN ISO 13792
Obr. 3 Letní tepelná stabilita podle ČSN EN ISO 13792
Obr. 4 Letní tepelná stabilita v reálných podmínkách
Obr. 4 Letní tepelná stabilita v reálných podmínkách

4. Teplota jako ukazatel tepelné pohody u pasivních staveb

Tepelnou pohodu lze zjednodušeně chápat jako pocit, který člověk vnímá při pobytu v daném prostředí. Člověk by v tomto prostředí neměl cítit ani nepříjemný chlad, ani nepříjemné teplo [10]. Základním ukazatelem tepelné pohody prostředí je teplota vzduchu θai. Dalšími důležitými doplňujícími ukazateli jsou:

  • střední radiační teplota θr zastupující teplotu okolních povrchů θp,
  • rychlost proudění vzduchu v,
  • relativní vlhkost vzduchu φ.

Výsledná teplota vnímaná člověkem v obytných stavbách je přinejmenším tvořena vnitřní teplotou vzduchu θai a teplotou okolních povrchů θp, které na člověka sálají. Pro měření tepelné pohody se často používá kulový teploměr θai, který právě obě tyto veličiny bere v úvahu. Další používanou veličinou je operativní teplota θo, která bere v úvahu ještě navíc rychlost vzduchu v. Jestliže proudění vzduchu dosahuje malých hodnot (do ~ 0,2 m s−1) a přitom střední radiační teplota je podobná teplotě vzduchu, je operativní teplota srovnatelná s teplotou, kterou naměří kulový teploměr [11].

Jelikož mají obalové konstrukce pasivního domu vysokou hodnotu tepelného odporu, dá se předpokládat, že venkovní teplota nebude příliš ovlivňovat jejich vnitřní povrch. Obrázek 5 zobrazuje naměřené hodnoty vnitřních teplot pro letní období u pasivní dřevostavby RD Dubňany v roce 2012. Vnitřní teplota vzduchu obývacího pokoje θai (Tint-M 1stF) a vnitřní povrchová teplota dvouplášťové střechy θp (TstroIN-M) dosahují téměř identických hodnot. Vnitřní povrchová teplota obvodové stěny θp (TsteIN-M) dosahuje u nočního větrání již mírně vyšších teplot. Na obrázku je zobrazena i venkovní teplota θe (Text-M), globální sluneční záření Igl (Igl-M) a venkovní povrchová teplota stěny θp (TsteEX-M).

Obr. 5 Průběh vnitřních teplot v letním období u měřeného objektu RD Dubňany (měření 2012). Legenda: θai – vnitřní teplota vzduchu, θg – teplota kulového teploměru, θp,stro a θp,ste – povrchová teplota stropu a stěny, IN – v interiéru, EX – v exteriéru, θe – venkovní teplota vzduchu, Igl – globální sluneční záření, M – měření, S – simulace, další popis viz text
Obr. 5 Průběh vnitřních teplot v letním období u měřeného objektu RD Dubňany (měření 2012)
Legenda: θai – vnitřní teplota vzduchu, θg – teplota kulového teploměru, θp,stro a θp,ste – povrchová teplota stropu a stěny, IN – v interiéru, EX – v exteriéru, θe – venkovní teplota vzduchu, Igl – globální sluneční záření, M – měření, S – simulace, další popis viz text

Z naměřených údajů lze konstatovat, že vnitřní povrchová teplota obalových konstrukcí místnosti θp a vnitřní teplota vzduchu θai dosahují obdobných, někdy až téměř totožných hodnot. To samé lze říci o srovnání vnitřní teploty vzduchu θai a teploty kulového teploměru θg (θg-M 1stF), respektive operativní teploty θo. Obdobných vztahů mezi těmito hodnotami bylo autory článku dosahováno také u dalších měřených pasivních domů. Za standardního stavu interiéru lze pro reprezentaci vnitřní teploty v letním období u pasivních domů zjednodušeně používat jak vnitřní teplotu vzduchu θai, tak operativní teplotu θo. Chování domu bylo za stejných okrajových podmínek numericky simulováno v softwaru BSim 2000. Výstupy softwaru téměř ztotožňují vnitřní teplotu vzduchu θai (θai-S 1stF) a operativní teplotu místnosti θo (θop-S 1stF).

5. Faktory ovlivňující letní tepelnou stabilitu

Na letní tepelnou stabilitu obytných staveb mají vliv:

  • tepelné zisky přes průsvitné části obálky budovy,
  • tepelné zisky přes neprůsvitné části obálky budovy,
  • větrání budovy,
  • míra tepelně akumulační schopnosti objektu,
  • vnitřní tepelné zisky od osob a spotřebičů.
Obr. 6 Objekt RD Dubňany – obývací pokoj pod plochou střechou s jižními okny
Obr. 6 Objekt RD Dubňany – obývací pokoj pod plochou střechou s jižními okny
Obr. 7 Vizualizace objektu v softwaru BSim 2000
Obr. 7 Vizualizace objektu v softwaru BSim 2000

Obrázek 8 popisuje míru vlivu výše jmenovaných faktorů na vnitřní teplotu vzduchu θai. Za příklad byl vzat úsek z již zmiňovaného měření letní tepelné stability obývacího pokoje pasivní dřevostavby v Dubňanech (obr. 6). Klimatická data v podobě venkovní teploty a slunečního záření byla vložena do simulačního softwaru BSim 2000 (obr. 7) a dále byly při detailní numerické simulaci měněny zmiňované faktory. Základní variantou je simulace místnosti v konstrukci sendvičové dřevostavby (varianta 01 θai – základ-dřevo). Okna byla stíněna venkovními žaluziemi. Byly uvažovány vnitřní zisky od osob a spotřebičů dle skutečnosti při měření. Větrání bylo voleno přes den s násobností výměny vzduchu n = 0,1 h−1 a v noci s proměnným, pro každou variantu ve stejném čase vždy stejným, větráním n = 3–6 h−1 (většinou 4–5 h−1). Přechod denního a nočního větrání byl stanoven ráno většinou mezi hodinami 7:00–8:00, večer většinou mezi hodinami 19:00–20:00. Noční větrání odpovídá dobře větratelnému prostoru s možností příčného provětrání a zhruba odpovídá i větrání při měření zmiňované stavby. Přestože je minimální hygienická výměna vzduchu pro obytné stavby stanovena v rozmezí n = 0,3–0,5 h−1, hodnota n = 0,1 h−1 postihuje stav, kdy není častokrát ve všední dny dům přes den obýván a není tak ani záměrně větrán. A to kvůli nechtěnému zvyšování teploty interiéru vlivem infiltrace venkovního, téměř vždy, teplejšího vzduchu. Takovéto spojení denního a nočního větrání také postihuje nejpříznivější situaci ve smyslu teploty místnosti. Základní varianta θai – základ je uvažována jako srovnávací hladina pro další simulované varianty.

Obr. 8 Vliv různých faktorů na letní tepelnou stabilitu vyšetřovaný simulací v BSim 2000. Legenda: θai – vnitřní teplota vzduchu, θe – venkovní teplota vzduchu, Igl – globální sluneční záření, M – měření, další popis viz text
Obr. 8 Vliv různých faktorů na letní tepelnou stabilitu vyšetřovaný simulací v BSim 2000
Legenda: θai – vnitřní teplota vzduchu, θe – venkovní teplota vzduchu, Igl – globální sluneční záření, M – měření, další popis viz text

Pokud oproti základní variantě nebudou okna stíněna, vzroste vnitřní teplota pro polojasné dny v denních špičkách o 1–2 °C (varianta 02 θai – bez stínění), v jasných dnech až o 3 °C nebo více (28. 7.). Jestliže nebude ještě k tomuto uvažován efektivně stínící konstrukční přesah ploché střechy (obr. 6), vzrůstá vnitřní teplota oproti základu podle míry oblačnosti o 1 °C až 4,5 °C (varianta 03 θai – bez přesahu). V další variantě je nastíněn případ, kdy venkovní obalové konstrukce místnosti budou mít pouze normové hodnoty tepelného odporu, a to stěna – 0,3 W m−2 K−1 a plochá střecha 0,24 W m−2 K−1 (varianta 04 θai – U norma). Vzniká zde určitý paradox, kdy má být přes tyto konstrukce nepochybně větší tepelný prostup, avšak vnitřní teplota je oproti základní variantě stejná nebo dokonce mírně nižší. Model místnosti lze vytvořit v softwaru BSim 2000 pouze z vnějších rozměrů, proto při výrazném snížení tloušťky tepelné izolace nově vzniká v místnosti cca 20 m2 plochy s akumulační schopností. Prostup tepla obálkou budovy včetně fázového posunu je i při zmenšení tepelné izolace natolik malý, že nově vzniklá přídavná akumulace místnosti tyto tepelné zisky převáží. Je patrné, že tepelné zisky vnějšími neprůsvitnými konstrukcemi místnosti ovlivňují vnitřní teplotu oproti ziskům přes průsvitné konstrukce téměř zanedbatelně. V případě, že není možnost místnost v nočních hodinách řádně větrat, nemůže se ani předchlazovat na další den (varianta 05 θai – vent=0,1/2). S noční výměnou vzduchu n = 2 h−1, což není často nijak výjimečný stav, se zvýší vnitřní teplota v denních špičkách oproti základu zhruba o 0,5 °C. Mimo denní špičky, jsou rozdíly ještě větší. V případě téměř žádného větrání by se rozdíly opět zvyšovaly. Pokud se naopak bude větrat i přes den s výměnou vzduchu n = 2 h−1, vpouští se do interiéru teplý vzduch a teplota se, nejenom v denních špičkách, výrazně zvyšuje v mezích 1–2,5 °C (varianta 06 θai – vent=2/2). V další, pro téma článku aktuální, variantě se provede zvýšení vnitřní tepelně akumulační hmoty změnou lehkého sendvičového stavebního systému za těžší zděnou stavbu z keramických lehčených tvarovek s keramickým stropem (varianta 07 θai – zděná lehká). Teploty obou konstrukčních variant jsou velmi podobné s nejvyšším rozdílem v denních špičkách do 0,5 °C. Další variantu s téměř nejvyšší možnou hmotností představuje vápenopískové zdivo s ŽB stropem (varianta 08 θai – zděná těžká). Rozdíl ve vnitřní teplotě oproti základní variantě zde vzrůstá na 1–1,5 °C. Skladby u všech posuzovaných konstrukčních variant byly zadány do simulace ve zhruba stejných tloušťkách. Všechny předešlé varianty jsou vyhotoveny s vnitřními zisky od osob a spotřebičů na úrovni 120 W a ve večerních hodinách nárazově až 500 W. Tyto tepelné zisky byly v další variantě vynechány (varianta 09 θai – bez int. zisků). Pokles vnitřní teploty oproti základní variantě je o 1–1,5 °C.

Výše uvedené výsledky poskytují základní představu, jaký vliv může mít daný faktor na vnitřní teplotu místnosti θai. Všechny simulované varianty byly pečlivě voleny tak, aby postihly co nejvíce kritických kombinací daného faktoru. Z variant lze výsledné teploty interiéru při změně daného faktoru částečně také odvozovat. Vliv faktorů je demonstrován na konkrétní stavbě, dají se z nich přesto vyvozovat obecné závěry. Z provedené simulace lze konstatovat, že vliv tepelných zisků daného faktoru ovlivňuje vnitřní teplotu následovně v pořadí od největšího po nejmenší:

  1. největší vliv má prostup solárního záření a tepla přes průsvitné části – velikost oken, konstrukční stínění a stínící technika;
  2. vliv a možnost větrání místnosti přes den i noc;
  3. vnitřní tepelné zisky z osob a spotřebičů – vliv může být i o mnoho větší, pokud vnitřní zisky nebudou tak nízké jako v provedené simulaci;
  4. vliv vnitřní tepelné akumulace v podobě typu konstrukčního řešení se zdají být ještě o trochu menší, než předešlý faktor;
  5. zjednodušeně řečeno, vliv prostupu tepla neprůsvitnými konstrukcemi s ohledem na ostatní faktory téměř vůbec neovlivňuje vnitřní teplotu místnosti; konstatování platí pro pasivní domy, kde mají obalové konstrukce vysoký tepelný odpor.

Interpretace výsledků je určitým zjednodušením a je uvažována s ohledem na maximální možné nepříznivé ovlivnění teploty místnosti daným faktorem.

6. Solární tepelné zisky a stínění oken

Obr. 9 RD Dubňany – efektivní stínění jižních oken přesahem ploché střechy
Obr. 9 RD Dubňany – efektivní stínění jižních oken přesahem ploché střechy

Jak již bylo uvedeno dříve, největším potencionálním zdrojem přehřívání jsou tepelné zisky přes průsvitné části obálky budovy, tedy přes okenní výplně. Je obecně známo, že účinným řešením přehřívání na jižní straně domu je použití konstrukčního přesahu střechy, pergoly nebo markýzy (obr. 9). Na východě a západě je však výška slunce příliš malá a tento princip stínění není zcela efektivní. V tomto případě pomáhají žaluzie, screenové clony nebo různé rolety a závěsy, kterými si uživatel může nastavit míru stínění vnitřních prostorů dle vlastního uvážení. Pro účinné stínění se hodí předně venkovní žaluzie, screenové clony nebo rolety, které jsou schopny zabránit průchodu sluneční energie zhruba na 90 až 95 %. Vnitřní žaluzie mají v případě bílého odstínu pouze 40 až 50% účinnost. Obě hodnoty účinností jsou uváděny při plně zatažených a zavřených žaluziích, tedy při téměř žádném průchodu světla přes stíněná okna [12]. Mírné pootevření žaluzií bez průniku přímých slunečních paprsků znamená poměrně velký nárůst difuzního světla potřebného pro provoz domu, přitom však navýšení solárního tepelného zatížení je minimální. Celková osvětlenost E venkovní horizontální nestíněné roviny denním světlem při zcela zatažené obloze je zhruba 3000 lx. Při jasné bezoblačné obloze včetně zahrnutí přímého slunečního záření je to více než 100 000 lx, s vyloučením vlivu přímého slunečního záření může celková osvětlenost E dosáhnout maximálně 30 000 lx. Pokud přes venkovní stínící prostředek projde třeba jen 10 % venkovního světla, bude tato intenzita stále stačit na kvalitní osvětlení vnitřního prostoru.

7. Akumulace citelného a latentního tepla

Materiály mohou mít z pohledu stavební fyziky tepelnou akumulaci [13, 14]:

  1. citelného tepla – samotné konstrukce budovy,
  2. latentního tepla – materiály se změnou skupenství (PCM – Phase Change Materials).

Materiály s akumulací latentního tepla mají o mnoho vyšší tepelnou kapacitu než materiály s akumulací pouze citelného tepla [15]. S vysokou schopností akumulace pak mohou PCM materiály oproti klasickým stavebním materiálům mnohem výrazněji omezit vzrůst teploty interiéru. Schopnost akumulace je tak velká, že pokud by nedocházelo k jejímu průběžnému vybíjení, tepelná kapacita se vyčerpá a naopak může zpětně dojít k velkému tepelnému zatížení místnosti vlivem vybíjení naakumulovaného PCM materiálu [16]. Jedinou jednoduchou možností vybíjení naakumulované energie přirozenou cestou je u obytných staveb pouze noční větrání. To obyčejně postačuje na vybíjení energie absorbované v klasických materiálech s akumulací citelného tepla. U PCM materiálů s nepoměrně větší absorbovanou energií nelze vyvětrat místnost klasickou výměnou vzduchu, které je při nočním větrání u obytných staveb obvykle dosahováno (3–5 h−1) [16]. Nadměrně zvýšené větrání místností, pokud to je vůbec možné, znamená také určitý diskomfort. Proto musí být u PCM materiálů pro využití jejich plného potencionálu zvoleno aktivnějšího přístupu při odvodu tepla z domu [16, 17]. U administrativních budov se například osvědčilo použití nočního větrání vzduchotechnikou za zvýšených výměn vzduchu. Taktéž použití kapilárních rohoží zabudovaných například v omítce s příměsí PCM materiálů anebo akumulační PCM vrstvy v konstrukcích aktivované řízeně větranými mezerami jsou velmi aktuálním tématem. Převážná většina vědeckých prací se v této oblasti zabývá právě akumulací latentního tepla u PCM materiálů. Tento článek se zaměřuje pouze na přirozenou tepelnou akumulaci citelného tepla uloženého v samotné konstrukci domu a jeho stavebních materiálech.

8. Noční větrání a funkční perioda domu

Střídání dne a noci má zásadní vliv na provozní režim domu. V klimatických podmínkách České republiky se v létě pohybuje teplota kolem 30 °C a výše, zatímco v noci klesá pod 20 °C, někdy až pod 15 °C. Samozřejmostí tak je využívání nočních teplot pro vyvětrání tepelných zisků z proběhlého dne a předchlazení domu na den následující [18, 19, 20]. Základní funkční perioda T pro užívání obytných budov je tedy 1 den. Skládá se z denní části s tepelnou zátěží a noční částí s větráním (obr. 3 a obr. 4) [21]. Tepelnou akumulaci lze obecně rozdělit na krátkodobou a dlouhodobou akumulaci, nebo také ještě na akumulaci sezónní [22]. Za výše popsaných okrajových a provozních podmínek má dlouhodobá akumulace tepla ve stavebních materiálech poměrně menší vliv na výslednou vnitřní teplotu stavby než akumulace krátkodobá.

9. Penetrační hloubka – periodické řešení

Nejdůležitějšími veličinami s ohledem na tepelnou akumulaci materiálu jsou hustota ρ a měrná tepelná kapacita c [23]. Výsledná objemová tepelná kapacita stavebních materiálů CV je pak násobkem obou veličin ρ a c (viz dále tabulka 1). V konstrukčních skladbách se reálně používají různé tloušťky vrstev, proto musí být samozřejmě porovnávána jejich plošná tepelná kapacita CA. Ta se zvyšuje se zvětšováním tloušťky dané vrstvy, avšak ne konstantně. Nad určitou úroveň je do krátkodobé akumulace tepla zapojena jenom část dané vrstvy. Tato tloušťka se nazývá penetrační hloubka δ, a je definována vzorcem [24]:

δ = (λT / πρc)1/2
 

Obr. 8 Penetrační hloubka – δ
Obr. 8 Penetrační hloubka – δ

Penetrační hloubka vyjadřuje hloubku materiálu od vnější strany, která je ovlivněna tepelnou vlnou prostřednictvím změny teploty v průběhu periodického tepelného stavu na povrchu materiálu (obr. 8) [25, 26]. U vrstev, které jsou tenčí než polovina penetrační hloubky, může být započítána celá jejich plošná tepelná kapacita. V případě vrstev o tloušťce větší než dvojnásobek penetrační hloubky může být do plošné tepelné kapacity uvažováno nejvýše cca 70 % z penetrační hloubky daného materiálu [24]. V případě výpočtů krátkodobé tepelné akumulace u obytných staveb je vhodné uvažovat periodu T = 24 hodin. Z tohoto důvodu, zejména u tlustších vrstev jako jsou masivní a zděné konstrukce, musí být započítávána pouze povrchová část materiálu konstrukce, která se efektivně podílí na tepelné akumulaci.

10. Schopnost akumulace citelného tepla stavebními materiály

V tabulce 1 jsou uvedeny základní stavební materiály a jejich dílčí vlastnosti dotýkající se tepelné akumulace ρ, c, λ, CVδ. S ohledem na jejich penetrační hloubku je vypočtena výsledná plošná efektivní tepelná kapacita CA,eff.

Tabulka 1 Parametry materiálů a výsledná plošná efektivní tepelná kapacita CA,eff
MATERIÁLObjemová hmotnostMěrná tepelná kapacitasoučinitel tepelné vodivostiObjemová tepelná kapacitaTloušťka nebo max. 70 % penetrační hloubkyEfektivní plošná tepelná kapacita
ρ
[kg m−3]
c
[J kg−1 K−1]
λ
[W m−1] K−1]
CV
[MJ m−3] K−1]
δ
[mm]
CA,eff
[kJ m−2 K−1]
Masivní stavby
Železobeton 230010201,362,3588207
Vápenopískové tvarovky200010001,052,00120168
Lehčené keramické tvarovky65010000,120,655032
Pórobetonové tvarovky30010000,0840,306118
VC omítka 5 mm / 15 mm18008500,971,535 / 158 / 23
Dřevostavby
Měkké dřevo – např. CLT panel40025100,161,004647
Hliněný panel 25 mm152010001,001,522538
Sádrokartonová deska 12.5 mm75010600,220,8012,510
OSB deska 15mm60017000,131,021515
Podlahy
Betonová mazanina 60 mm230010201,362,3560141
Litý anhydrit 40 mm210021001,201,764071
Sádrovláknitá deska 2×10 mm117510500,301,232025
Ostatní
Cihla plná18009000,861,6285137
EPS 70F1512700,0380,021613,1
Minerální izolace do dutin208600,0360,021682,9
Ekopanel – lisovaná sláma37917000,110,644830,9
Vzduch1,210100,001

Z tabulky jednoznačně vyplývá, že největší efektivní plošnou tepelnou kapacitu CA,eff z tradičních stavebních hmot má železobetonová stěna s omítkou 15 mm (207 + 23 = 230kJ m−2 K−1), zatímco vápenopískové cihly s omítkou 5 mm dosahují nižších hodnot (168 + 8 = 176kJ m−2 K−1). V případě masivních dřevostaveb mají velkoplošné masivní dřevěné panely (CLT – Cross Laminated Timber) také nezanedbatelnou akumulaci tepla (47kJ m−2 K−1). Moderní pórobetonové nebo keramické tvarovky jednoznačně dosahují výrazně nižších hodnot než výše zmiňované masivní zdící prvky. Pro příklad CA,eff keramických lehčených tvarovek s omítkou 15 mm (32 + 23 = 55kJ m−2 K−1) se již blíží sendvičovým dřevostavbám zevnitř opláštěných dřevoštěpkovou deskou (OSB – Oriented Strand Board) a sádrokartonovou deskou (10 + 15 = 25kJ m−2 K−1). V případě super-izolačních pórobetonových tvarovek s λ = 0,084 W m−1 K−1 a omítkou 5 mm (18 + 8 = 26kJ m−2 K−1) může být CA,eff dokonce rovna výše jmenované dřevostavbě. Při zvyšování tepelné akumulace dřevostaveb může být vhodným řešením betonová mazanina u podlah (141kJ m−2 K−1) nebo vyzdívka z plných cihel u příček (137kJ m−2 K−1). Tepelná akumulace stavebních tepelných izolací je prakticky zanedbatelná. Pro zjednodušení prezentovaných hodnot CA,eff byl zanedbán vliv snížení penetrační hloubky u masivních materiálů vlivem omítky na jejich povrchu. Ovlivnění výsledků je poměrně malé a nehraje zde zásadní roli.

11. Krátkodobá tepelná akumulace a penetrační hloubka

S ohledem na funkční periodu obytných staveb 1 den a podstatu penetrační hloubky bylo ve výpočtech CA,eff v tabulce 1 uvažováno nejvýše 70 % penetrační hloubky. Letní tepelnou akumulaci stavby lze řadit spíše do kategorie krátkodobé tepelné akumulace, kdy vnitřní teplota místnosti osciluje vlivem každodenní tepelné zátěže. Tepelný stav interiéru a obalových konstrukcí místnosti ovlivňuje také dlouhodobější složka tepelné akumulace. V případě několikadenní nadměrné tepelné zátěže postupně roste i teplota interiéru. Uplatňuje se zde tudíž princip hystereze, kdy předchozí tepelný stav interiéru ovlivňuje jeho další chování. Pro výpočet penetrační hloubky δ jednotlivých materiálů byla využita krátkodobá složka tepelné akumulace s periodou 1 den.

Krátkodobé jednodenní výkyvy teplot působící na konstrukci v podobě teplotní vlny zasáhnou v plné míře pouze na jejím povrchu a v jeho blízkém okolí. Dále se výkyvy teplotní vlny snižují a v místě penetrační hloubky jsou již rovny nule (obr. 5). Materiál hluboko uvnitř vrstvy tedy pružně neabsorbuje tyto krátkodobé výkyvy. A protože schopnost tepelné akumulace konstrukce je určena integrálem křivky průběhu teploty v materiálu, bylo by zavádějící do krátkodobé akumulace započítat více než doporučovaných 70 % z penetrační hloubky materiálu. Pro zajímavost, pokud by byla perioda výkyvu teploty rovna 4 dnům, penetrační hloubka by se zdvojnásobila.

Je také třeba brát ohledy na to, že penetrační hloubka je údaj popisující pouze hloubku kolísání teploty uvnitř materiálu během periodického tepelného stavu (obr. 3). Ve skutečných podmínkách je průběh teplotních změn ne zcela periodický (obr. 4), avšak stále velmi blízký tomuto ideálnímu stavu. Vypovídající hodnota efektivních plošných tepelných kapacit CA,eff a jejich porovnání u různých konstrukcí v tabulce 1 s použitím penetrační hloubky je pro účely hrubého porovnání dostačující. Pro výstižnější porovnání konstrukčních variant simulačními metodami je potřeba provést podrobné numerické dynamické simulace chování daného objektu v letním období.

12. Závěr

Níže jsou vypsány základní poznatky o vnitřní tepelné akumulaci energeticky pasivních staveb ve vztahu k letní tepelné stabilitě:

  • Základním hodnotícím parametrem pro letní tepelnou stabilitu je vnitřní teplota vzduchu θai (respektive θai,max).
  • Z naměřených údajů lze u pasivních domů konstatovat, že vnitřní povrchová teplota venkovních obalových konstrukcí místnosti θp a teplota kulového teploměru θg (respektive operativní teplota θo) dosahují podobných hodnot jako vnitřní teplota vzduchu θai. Za standardních podmínek interiéru lze pro reprezentaci vnitřní teploty v letním období u pasivních domů zjednodušeně používat jak vnitřní teplotu vzduchu θai, tak operativní teplotu θo. Nestandardní podmínky znamenají například nadměrně zvýšenou vlhkost nebo rychlost proudění vzduchu, ty však nastávají poměrně zřídka.
  • Z výsledků simulací je patrné, že tepelně akumulační hmota stavby má ve srovnání s ostatními faktory (větrání, stínění aj.) na výslednou vnitřní teplotu vzduchu poměrně menší vliv. Zejména absence efektivních stínících prostředků u místností s velkou plochou oken zásadně ovlivňuje vnitřní teplotu vzduchu.
  • Letní tepelnou akumulaci stavby lze řadit spíše do kategorie krátkodobé tepelné akumulace, kdy vnitřní teplota místnosti osciluje vlivem každodenní tepelné zátěže. Toto částečné nabíjení a vybíjení tepelně akumulační hmoty se děje s periodou 1 den, právě tato hodnota byla využita pro výpočet penetrační hloubky δ jednotlivých materiálů.
  • Při krátkodobé tepelné akumulaci není schopna konstrukce pohltit tepelné zisky do celé jeho hloubky. Na tepelné akumulaci se tedy podílí jenom určitá povrchová část konstrukce – uplatnění penetrační hloubky δ.
  • Při uvážení penetrační hloubky mají konstrukce masivních zděných staveb oproti dřevostavbám skutečně o mnoho vyšší efektivní plošnou tepelnou kapacitu CA,eff. Na druhou stranu pro Českou republiku tradiční lehčené zdící prvky dosahují rámcově stejných hodnot CA,eff, jako mají konstrukce sendvičové dřevostavby.

Nakolik však ovlivňuje tepelně akumulační schopnost stavby, respektive konstrukční systém, výslednou vnitřní teplotu v letním období θai, je již úkol pro podrobné dynamické numerické simulace.

Reference

Obrázky ve vlastnictví autora (Ing. Martin Němeček).

  • [1] The Passive House Institute, http://www.passiv.de, 1 January 2015
  • [2] Schnieders, J., Hermelink, A.: CEPHEUS results: measurements and occupants’ satisfaction provide evidence for Passive Houses being an option for sustainable building. Energy Policy. 34, 151–171 (2006).
  • [3] Schnieders, J., Feist, W.: CEPHEUS-Projektinformation Nr. 9: Für das Passivhaus geeignete Fenster. Passivhaus Institut, Darmstadt. (1999).
  • [4] Persson, M. L., Roos, A., Wall, M.: Influence of window size on the energy balance of low energy houses. Energy and Buildings. 38, 181–188 (2006).
  • [5] Gasparella, A., Pernigotto, G., Cappelletti, F., Romagnoni, P., Baggio, P.: Analysis and modelling of window and glazing systems energy performance for a well insulated residential building. Energy and Buildings. 43, 1030–1037 (2011).
  • [6] ČSN 730540-2, Thermal protection of buildings – Part 2: Requirements, 2011.
  • [7] ČSN 730540-3, Thermal protection of buildings – Part 3: Design value quantities, 2005.
  • [8] ČSN EN ISO 13791, Thermal performance of buildings – Calculation of internal temperatures of a room in summer without mechanical cooling, 2012.
  • [9] ČSN EN ISO 13792, Thermal performance of buildings – Calculation of internal temperatures of a room in summer without mechanical cooling – Simplified methods, 2005
  • [10] Tepelná pohoda [online], poslední aktualizace 12. 3. 2013 00:11 [cit. 27. 5. 2015], Wikipedie. Dostupné z WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Tepeln%C3%A1_pohoda
  • [11] K. Kabele, Z. Veverková. Modelování operativní teploty [online]. 2004 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: WWW:
    http://www.tzb-info.cz/1422-modelovani-operativni-teploty
  • [12] ČSN EN 13363-1, Solar protection devices combined with glazing – Calculation of solar and light transmittance – Part 1: Simplified method, 2004.
  • [13] Zhou, D., Zhao, C. Y., Tian, Y.: Review on thermal energy storage with phase change materials (PCMs) in building applications. Applied Energy. 92, 593–605 (2012).
  • [14] Sharma, A., Tyagi, V. V., Chen, C. R., Buddhi, D.: Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 13, 318–345 (2009).
  • [15] Khudhair, A. M., Farid, M. M.: A review on energy conservation in building applications with thermal storage by latent heat using phase change materials. Energy Conversion and Management. 45, 263–275 (2004).
  • [16] M. Ostrý, R. Brzoň, T. Klubal. Pasivní chlazení v letním období s využitím akumulace tepla při změně skupenství [online]. 2012 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z WWW:
    http://stavba.tzb-info.cz/stavebni-fyzika/8434-pasivni-chlazeni-v-letnim-obdobi-s-vyuzitim-akumulace-tepla-pri-zmene-skupenstvi
  • [17] Tyagi, V. V., Buddhi, D.: PCM thermal storage in buildings: A state of art. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 11, 1146–1166 (2007).
  • [18] Blondeau, P., Spérandio, M., Allard, F.: Night ventilation for building cooling in summer. Solar Energy. 61, 327–335 (1997).
  • [19] Shaviv, E., Yezioro, A., Capeluto, I. G.: Thermal mass and night ventilation as passive cooling design strategy. Renewable Energy. 24, 445–452 (2001).
  • [20] Breesch H., Bossaer A., Janssens A.: Passive cooling in a low-energy office building. Solar Energy. 79, 682–696 (2005).
  • [21] Pavlov, G.: Olesen, B. W.: Building thermal energy storage – concepts and applications. 12th ROOMVENT Conference, Trondheim (2011).
  • [22] Dincer, I., Dost, S.: A perspective on thermal energy storage systems for solar energy applications. International Journal of Energy Research. 20, 547–557 (1996).
  • [23] Santamouris M., Asimakopoulos D.: Passive Cooling of Buildings, James & James (Science Publishers) Ltd, London (1996)
  • [24] ČSN EN ISO 13786, Thermal performance of building components – Dynamic thermal characteristics – Calculation methods (ISO 13786:2007), 2008.
  • [25] Davies M. G.: Building Heat Transfer, John Wiley & Sons, 2004.
  • [26] Carslaw H. S., Jaeger J. C.: Conduction of Heat in Solids, London: Oxford University Press, 1959.
 
Komentář recenzenta
prof. Ing. Jozef Hraška, PhD., Stavebná fakulta STU Bratislava
Autori sa v článku zaoberajú problematikou tepelnej stability pasívnych domov v letnom období, pričom využívajú možnosti termodynamických simulačných programov, ktorých výsledky verifikujú experimentálnymi meraniami „in situ“. Jadro článku predstavuje problematika akumulácie tepla v stavebných konštrukciách. Tu sa zdôrazňuje, že v dynamicky sa meniacich klimatických podmienkach a v dôsledku časovo premenného spôsobu prevádzky v budovách sa na akumulácii tepla účinne podieľa iba časť hrúbky stavebných konštrukcií. Výsledky analýz poukazujú na niektoré špecifiká, ktoré sa v tejto oblasti prejavujú v pasívnych domoch.
English Synopsis
Thermal Storage Mass of Passive Houses and Summer Thermal Stability

The article deals with basic knowledge about the thermal storage mass of energy passive buildings in relation to the summer thermal stability under the climatic conditions of Central Europe. Article lightly touches on the issues of heat storage of buildings with lightweight construction system like a modern sandwich wooden houses.

 

Hodnotit:  

Datum: 14.9.2015
Autor: Ing. Martin Němeček   všechny články autoradoc. Ing. Miloš Kalousek, Ph.D.   všechny články autoraRecenzent: prof. Ing. Jozef Hraška, PhD., Stavebná fakulta STU Bratislava



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (7 příspěvků, poslední 06.11.2015 07:31)


Projekty 2017

Partneři - Nízkoenergetické stavby

logo VAILLANT
logo KNAUF INSULATION
logo AC HEATING

 
 

Aktuální články na ESTAV.czG Servis – povinná dokumentace projektu rodinného domu se slevouSestavte si kompletní dveře v online konfigurátoruJak vybílit snadno, rychle a bez stresuStavba jako z papíru. Hra architekta se světlem v novém kostele v Sazovicích