Tepelnětechnické posouzení kotevního prvku pro předsazené konstrukce
Se zvyšováním nároků na tepelněizolační obálku budov narůstá význam tepelných mostů na celkové tepelné ztrátě jejich obálkou. Bodové tepelné mosty jsou ve výpočtech často zanedbávány, přičemž ale mohou vést k navýšení tepelných ztrát obálky budovy až o 35 %. Významnými bodovými tepelnými mosty jsou kromě jiného i prvky, které zabezpečují kotvení konstrukcí vystupujících před fasádu, jež plní nosnou funkci, jelikož hlavní důraz je kladen na únosnost takovéhoto prvku. Na trhu je dostupných několik variant kotevních systémů s řešením problematiky tepelných mostů. Tento článek se zabývá tepelnětechnickým posouzením vybraného kotevního systému a jeho experimentálním ověřením během zatížení v klimatické komoře.
1. Úvod
Požadavky a doporučení pro tepelně izolační obálku budovy jsou v souvislosti se zvyšováním energetické efektivity v budovách výrazně zpřísňovány. Norma ČSN 73 0540-2 [1] například v aktuálním znění zavedla oproti předchozí podobě [2] doporučení pro pasivní budovy. Rozdíl mezi průměrnou doporučenou hodnotou součinitele přestupu tepla vnější stěnou a průměrem doporučených hodnot pro pasivní budovy představuje pokles o přibližně 32 %. Aktuálně platná norma je v platnosti od roku 2011. Od roku 2020 musí dle Zákona o hospodaření energií [3] všechny nové budovy splňovat požadavky na energetickou náročnost budov s téměř nulovou spotřebou energie. Proto se dá předpokládat, že norma [1] bude v nejbližší době aktualizována a požadavky na obálku budov se zpřísní.
Bodové tepelné mosty výrazně přispívají ke zvyšování tepelné ztráty obálkou. Tyto tepelné mosty mohou navýšit přestup tepla stěnou až o 35 % [4]. Kromě zvýšení tepelných ztrát představují ale tepelné mosty i riziko z pohledu poklesu teploty na vnitřním povrchu a s tím spojené riziko růstu plísní a kondenzace vodní páry.
Tento článek si klade za cíl ověřit vlastnosti kotevního prvku pro pasivní budovy [5] zabudovaného do konstrukce stěny, který byl vyvinut v rámci projektu TAČR TJ01000432 – Kotevní prvek s přerušením tepelného mostu umožňující variabilní aplikace. Toto ověření bylo realizováno jak počítačovou simulací ve 3D FEM softwaru, tak experimentálním měřením v klimatické komoře.
2. Popis kotevního prvku
Kotevní systém (viz obrázky Obr. 1 a Obr. 2) využívá velmi dobrých mechanických i tepelněizolačních vlastností inovativní termoplastické pěny na bázi polymeru polystyrenu. Dále kotevní prvek obsahuje nerezové závitové tyče, které se na jedné straně připevní pomocí chemických kotev k nosné konstrukci. Na druhou stranu závitových tyčí je připojena polyamidová deska. Do této desky se poté vytvoří otvory se závity pro kotvení předsazené konstrukce např. prostřednictvím čelní desky. Otvory se mohou umístit libovolně v ploše polyamidové desky a umožňují tak variabilitu kotevních bodů. Na zadní straně je kotevní blok opatřen plechem a snižuje tak riziko protlačení tlakově namáhaných závitových tyčí do materiálu nosné konstrukce.
Tento systém je díky konstrukci ze závitových tyčí, které spolupůsobí s pevnou izolační hmotou a polyamidovou deskou, velmi únosný. Zároveň je úplně přerušen tepelný most v místě polyamidové desky.
![Obr. 1 Kotevní prvek se závitovými tyčemi, polyamidovou deskou a termoplastickou pěnou na bázi polymeru polystyrenu [5]](/docu/clanky/0194/019487o1.png)
Obr. 1 Kotevní prvek se závitovými tyčemi, polyamidovou deskou a termoplastickou pěnou na bázi polymeru polystyrenu [5]
Obr. 2 Kotevní prvek před osazením do zdiva
3. Experimentální ověření tepelnětechnických vlastností v klimatické komoře
Pro experimentální měření v klimatické komoře byl vytvořen vzorek stěny se skladbou popsanou v Tab. 1 o rozměrech 1 100 x 1 050 mm. Kotevní prvek byl umístěn do středu plochy vzorku. Exteriérová strana vzorku byla přisazena ke klimatické komoře simulující vnější prostředí s teplotou vzduchu −15 °C. Teploty povrchů komory a proudícího vzduchu v komoře ale vedly ke korekci vnější teploty pro následnou počítačovou simulaci na −16,0 °C. Na interiérové a exteriérové straně vzorku byla osazena čidla měřící hustotu tepelného toku, jak je vidět na Obr. 3.
| Konstrukce stěny v ploše (od interiéru) | ||||
|---|---|---|---|---|
| Materiál | c | λ | ρ | d |
| [J∙kg−1∙K−1] | [W∙m−1∙K−1] | [kg∙m−3] | [m] | |
| Vnitřní omítka | 1 200 | 0,57 | 1 550 | 0,004 |
| Zdivo - plynosilikát | 1 000 | 0,137 | 500 | 0,1 |
| TI - minerální vata | 840 | 0,035 | 20 | 0,3 |
| Fólie (nahrazuje omítku) | 1 450 | 0,35 | 800 | 0,0001 |
| Konstrukce kotevního prvku | ||||
| Materiál | c | λ | ρ | d |
| [J∙kg−1∙K−1] | [W∙m−1∙K−1] | [kg∙m−3] | [m] | |
| Nerezové prvky | 460 | 11,5 | 7 900 | - |
| Polyamid | 1 600 | 0,25 | 1 150 | - |
| Termoplastická pěna | 1 270 | 0.047 | 200 | - |
| Zálivka | 840 | 1 550 | 1,4 | - |
| Ocelové prvky | 870 | 50 | 7 850 | - |
Tab. 1: Vlastnosti materiálů použitých při měření
Obr. 3: Interiérová strana vzorku přisazeného ke klimatické komoře (vlevo) a detail umístění senzoru na exteriérové straně kotevního prvku před osazením fólie (vpravo)
Interiérová strana vzorku byla vystavena prostředí laboratoře s kontrolovanými vnitřními podmínkami. Těmto podmínkám byl vzorek vystaven po dobu 96 hodin pro ustálení teplot ve vzorku. Na Obr. 4 je znázorněn průběh teploty vzduchu v době experimentu v klimatické komoře a v laboratoři. Z tohoto obrázku je patrné, že teplota vzduchu v laboratoři není stálá. Její hodnota se ale pohybovala v úzkém intervalu <21,5 °C; 25,5 °C>. Obr. 5 znázorňuje časový průběh měřených hodnot hustoty tepelného toku na jednotlivých površích. Je možné pozorovat, že zatímco se teplota v klimatické komoře ustálila velmi rychle, tepelný tok na povrchu v klimatické komoře se ustaloval přibližně jeden den. Výkyvy teploty v laboratoři (na interiérové straně vzorku) se z důvodu vyšší frekvence poměrně malých výkyvů v kombinaci s vysokým tepelným odporem vzorku neprojevovaly na vnějším povrchu.
Obr. 4: Průběh teploty vzduchu v laboratoři a v klimatické komoře v době měření
Obr. 5: Časový průběh hustoty tepelného toku v místech umístění čidel
Obr. 6: Termogram interiérového povrchu vzorku
Po 96 hodinách byly infračervenou kamerou změřeny teploty na interiérovém povrchu vzorku. Obr. 6 zobrazuje výsledky měření. Bod s nejnižší teplotou na povrchu není v geometrickém středu plochy, ale je mírně posunut do místa, kde je prvek kotven do zdiva závitovou tyčí. Teplotní rozdíl mezi nejnižší povrchovou teplotou (θs,i, min = 21,13 °C) a teplotou v místě neovlivněném tepelným mostem (θs,i, max = 22,27 °C) je Δθs,i = 1,14 °C. Tyto hodnoty jsou spolu se zaznamenanými hodnotami hustoty tepelného toku shrnuty v Tab. 2.
| Veličina | Značka | Hodnota |
|---|---|---|
| Nejvyšší teplota na interiérovém povrchu | θs,i, max | 22,27 °C |
| Nejnižší teplota na interiérovém povrchu | θs,i, min | 21,13 °C |
| Rozdíl hraničních teplot na interiérovém povrchu | Δθs,i, | 1,14 °C |
| Teplota na vnějším povrchu kotevního prvku | θs,e, | −14,95 °C |
| Hustota tepelného toku z interiéru | qs,i | 10,266 W∙m−2 |
| Hustota tepelného toku do exteriéru | qs,e | 18,809 W∙m−2 |
Tab. 2: Naměřené hodnoty z experimentu
4. Počítačová simulace tepelného chování detailu osazení kotevního prvku
Tepelná simulace kotevního prvku proběhla na 3D FEM modelu v softwaru COMSOL Multiphysics [6]. Skladba detailu a materiálové vlastnosti byly zvoleny shodně s reálným detailem osazeným do klimatické komory.
Jelikož teplota vzduchu v laboratoři nebyla stálá, byla za okrajovou podmínku na interiérové straně zvolena poslední naměřená teplota a to 23,48 °C. Jak je uvedeno výše, venkovní teplota vzduchu byla upravena s ohledem na vlastnosti povrchů klimatické komory a teplotu a rychlost vzduchu přiváděného do klimatické komory na −16,0 °C.
Řez modelovaným detailem je znázorněn na Obr. 7. Vzhledem k velmi malé tloušťce fólie, byla tato v modelu zohledněna pouze hodnotou tepelného odporu, o kterou se navýšila hodnota odporu při přestupu na vnějším povrchu.
Při měření v klimatické komoře byla použita dvě čidla/senzory měřící hustotu tepelného toku, umístěná v geometrickém středu interiérového povrchu a v geometrickém středu vnějšího povrchu polyamidové desky kotevního prvku (a tedy pod fólií nahrazující vnější omítku). Tato čidla/senzory mají snímací plochu kruhového tvaru o velikosti 8 cm2. Tyto plochy byly vymezeny i ve 3D FEM modelu. Virtuálními čidly/senzory byla následně počítána průměrná hustota tepelného toku. Virtuálním čidlem/senzorem na vnějším povrchu kotvy byla dále počítána i průměrná povrchová teplota.
Obr. 7: Řez modelem detailu
Obr. 8: Pohled na interiérový povrch vzorku a poloha snímací plochy senzoru
Na Obr. 8 je zobrazen pohled na interiérový povrch modelovaného detailu s vyznačením polohy kotevního prvku a plochy čidla/senzoru pro výpočet průměrné hustoty tepelného toku. Modelována byla plocha 1 x 1 m a síť pro výpočet sestávala ze 4 290 000 elementů.
Výsledná pole teplot na površích modelu jsou prezentována na Obr. 9 a Obr. 10. Obr. 11 dále znázorňuje izotermy ve svislých řezech detailem a to v řezu v ose závitových tyčí a současně v řezu v ose detailu. Z těchto obrázků je pozorovatelný úzký interval teplot na površích a poměrně malé narušení teplotního pole uvnitř konstrukce. To naznačuje efektivitu řešeného kotevního prvku z hlediska bodových tepelných mostů. Pro pasivní budovy je doporučená hodnota bodového činitele prostupu tepla dle ČSN 73 0540-2: 2011 [1] χpas = 0,02 W/K. Při zohlednění tepelných odporů při přestupu na povrchu odpovídajících proudění vzduchu v klimatické komoře (Rse = 0,02 m2∙K∙W−1 a Rsi = 0,13 m2∙K∙W−1) je výsledná hodnota součinitele přestupu tepla konstrukce v ploše U = 0,107 W∙m−2∙K−1. Simulací byl vypočten tepelný tok detailem L = 4,79 W. Z těchto hodnot lze dopočítat hodnotu bodového činitele přestupu tepla kotevního prvku, která je χ = 0,013 W/K. Tato hodnota doporučení normy pro pasivní standard splňuje. Je důležité poznamenat, že nosnou částí hodnocené konstrukce je plynosilikát tloušťky 0,1 m a je zateplen tepelnou izolací tloušťky 0,3 m. Takovéto řešení konstrukce obvodové stěny není běžné a dá se předpokládat, že po zabudování kotevního prvku do konstrukcí typických pro pasivní budovy, bude zjištěná hodnota ještě nižší.
Obr. 9: Pole teplot na interiérovém povrchu
V Tab. 3 jsou porovnány hodnoty naměřené při experimentu a hodnoty z počítačové simulace. Počítačová simulace vykazuje obecně vyšší teploty na interiérovém povrchu. Nicméně rozdíl mezi minimální a maximální teplotou na vnitřním povrchu mezi měřením a simulací je pouze 0,13 °C. Hustota tepelného toku na vnějším povrchu je výpočtem podhodnocena oproti měřeným hodnotám asi o 5,5 %, zatímco hustota tepelného toku na vnitřním povrchu je podhodnocena asi o 7,6 %. Tato výrazná shoda je pravděpodobně dosažena vhodnou úpravou okrajové podmínky ve výpočtech na exteriérové straně tak, aby odrážela prostředí v klimatické komoře, a to v případě teploty vzduchu i hodnoty tepelného odporu při přestupu na vnitřní straně konstrukce.
| Veličina | Vypočteno | Naměřeno | Odchylka simulace |
|---|---|---|---|
| θs,i, max | 22,98 °C | 22,27 °C | |
| θs,i, min | 21,97 °C | 21,13 °C | |
| Δθs,i, | 1,01 °C | 1,14 °C | 11,4 % |
| θs,e, | −14,83 °C | −14,95 °C | |
| qs,i | 11,05 W∙m−2 | 10,27 W∙m−2 | 7,59 % |
| qs,e | 17,78 W∙m−2 | 18,81 W∙m−2 | 5,48 % |
Tab. 3: Porovnání hodnot získaných měřením a počítačovou simulací
5. Závěr
Příspěvek prezentuje současně dostupná řešení kotevních systémů předsazených konstrukcí s termickým přerušením. Cílem projektu TAČR – TJ01000432 je inovovat kotevní systém s průběžnými závitovými tyčemi. Dílčími faktory inovace je úplné termické přerušení nerezových závitových tyčí současně s možností variability v uchycení kotvené konstrukce.
Tepelné chování inovativního kotevního prvku bylo hodnoceno jak experimentálně, tak počítačovou simulací. Výsledky obou přístupů se navzájem liší pouze minimálně. Tato výrazná shoda je pravděpodobně dosažena vhodnou úpravou okrajové podmínky ve výpočtech na exteriérové straně, tak aby odrážela prostředí v klimatické komoře.
Vypočtená a experimentálně potvrzená hodnota bodového činitele prostupu tepla kotevního prvku χ = 0,013 W/K splňuje normou doporučené hodnoty pro použití v pasivních budovách. Je možné předpokládat, že po zabudování kotevního prvku do konstrukcí častěji používaných pro pasivní budovy než byla skladba použitá při experimentu, bude tato hodnota ještě nižší.
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za finanční podpory TAČR v rámci projektu TJ01000432 – Kotevní prvek s přerušením tepelného mostu umožňující variabilní aplikace.
Literatura
- ČSN 73 0540-2:2011 : Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky. Praha, 2011
- ČSN 73 0540-2:2007 : Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky. Praha, 2007
- Zákon č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií
- ŠADAUSKIENĖ, Jolanta, Juozas RAMANAUSKAS, Lina ŠEDUIKYTĖ, Mindaugas DAUKŠYS a Algimantas VASYLIUS. A Simplified Methodology for Evaluating the Impact of Point Thermal Bridges on the High-Energy Performance of a Passive House. Sustainability. 2015, 7(12), 16687-16702. DOI: 10.3390/su71215840. ISSN 2071-1050. Dostupné také z: http://www.mdpi.com/2071-1050/7/12/15840
- R. JÁRA a M. HATAJ. Kotevní prvek s přerušením tepelného mostu. [užitný vzor], Praha, 2019. Dostupné z: https://isdv.upv.cz/doc/FullFiles/UtilityModels/FullDocuments/FDUM0032/uv032940.pdf
- COMSOL Multiphysics 4.4. b.r., http://www.comsol.com/comsol-multiphysics
Nowadays, when the demands on the thermal insulation envelope of buildings are increasing, the importance of thermal bridges on the overall thermal loss of the envelope increases. Point thermal bridges are often neglected in the calculations but can lead to an increase in heat loss by an envelope of up to 35%. Significant point thermal bridges are, among other things, elements which ensure anchoring of structures protruding in front of the façade fulfilling the supporting function, since the main emphasis is placed on the bearing capacity of such an element. Several variants of anchoring systems with thermal bridges are available on the market. This paper deals with the thermal-technical assessment of the selected anchoring system and its experimental verification during loading in the climatic chamber.
