Účinok a požiadavky na tepelné izolovanie deliacich konštrukcií v bytových domoch
Aktuálne platná norma STN 73 0540-2/Z1+Z2, 2019 [1] definuje tepelnotechnické požiadavky nielen na vonkajšie obalové, ale aj vnútorné deliace konštrukcie obytných budov. Tieto sa definujú prostredníctvom súčiniteľa tepelnej vodivosti U (dávnejšie skôr ako tepelného odporu R) v závislosti od teplotného rozdielu miestností, ktoré tieto konštrukcie stien a stropov oddeľujú. Predložený príspevok na základe konkrétneho bytu bytového domu prefabrikovaného stavebného systému ZT kvantifikuje účinok tohto tepelného izolovania deliacich konštrukcií (stropov a stien) na potrebu tepla na vykurovanie (a tým aj jeho energetickú náročnosť) v závislosti od výpočtovo definovaného teplotného rozdielu tohto analyzovaného bytu a všetkých susedných bytov počas celej zimnej, vykurovacej sezóny.
1. Úvod
Problematika tepelného izolovania vnútorných deliacich konštrukcií (stropov i stien) bytov pochádza z dávnejších čias, možno až počiatku rozmachu bytovej, panelovej výstavby na Slovensku. V týchto časoch sa tak vzhľadom na veľmi nízke ceny energií, iný spôsob jej rozpočítavania v bytových domoch, a minimálny tlak na jej úspory, nekládol dôraz na tepelné izolovanie deliacich konštrukcií. Všetko sa ale zmenilo v okamihu razantného zvýšenia jej ceny, zmenou metodiky prerozdelenia jej „fixnej“ časti a nemalou mierou k tomu prispelo aj rozdielne sa správanie užívateľov (individuálne vnímanie tepelnej pohody). Metodika, najmä tá aktuálne platná, do značnej miery globalizuje nadmerné odbery energií niektorých užívateľov v spoločnom ekonomickom koši a naopak minimalizuje, potláča úsporné myslenie tých druhých. Snahou autorov príspevku je poukázať na to, do akej miery toto výpočtové uvažovanie má význam, zmysel, v konfrontácií s úrovňou tepelného izolovania deliacich konštrukcií.
1.1 Vybraný byt – simulačný výpočtový model
Pre túto analýzu bol zvolený bytový dom (ďalej aj ako BD) panelovej sústavy ZT (dvanásťposchoďový), ktorý je zároveň aj domovom oboch autorov príspevku v mestskej časti Dúbravka, iba niekoľko ulíc od seba. Možno tu predpokladať aj účinok orientácie k svetovým stranám, do analýzy bol nakoniec ale vybratý iba ten, s južnou prevládajúcou transparentnou fasádou.
a)
b)
Obr. 1 Výpočtový model simulovanej bytovej jednotky – a) priehľadný b) plný
Samotný výpočtový model bytu je znázornený na obr. 1. Je vytvorený v grafickom software SKETCHUP 8.0 [2], na základe podkladov z dostupnej projektovej dokumentácie BD. Samotný byt tak tvorí cca štvrtinu pôdorysu typického podlažia a ten tak obsahuje zrkadlovo (v oboch smeroch) úplne identický byt, čiže v ich celkovom počte sú ich na jednom podlaží celkom 4. Celým svojim stropom, podlahou ako aj väčšinou priečok sa tak dotýka ďalšieho z identických bytov, čo tvorí podstatu, základ celej ďalšej výpočtovej simulačnej analýzy, porovnania.
1.2 Požiadavka normy STN 73 0540-2/Z1+Z2, 2019 [1] – súčiniteľ prechodu tepla U
Z hľadiska platnej legislatívy sa definujú parametre teplovýmennej obálky hodnotou súčiniteľa prechodu tepla U obvodovej steny na úrovni 0,22 W/(m2.K) a transparentných konštrukcií, okien hodnotou 0,85 W/(m2.K). Vnútorné, deliace konštrukcie sa následne definovali v troch úrovniach tepelného izolovania, úroveň A, iba ako samotný železobetón v strope, hrúbky 150 mm (Ustrop,A = 1,83 W/(m2.K)) a deliace steny / priečky s hrúbkami železobetónu 60 mm (Upriecka,A1 = 3,20 W/(m2.K)) a 150 mm (Upriecka,A2 = 2,71 W/(m2.K)). V úrovni B boli obe tieto konštrukcie nadimenzované na normovú požiadavku teplotného rozdielu do 10 K (tabuľka 1, strana 10 tejto normy), t.j. s tepelným zaizolovaním tak, aby hodnota súčiniteľa prechodu tepla bola v oboch prípadoch (stena i strop) Ustena,strop,B = 1,20 W/(m2.K). V poslednej úrovni C to bolo na teplotný rozdiel do 15 K, s parametrom Ustena,strop,C = 0,85 W/(m2.K). Táto hodnota zároveň podlieha špeciálnej požiadavke v zmysle článku 5.1.7 tejto normy („pri vnútorných zvislých a vodorovných konštrukciách oddeľujúcich miestnosti rôznych bytov a bytov s nebytovými priestormi s rozdielnym režimom vykurovania a regulácie ...“) za účelom dostatočnej ochrany užívateľov bytov s vyššími vykurovacími nárokmi, voči otužilcom a šetričom.
1.3 Výpočtové parametre, okrajové podmienky energetickej simulácie bytu
Samotná energetická simulácia bola zrealizovaná celoročne, s dôrazom na vykurovaciu sezónu. Vonkajšou okrajovou podmienkou bol TRKR pre lokalitu Bratislava [3], ktorý je legislatívne podchytený aj v novej Zmene 1, doplnení normy STN 73 0540-3 [4]. Pre energetickú simuláciu bol využitý výpočtový software EnergyPlus 7.2.0 [5].
Variabilita, komplexnosť analýzy bola dosahovaná trojicou tepelnotechnických parametrov deliacich konštrukcií (podrobnejšie popísané v predchádzajúcej kapitole), ale najmä výpočtovou teplotou vykurovania všetkých miestností bytu samotného, ako aj susediacich bytov. Táto sa definovala v rozsahu +16,0 °C až +26,0 °C, s ich vzájomným kombinovaním, vo výpočtovom kroku 2,0 K. Vzniklo tak spolu celkom 108 samostatných simulačných modelov, ktoré, predpokladáme dostatočne pokryjú danú problematiku a v závere príspevku následne podliehajú vyhodnoteniu, vytýčeniu celkových záverov, z toho plynúcich.
V zmysle normalizovanej metodiky stanovenia mernej potreby tepla na vykurovanie bola definovaná výpočtová výmena exteriérového vzduchu na úrovni n = 0,50 1/h, ako aj hodnota vnútorných tepelných ziskov celoplošne 5,0 W/m2 – a v oboch prípadoch nepretržite.
2. Výsledky energetickej simulácie bytu a ich celková porovnávacia analýza
Výsledky simulácie možno interpretovať vo viacerých rovinách a pomocou viacerých veličín, respektíve ich spôsobu porovnávania. Výsledky tejto simulačnej analýzy sú v našom príspevku spracované v tabuľkovej i grafickej podobe, aj z dôvodu čo ich najväčšej vypovedateľnosti.
Tabuľka 1 interpretuje hodnoty mernej potreby tepla na vykurovanie (ďalej aj ako MPTNV) pre všetky varianty tepelného izolovania deliacich konštrukcií v súčinnosti so všetkými kombináciami výpočtových teplôt hodnotiaceho bytu i bytov susediacich. Pozdĺž línie rovnakých teplôt vzduchu dosahuje hodnoty od 13,5 do 54,7 kWh/(m2.rok). Tieto hodnoty klesajú takmer k nule, v prípade, že je teplota vzduchu v susednom byte vyššia o 6 až 10 K, naopak dosahujú mimoriadne vysoké hodnoty, hranične až 147,43 kWh/(m2.rok), v prípade, že by susedný byt mal veľmi nízku teplotu vzduchu, len +16,0 °C (počas celej vykurovacej sezóny). Z tohto porovnania tak je zrejmé, že dochádza k nárastu týchto hodnôt, pri poklese tepelného izolovania deliacich konštrukcií o cca 11,1 až 21,5 % (porovnanie – do 00 K ku do 10 K), respektíve 13,0 až 30,0 % (porovnanie – do 00 K ku do 15 K) – tabuľka 3a.
Tab. 1 Merná potreba tepla na vykurovanie – pre všetky varianty (do 00 K, do 10 K, do 15 K)
Tabuľka 2 následne dokumentuje všetky nárasty a poklesy mernej potreby tepla na vykurovanie vztiahnuté ku štandardizovanej vnútornej teplote vzduchu obytných budov +20,0 °C, a pri jej zároveň ustálení sa aj vo všetkých susedných bytoch. Podobne ako v tabuľke 1, i tu je, v percentuálnom vyjadrení, rozptyl MPTNV mimoriadne vysoký a klesá až hodnote 0,0 % a pri extrémnej, hraničnej kombinácii teplôt +26,0 °C „náš“ byt a susedné byty +16,0 °C je naopak nárast mernej potreby tepla na vykurovanie až viac ako päťnásobný (o 408 %).
Tab. 2 Percentuálne porovnanie voči +20 °C / +20,0 °C – pre všetky varianty (do 00 K, do 10 K, do 15 K)
Obrázok 2 je čitateľnejším grafickým prepisom tabuľky 1 (vo svojej časti a, b, c) a tabuľky 3a (vo svojej poslednej časti, grafe d). Ešte podstatne lepšie tak ilustruje, ako veľmi ovplyvňuje výpočtová teplota vzduchu v susedných bytoch (či už pozitívne, alebo negatívne) celkové náklady na vykurovanie v analyzovanom byte. Interpretuje razantný vzostup hodnôt mernej potreby tepla na vykurovanie z pásma – susedný byt +26,0 °C „náš“ byt +16,0 °C do zóny úplne opačnej, hraničnej – susedný byt +16,0 °C a „náš“, posudzovaný byt +26,0 °C.
a)
b)
c)
d)
Obr. 2 Merná potreba tepla na vykurovanie – vzájomná analýza – a) do 00 K, b) do 10 K, c) do 15 K, d) jej percentuálne porovnanie, pokles – deliace konštrukcie do 00 K / do 10 K
Hodnoty mernej potreby tepla na vykurovanie síce priamo neprezentujú reálne spotreby tepla / energie posudzovaných bytov, ale vo svojej podstate sú veľmi vhodným, a ozaj dobrým podkladom pre jej porovnávaciu analýzu. Pri potrebnom, požadovanom ekonomickom prepočte je nutné ich komplexne doplniť, a navýšiť o všetky účinnosti systému vykurovania, ako aj straty na rozvodoch od zdroja výroby tepla ku analyzovaným, hodnotiacim bytom.
Tabuľka 3a a 3b prezentuje vzájomný pokles MPTNV tepelne neizolovaných konštrukcií voči ich izolovaniu kritériom normy STN – do 10 K a do 15 K. Priemerný pokles menšieho kritéria dosahuje 17,6 %, vyššieho 24,1 %. Hodnoty vpravo od diagonály sú matematicky žiaľ nekvantifikovateľné. Reálne hodnoty môžu byť ďalej výrazne ovplyvnené spôsobom vetrania bytu, ako aj skutočnými vnútornými tepelnými ziskami. V oboch prípadoch boli v analýze definované, ako už bolo uvedené vyššie, v zmysle aktuálnej platnej legislatívy stanovenia MPTNV.
Tab. 3a a 3b Percentuálny pokles MPTNV – kombinácia „do 00 K ku do 10 K“ a „do 00 K ku do 15 K“
3. Záver
Simulačná analýza preukázala skutočný vplyv, účinok tepelného izolovania deliacich konštrukcií, pri rôznych výpočtových teplotách na energetickú bilanciu konkrétneho bytu panelovej sústavy ZT. Tento naozaj dramaticky narastá pri výraznom teplotnom rozdiele výpočtových teplôt vzduchu dotknutých bytov. Už len úplne malý pokles, vzostup teplôt vzduchu o 1,0 či 2,0 K mení energetickú náročnosť bytov aj o desiatky percent.
Celkom sa ale nepreukázala nevyhnutnosť požiadavky na úroveň tepelného izolovania deliacich konštrukcií v rozsahu kritéria článku 5.1.7 normy STN 73 0540-2, Z1+Z2, 2019 [1]. Ich tepelné izolovanie na nižšiu úroveň, hodnoty cca Udeliace,konštrukcie,10K = 1,20 W/(m2.K)) sa ukazuje ako celkom dostačujúce, hodnoty Udeliace,konštrukcie,15K = 0,85 W/(m2.K) už ale nepreukázali nijak významnú úsporu energií (v rozsahu 0 až 10 %). Je tak na zvážení, či kritérium článku 5.1.7 neaktualizovať, nezmierniť a neupraviť jeho špecifický výklad, uplatnenie v projekčnej úrovni novostavieb, bytových domov. V súlade s tým i vhodnejšie nadstaviť aktuálne platný spôsob percentuálneho rozpočítavania energií v bytoch, ktorý do značnej miery znevýhodňuje teplotne umiernených užívateľov voči naopak teplotne veľmi „exponovaným“ užívateľom. Ruka v ruke i s tým, ako veľmi je energeticky neefektívne užívať si tepelnú pohodu na úrovni teploty vzduchu +24,0 °C a vyššie, kde náklady na vykurovanie rastú 2 až 3násobne.
Naopak sa tu ale preukázalo, že pri výraznom znížení teploty vzduchu posudzovaného bytu a naopak výraznom vzostupe teploty vzduchu susedných bytov, dochádza k poklesu mernej potreby tepla na vykurovanie k takmer nulovým hodnotám. Okolité byty tu posudzovaný byt prostredníctvom veľmi teplých povrchov deliacich konštrukcií doslova vykurujú. Recipročne ale, v prípade poklesu teploty vzduchu v susedných bytoch na iba temperujúcich +16,0 °C a v analyzovanom byte vzostupe na +26,0 °C, stúpne energetická náročnosť na viac ako päťnásobok, voči štandardizovanému +20,0 °C vo všetkých bytoch (analyzovanom i susedných).
Literatúra
- STN 73 0540-2, Z1+Z2, 2019 Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 2: Funkčné požiadavky.
- Vizualizačný, grafický program SKETCHUP 8.0 – https://sketchup.trimble.com/en
- Ročná zmena teploty. Klimatický rok – TRKR BRATISLAVA, webová stránka:
https://www.meteoblue.com/cs/climate-change/bratislava_slovensko_3060972 - STN 73 0540-3, Z1, 2025 Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 3: Vlastnosti prostredia a stavebných výrobkov.
- Energetický simulačný program EnergyPlus 7.2.0 – https://energyplus.net
Poďakovanie
Tento príspevok a výskum v ňom bol podporený Vedeckou grantovou agentúrou MŠVVŠ SR a SAV, podľa výskumných projektov VEGA č. 1/0475/24 – Analýza návrhu a prevádzky veľkoplošných sálavých vykurovacích a chladiacich systémov s aplikáciou alternatívnych zdrojov energie a VEGA č. 2/0145/24 – Komplexnosť v aplikáciách latentných tepelno-akumul. materiálov a systémov pre udržateľnú a ekologickú výstavbu.
Článek se zabývá účinkem úrovně izolování vnitřních dělících konstrukcí bytových domů na celkovou potřebu tepla na vytápění. Autoři využívají výpočtový model bytu panelové soustavy ZT a program EnergyPlus, přičemž zohledňují různou úroveň izolování dělících k-cí a různé teplotní rozdíly mezi posuzovaným bytem a jeho sousedy. Výsledky ukazují, že i malé odchylky teplot (1–2 °C) mohou výrazně měnit energetickou náročnost až o desítky procent, přičemž požadavek na úroveň normy pro rozdíl 10 K je dostatečný, zatímco zpřísnění na 15 K již nepřináší podstatné úspory. Text je technicky podložený, využívá relevantní normy a simulační postupy, jeho přínos je zejména v poukázání na vliv uživatelského chování a metodiky rozpočítávání energií v BD. Slabinou je komplikovanost popsání reálných podmínek v bytě pro různé uživatele (např. různé režimy větrání). Celkově jde o odborně kvalitní a prakticky přínosný příspěvek k problematice energetické efektivity bytových domů, hlavně v době, kdy přibývá investičních bytů, které bývají i delší dobu neobsazené. Doporučuji k vydání.
The currently valid standard STN 73 0540-2/Z1+Z2, 2019 [1] defines thermal requirements not only for external envelope structures, but also for internal partition structures in residential buildings. These are defined by the thermal conductivity coefficient U (previously referred to as thermal resistance R) depending on the temperature difference between the rooms separated by these wall and ceiling structures. Based on a specific apartment in a prefabricated ZT building system, this paper quantifies the effect of this thermal insulation of partition structures (ceilings and walls) on the heat demand for heating (and thus its energy intensity) depending on the calculated temperature difference between the analyzed apartment and all neighboring apartments throughout the winter heating season.