Zateplování panelových domů - technologické limity
Tepelnětechnické vlastnosti obvodových konstrukcí významně ovlivňují energetickou náročnost panelových domů. V současné praxi často dochází k podceňování dimenzování zateplovacích systémů. Článek se zabývá návrhem optimální tloušťky tepelné izolace z hlediska ekonomiky a energetické náročnosti.
Zateplovací systémy jsou v současnosti navrhovány z pohledu ekonomické návratnosti vzhledem k minulým cenám energií. Během několika let tak může být tento způsob rekonstrukce zastaralý. V rámci tohoto článku bude posouzena ekonomická efektivita zateplení objektu - jeho návratnost se zohledněním růstu cen energie. Zvláštní pozornost je třeba věnovat způsobu kotvení zateplovacího systému, protože optimální tloušťky tepelné izolace z hlediska ekonomiky nejsou v České republice doposud běžně navrhovány.
Typy izolačních materiálů a jejich použití
Jako izolační materiál v kontaktních zateplovacích systémech se v současnosti nejběžněji používá expandovaný polystyren a minerální vlna.
Nově stanovené požadavky požární normy ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb [2] na šíři požárně odolných zón mezi jednotlivými okny prakticky vylučují použití klasických fasádních polystyrenů u zateplování stěn se souvislou řadou oken, jak je tomu u panelových domů. Zateplování průčelních stěn minerální vlnou se pak odráží v navýšení ceny.
Pro štítové a boční stěny lze volit izolační materiál zateplovacího systému mezi expandovaným polystyrenem a minerálními vlákny. Volnost je zde umožněna díky nepoměrně menšímu či žádnému podílu zasklení těchto fasád oproti průčelním stěnám panelového domu. Z hlediska ekonomického lze předpokládat preferenci podstatně investičně levnějšího expandovaného polystyrenu proti minerálním vláknům.
Zateplení z ekonomického hlediska
Tloušťka tepelné izolace musí být navržena tak, aby splnila požadavky současně platné normy ČSN 730540-2007 [3], [4]. Aby bylo po zateplení panelového domu dosaženo doporučených hodnot součinitele prostupu tepla [3], je zapotřebí na obvodové zdivo přidat tepelnou izolaci o tloušťce 9-14 cm v závislosti na typu konstrukce dané panelové soustavy. Při rekonstrukcích budov do pasivního standardu se používají tloušťky izolantu kolem 30 i více cm. Tyto postupy ovšem vedou ke zvyšování investičních nákladů.
Běžné fasádní tepelné izolace se vyrábějí v tloušťkách do 20 cm, což je také limit pro jednovrstvou izolaci. Tato hranice nepřináší žádné významné zvýšení nákladů, protože i kotvení vrstev probíhá standardními metodami. U větších tlouštěk je nutno použít dvě vrstvy izolantu. Z tepelně-technického hlediska je to výhodné, neboť dojde k potlačení tepelných mostů mezi deskami izolantu, nicméně investiční náklady stoupají. Nakolik je vhodné použít vícevrstvou izolaci z ekonomického hlediska, závisí na několika faktorech, a to zejména na původním součiniteli prostupu tepla dané konstrukce, aktuální ceně energie, ceně kompletní skladby zateplovacího systému a izolantu, na tloušťce, při které je nutné použít další vrstvu a na aditivních nákladech pro aplikaci další vrstvy.
Pro konkrétní podmínky lze použít optimalizační výpočet tloušťky izolace, do kterého vstupuje cena zateplení, cena ušetřené energie, klimatické podmínky, i vývoj cen energie a cena investovaných peněz vyjádřená diskontem. Výpočet je zde ukázán pro dvě varianty původní konstrukce (varianta 1a, b) a tři varianty aktuálních cen energie (varianta 2a, b, c). Pro zateplení se zde počítá s konstantní investiční částkou na m2 aplikovaného zateplovacího systému. Ceny standardních tloušťek systémů byly stanoveny dle podkladů firem zabývajících se zateplováním, dle zrealizovaných rozpočtů a dle statistických stavebních rozpočtových tabulek. Pro nadstandardní zateplení byl proveden odborný odhad ve spolupráci se společnostmi provádějícími zateplení. V ceně těchto systémů se odráží vyšší pracnost, riziko nové technologie a nárůst ceny materiálu.
V první variantě je proveden výpočet optimální tloušťky tepelné izolace pro různé tepelně-technické vlastnosti původní konstrukce - sendvičového štítového panelu VVÚ ETA - při ceně energie 650 Kč/GJ. Ve variantě 1a je uvažována tloušťka vnitřní tepelné izolace tohoto panelu 40 mm a 80 mm ve variantě 1b, viz Tabulka 2. V druhé variantě je provedeno porovnání optimální tloušťky izolace při různých cenách tepla (varianta 2a, 2b, 2c).
Tabulka 1: Vstupní parametry pro výpočet limitní tloušťky zateplení z hlediska ekonomické
efektivity pro dvě varianty původní nezateplené konstrukce a tři varianty cen tepla
Efektivní tloušťka tepelné izolace je zde hodnocena pomocí dvou ekonomických ukazatelů - prosté návratnosti a NPV (net present value - čistá současná hodnota). Vhodnějším ukazatelem je NPV, který zohledňuje hodnotu peněz v čase. Časová řada 20 - 30 let, po kterou hodnotíme investice typu zateplení, je totiž natolik dlouhá, že je krajně nevhodné časovou hodnotu peněz zanedbat.
Z výpočtu vyplývá, že z ekonomického hlediska je pro obě varianty původní konstrukce (varianta 1a, b) nejvýhodnější tloušťka izolantu mezi 12 a 20 cm, viz Obrázek 1. Po překročení hranice 20 cm dochází ke skokovému nárůstu ceny. Křivka prosté návratnosti má velmi plochý tvar, což svádí k tvrzení, že je prakticky stejně výhodné použít jakoukoliv tloušťku mezi 12 a 20 cm, což podává zkreslený obraz o ekonomické efektivnosti. Dle vhodnějšího ukazatele NPV je optimální tloušťka izolace 20 cm pro obě varianty původní konstrukce, po skokovém navýšení ceny zisk mírně klesá, Obrázek 2. Křivka NPV stoupá strmě až po tloušťku zateplení 12 cm, poté její nárůst není tak významný. Ekonomická efektivita zateplení mezi 12 a 20 cm se příliš neliší, proto je vhodné použít k zateplení tloušťku izolace v tomto rozmezí, Obrázek 3.
Obrázek 1: Ekonomická optimalizace zateplení méně kvalitní konstrukce (varianta 1a)
a kvalitnější konstrukce (varianta 1b).
V případě zateplení méně kvalitní původní konstrukce (varianta 1a) je NPV kladná i při menších tloušťkách tepelné izolace a investice má tedy smysl. U kvalitnější původní konstrukce (varianta 1b) je NPV investice záporná pro jakoukoliv tloušťku izolace menší než 4 cm, viz Obrázek 2.
Výsledný součinitel prostupu tepla při tloušťce zateplení 20 cm je 0,18 W.K-1.m-2 pro případ méně kvalitní původní konstrukce (s tloušťkou vnitřní izolace panelu 40 mm) a 0,15 W.K-1.m-2 pro případ původní konstrukce (s tloušťkou vnitřní izolace 80 mm).
Obrázek 2: Realizace kontaktního zateplovacího systému o tloušťce 18 cm.
Ve druhé variantě je proveden výpočet optimální tloušťky tepelné izolace při třech různých současných cenách tepla (450 Kč/GJ, 650 Kč/GJ a 1000 Kč/GJ) pro součinitel prostupu tepla původní konstrukce 0,89 W.K-1.m-2. Vyhodnocení bylo provedeno stejně jako ve variantě 1 podle ukazatele NPV.
Pro variantu s předpokládanou nejnižší cenou tepla (varianta 2a) vychází opět nejvýhodnější tloušťka izolace v rozmezí 12 a 20 cm, viz Obrázek 3. Při aplikaci druhé vrstvy zateplení dochází ke skokovému nárůstu ceny. Cena ušetřené tepelné energie při použití větší tloušťky izolantu nemůže v tomto případě pokrýt zvýšené náklady do větší tloušťky izolace, protože je cena energie příliš nízká. Pro variantu s nejvyšší cenou tepla (varianta 2c) není skokový nárůst ceny při aplikaci druhé vrstvy tak významný v porovnání s cenou za ušetřenou energii, a proto je optimální tloušťka izolace co největší, tedy v tomto případě 30 cm. Křivka NPV je strmější v rozmezí tloušťky izolantu 12 až 20 cm při vyšších cenách energie (2c), a proto je ekonomicky výhodnější aplikovat vyšší tloušťku zateplení (20 cm) především v oblastech, kde je cena energie vyšší.
Obrázek 3: Ekonomická optimalizace zateplení při uvažované ceně tepla 450 Kč/GJ (varianta 2a),
650 Kč/GJ (varianta 2b) a 1000 Kč/GJ (varianta 2c).
Zateplení z environmentálního hlediska
Aplikací zateplovacího systému na panelové domy dochází k redukci tepelné ztráty prostupem domu a tím ke snížení potřeby tepla na vytápění objektu, tedy ke snížení provozní energie budovy. Při těžbě a zpracování surovin na výrobu zateplovacích systémů a při jejich výrobě, dopravě a realizaci je ovšem spotřebováváno velké množství energie označované jako svázaná spotřeba energie. Tyto energie jsou spojeny s produkcí CO2, která negativně ovlivňuje životní prostředí. Z pohledu snížení dopadu na životní prostředí má smysl zateplovací systém aplikovat, pokud množství ušetřených provozních emisí CO2 v průběhu životního cyklu stavby je vyšší než hodnota svázaných emisí CO2. Potom lze vypočítat návratnost tohoto opatření dle vztahu:
N - je návratnost svázaných emisí CO2 v materiálu tepelných izolací (let)
mCO2,sváz - je hmotnost svázaných emisí CO2 zateplovacího systému na 1 m2 fasády za 1 rok (kg/m2/rok)
mCO2,pů - je hmotnost provozních emisí CO2 pro původní nezateplenou konstrukci na 1 m2 fasády za 1 rok (kg/m2/rok)
mCO2,zat - je hmotnost provozních emisí CO2 pro zateplenou konstrukci na 1 m2 fasády za 1 rok (kg/m2/rok)
Množství ušetřených provozních emisí CO2 se liší podle druhu paliva použitého k vytápění panelového domu. Teplo pro vytápění je do panelových domů dodáváno většinou systémy CZT a je vyráběno v teplárně nebo jako odpadní produkt v elektrárně. Jako palivo je tedy běžně používáno uhlí, mazut a zemní plyn. Návratnost svázaných emisí CO2 v zateplovacím systému, kdy je jako palivo použito hnědé uhlí a zemní plyn, je porovnána na Obrázku 4. Rozdílný nárůst křivky je způsoben tím, že při spalování hnědého uhlí se na jednotku získané energie vyprodukuje větší množství emisí CO2 (0,357 kg/kWh) než při spalování zemního plynu (0,198 kg/kWh).
Množství svázaných emisí CO2 je závislé na druhu tepelně-izolačního materiálu. V zateplovacích systémech je nejčastěji používán expandovaný polystyren a minerální vlna, jejichž návratnost pro různé tloušťky izolace je porovnána na Obrázku 4. Výroba minerální vlny je výrazně energeticky náročnější, a proto je množství vyprodukovaných emisí CO2 na 1 m3 materiálu (241,08 kg/m3) čtyřikrát vyšší než svázané emise CO2 expandovaného polystyrenu (60,30 kg/m3).
Obrázek 4: Návratnost svázaných emisí CO2 v materiálu tepelných izolací při použití
zemního plynu a hnědého uhlí jako paliva pro vytápění.
Návratnost svázaných emisí CO2 stoupá lineárně se vzrůstající tloušťkou izolačního materiálu v zateplovacím systému. V porovnání s ekonomickou prostou návratností nabývá návratnost svázaných emisí CO2 nižších hodnot, protože množství emisí CO2 uvolňovaných při výrobě energie z hnědého uhlí nebo zemního plynu je vysoké. Pokud předpokládáme, že použité palivo na výrobu tepla je zemní plyn, pak pro tloušťku dodatečné izolace 20 cm je návratnost emisí CO2 1 rok při použití expandovaného polystyrenu a 4 roky při použití minerální vlny jako izolantu. Při spalování hnědého uhlí dochází k produkci většího množství emisí CO2, a proto je výsledná návratnost rychlejší.
Zateplení z technologického hlediska
Při úvahách o nadstandardních tloušťkách izolantu při zateplování budov je často diskutována otázka statiky a způsobu kotvení. Kotvení nadstandardních tlouštěk tepelného izolantu musí zajistit mechanickou stabilitu kotveného izolantu. Svislé zatížení (vlastní váha izolantu, omítky) je přenášeno lepením izolačních desek na podklad. Součástí dodávky systému musí být provedení odtrhových zkoušek, kdy přídržnost lepící hmoty k podkladu musí být min. 80 kPa. Ověřuje se na stavbě odtrhovou zkouškou podle ČSN EN 1542. Vodorovné zatížení - sání větru - musí přenést mechanické kotvy. Certifikované výrobky umožňují klasické kotvení izolantu až do tl. 260 mm (např. talířová zatloukací hmoždinka s předmontovaným ocelovým trnem, kterou lze kotvit jak tepelně izolační materiály na bázi expandovaného polystyrénu, tak minerální vlnu s podélnou orientací vláken).
V poslední době se na trhu objevily nové kotevní systémy využívající kombinace mechanického kotvení a lepení zajišťující stabilitu izolantu při sání větru. Lepící kotvy se mechanicky přikotví přímo na upravený podklad v rastru doporučeném výrobcem a ověřeném statickým výpočtem. Před přilepením izolační desky, která je opatřena lepidlem podle technologického předpisu, se nanese na hlavy kotev příslušné lepidlo, které zajistí soudržnost kotvy s podkladem. Tento systém umožňuje použití tloušťky tepelného izolantu až 400 mm.
Kotvy se podle většiny systémových řešení navrhují na 100% sání větru a nepřispívají k přenesení ostatních zatížení. Z dosud publikovaných a dostupných firemních pomůcek pro navrhování počtu kotev pro tyto systémy vyplývají pouze doporučená řešení vycházející při stanovení zatížení větrem pravděpodobně z ČSN nebo z převzatých zahraničních předpisů (DIN, ONORM a pod.). Jednotliví producenti systémů ETICS se přitom liší i při základním stanovení počtu kotev na m2, ve stanovení velmi důležitého parametru okrajové oblasti v nárožích pro zvýšené hodnoty počtů kotev a v neposlední řadě i v udávaných výškových pásmech. Zároveň však velmi správně udávají, že stanovení počtu kotev musí být součástí statického výpočtu pro konkrétní případ.
Výpočet namáhání zateplovacích systémů sáním větru byl proveden pro několik základních geometrií panelových budov. Namáhání větrem bylo vypočteno pro jednotlivá pásma v půdoryse a po výšce budovy. Pro jednotlivé oblasti fasády byl stanoven počet kotev potřebný k přenesení zatížení. Na následujícím schématu jsou uvedeny návrhové hodnoty zatížení větrem v jednotlivých oblastech fasády budovy s návrhem počtu kotvících prvků. Minimální počet kotev pro tento případ je 6 kotev na 1 m2 fasády v její střední části, na nárožích se tento počet zvýší na více než dvojnásobek kotvících prvků potřebných k přenesení zatížení od sání větru (14 kotev/m2), viz Obrázek 5. V oblastech s vyšší větrnou expozicí a u vyšších budov budou proto zvýšeny investiční náklady na zateplovací systém o náklady na další kotvící prvky. Při předpokladu použití hmoždinek s kovovým trnem pro kotvení izolantu o tloušťce 200 mm bude navýšení ceny přibližně o 25 Kč na 1 kotvící prvek.
Obrázek 5: Návrhové hodnoty tlaku větru (N/m2) na jednotlivé oblasti fasády s počtem kotev
na m2 na příkladu panelového domu, pohled na fasádu.
Zateplení z hlediska denního osvětlení
Panelové domy byly navrhovány s poměrně velkými odstupovými vzdálenostmi jednotlivých bloků domů. V době výstavby se neposuzovaly jednotlivé byty z hlediska úrovně denního osvětlení, ale byly použity unifikované panelové soustavy včetně standardních odstupových vzdáleností, které byly navrženy v závislosti na výšce okolních objektů. Okna většiny panelových domů byla poměrně velká a stínící konstrukce lodžií nebyla větší než 1,2 m. Současná úroveň denního osvětlení místností panelových domů je zpravidla vyšší, než jsou normové požadavky.
Z hlediska úrovně denního osvětlení se místnosti posuzují podle ČSN 73 0580-1 Denní osvětlení budov - Základní požadavky [6] a ČSN 73 0580-2 - Denní osvětlení obytných budov [7]. V těchto normových postupech je pro hodnocení kvantity denního osvětlení budov zjišťována veličina činitele denní osvětlenosti D (%), který musí nabývat minimální hodnoty Dmin = 0,7 % ve dvou kontrolních bodech umístěných v polovině hloubky místnosti, ale nejdále 3 m od okna, vzdálených 1 m od vnitřních povrchů bočních stěn [7]. Zároveň má být splněn požadavek průměrné hodnoty činitele denní osvětlenosti z obou těchto bodů Dm1/2 = 0,9 %.
Za účelem ověření dodržení požadavků na činitel denní osvětlenosti byl vytvořen model kritické místnosti obývacího pokoje v 1. NP panelového domu se 7 NP orientované na sever. Odstupová vzdálenost protilehlého domu je 30 m. Základní model stínění tvoří boční hrana sousedního pokoje, která je zároveň boční stěnou lodžie, a horní stropní deska lodžie ve 2. NP. Tato modelová místnost byla posouzena bez stínění a se stíněním protilehlou souvislou zástavbou panelových domů o výšce 7 NP. Tyto dvě varianty byly následně posouzeny bez zateplovacího systému a se zateplovacím systémem o tloušťce 100 a 200 mm. Hodnocená modelová místnost má hloubku 4,6 m a šířku 3,7 m. Osvětlovací otvory tvoří sestava lodžiových dveří s oknem velikosti 0,9 x 2,3 m + 1,6 x 1,5 m. Světlá výška místnosti je 2,6 m.
Na následujícím obrázku jsou porovnány výsledky výpočtu pro variantu s protilehlým stíněním bez zateplovacího systému a se zateplovacím systémem o tloušťce 200 mm, viz Obrázek 6. Dá se předpokládat, že tloušťka zateplovacího systému 200 mm na stěnách lodžií nebude běžně používána, aby nebyla příliš snížena užitná plocha lodžie. Vyhovující stav denního osvětlení je zachován i pro případ této extrémní tloušťky zateplovacího systému, a proto bude vyhovující i pro jakoukoliv menší tloušťku izolace. Snížení úrovně denního osvětlení vlivem zateplovacího systému je cca 7-20 % v případě bez okolního stínění a 7-26 % v případě uvažování protilehlé stínící zástavby.
Obrázek 6: Hodnoty činitele denní osvětlenosti varianty bez zateplení a se zateplením
tl. 200 mm se stíněním protilehlým objektem
Závěr
V kontaktních zateplovacích systémech panelových domů se jako tepelně-izolační materiál nejčastěji používá minerální vata a expandovaný polystyren. Aby bylo dosaženo současných doporučených hodnot na součinitel prostupu tepla obvodovou konstrukcí, je nutné použít minimální tloušťku izolačního materiálu v rozmezí 9-14 cm v závislosti na typu konstrukce a panelové soustavě.
Optimální tloušťka tepelné izolace z ekonomického hlediska byla hodnocena dle ukazatele NPV a je závislá na tepelně-technickém stavu původní konstrukce, ceně energie, ceně kompletního zateplovacího systému a aditivních nákladech při použití druhé vrstvy izolantu. Jako nejvýhodnější se z ekonomického hlediska jeví tloušťka zateplovacího systému v rozmezí 12 - 20 cm. Investice do zateplení u objektů vytápěných levnějším teplem a při lepších vlastnostech původní zateplované konstrukce mají horší výsledky ekonomického hodnocení. V oblastech, kde je vyšší cena energie (1000 Kč/GJ), je výhodnější používat zateplovací systémy o větší tloušťce, než v oblastech s nižší cenou energie. Jelikož ceny energií stále stoupají, je vhodné myslet na budoucnost a investovat do větších tlouštěk zateplovacích systémů již nyní.
Ukazatelem pro hodnocení dopadu aplikace zateplovacího systému na životní prostředí je návratnost svázaných emisí CO2 v materiálu tepelných izolací, která se liší podle druhu izolačního materiálu a druhu paliva použitého k vytápění panelového domu. Z hlediska dopadu na životní prostředí je na panelové domy výhodné aplikovat jakoukoliv tloušťku izolačního materiálu, protože návratnost svázaných emisí CO2 v materiálu tepelných izolací je ve všech posuzovaných případech nižší než životnost izolačního materiálu.
Pro případ místnosti umístěné v 1. NP sedmipodlažního panelového domu orientované na sever a stíněné protilehlým objektem byla provedena studie denního osvětlení při uvažované tloušťce zateplovacího systému 20 cm. Jelikož výsledky studie prokázaly, že požadavky na denní osvětlení jsou splněny pro tento případ extrémně stíněné místnosti, lze konstatovat, že při této tloušťce izolantu budou v naprosté většině případů zachovány požadavky na denní osvětlení.
Článek vznikl jako výstup výzkumného projektu VAV-SP-3g5-221-07 - Komplexní rekonstrukce panelových domů v nízkoenergetickém standardu.
[1] Základní přehled tepelně izolačních materiálů, dostupné z http://istavitel.cz.
[2] ČSN 73 0802. Požární bezpečnost staveb - Nevýrobní objekty. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, meteorologii a státní zkušebnictví, 2009.
[3] ČSN 73 0540-2:2007. Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, meteorologii a státní zkušebnictví, 2005.
[4] ČSN 73 0540-3. Tepelná ochrana budov - Část 3: Návrhové hodnoty veličin. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, meteorologii a státní zkušebnictví, 2007.
[5] ČSN EN 1991-1-4 (720035). Zatížení větrem. Praha: Český normalizační institut, 2007.
[6] ČSN 73 0580-1:2007. Denní osvětlení budov - Část 1: Základní požadavky. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, meteorologii a státní zkušebnictví, 2007.
[7] ČSN 73 0580-2:2007. Denní osvětlení budov - Část 2: Denní osvětlení obytných budov. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, meteorologii a státní zkušebnictví, 2007.
[8] Doc. Ing. J. Řehánek, DrSc., Ing. V. Valenta, kolektiv: 4xE o tepelné izolaci budov. 1.vyd. Praha: CKAIT-CEA, 2004. 252 s. ISBN 80-86769-25-9.
Thermal properties of enclosure walls have considerable impact on energy consumption of block of flats. Nowadays the proposal of insulation thickness in thermal insulation composite systems is often underestimated. This article is focused on proposal of optimal thermal insulation thickness in light of economy and energy performance.
