Tepelný odpor konstrukce nerozhoduje?

Tepelný odpor či součinitel prostupu tepla není, možná, jediným rozhodujícím kritériem pro pokrytí potřeby tepla na vytápění neprůsvitnými konstrukcemi. K tomuto překvapivému závěru jsem dospěl při vyhodnocování dynamických výpočtů potřeby tepla na vytápění. V kostce lze následující článek shrnout takto: Při tepelně technických výpočtech postupujeme obvykle podle vztahů platných pro stacionární vedení tepla. Na základě těchto výpočtů pak určujeme maximální tepelné ztráty podle kterých navrhujeme otopnou soustavu. Zároveň však podle nich při použití denostupňové metody zjišťujeme, jaká je potřeba tepla za otopné období, přitom se do výpočtů obvykle nějakým způsobem zohledňují tepelné zisky z interiéru a tepelné zisky ze slunečního záření dopadajícího na prosklené konstrukce.

Akumulační vlastnosti konstrukce hrají významnou roli

Při výpočtech jsem se zaměřil na zjištění nároků na krytí potřeby tepla, které uniká neprůsvitnými konstrukcemi. Na základě uvedených výpočtů jsem zjistil, že, k mému překvapení, není jediným rozhodujícím činitelem pro potřebu tepla součinitel prostupu tepla (či tepelný odpor), ale významnou roli hraje také akumulační vlastnost konstrukce.

Tepelným ziskům neprůsvitnými konstrukcemi se věnuje malá pozornost

Při navrhování pasivních domů obvykle podléháme dojmu, že se domy budou chovat obdobně jako běžné budovy, na které jsme zvyklí, pouze se snažíme cíleným využitím solárních tepelných zisků okny, důsledným projektováním se snahou o zabránění tepelných mostů a pochopitelně velmi nízkými součiniteli prostupu tepla snížit tepelné ztráty, respektive potřebu tepla na vytápění. K tomu samozřejmě přistupují další snahy, jako je rekuperace tepla, využití vnitřních zdrojů a podobně.

Obvykle se však věnuje velmi malá pozornost tepelným ziskům neprůsvitnými konstrukcemi, neřeší se, zda je výhodnější klasická sendvičová konstrukce nebo konstrukce s odvětrávanou dutinou; přitom právě předstěna před odvětrávanou dutinou působí na stěnu stejně, jako zastínění okenních konstrukcí proti přehřívání v letním období.

Je samozřejmé, že čím je vyšší tepelný odpor, tím jsou tepelné zisky netransparentními konstrukcemi nižší, neboť tepelné zisky jsou tepelný tok, který vzniká osluněním sluncem na straně exteriéru a teplotou v interiéru, popřípadě osluněním dochází ke snížení tepelného toku z interiéru do exteriéru. Směr tepelného toku je dán konkrétními povrchovými teplotami.

Významem tohoto tepelného toku na bilanci energie se budu věnovat v dalších částech tohoto příspěvku.

Podmínky simulace - konkrétní klimatická data

Pro simulaci byla zvolena konkrétní klimatická data z jednoho roku, tedy průběh teplot v zimním období i sluneční svit v tomto období.

Zároveň pro porovnání byl zvolen objekt o 2 podlažích, každé 5 místnostech, přičemž 4 místnosti byly orientovány každá k jedné světové straně a pátá místnost byla uprostřed, tepelné ztráty zde probíhaly pouze střechou či podlahou. V místnostech nebyly simulovány žádné dveře ani okna. Všechny místnosti jsou stejně velké a není uvažováno se žádnými tepelnými mosty. Podlahová plocha místností je vždy 16 m² a plocha obvodové stěny 26 m².

Touto simulací jsou tepelné ztráty či zisky vztaženy výhradně ke konkrétní světové straně a není zde vliv výplní otvorů. Jednotlivé stěny (místnosti) lze vzájemně porovnávat, neboť jsou rozměrově shodné.

Pro tuto simulaci byly dále zvoleny různé skladby stěn, aby se zjistil vliv tepelné akumulace obvodové konstrukce na konkrétní tepelné ztráty. Výpočty byly provedeny ve třech variantách - bez vlivu oslunění, s vlivem oslunění s absorbivitou 0,1 a s vlivem oslunění s absorbivitou 0,9.

Pro simulaci byly zvoleny konkrétní konstrukce stěn, jejichž základní parametry jsou uvedeny tabulce.

Pro simulaci byla zvolena konkrétní klimatická data z jednoho roku, tedy průběh teplot v zimním období i sluneční svit v tomto období.

Pro přepočet toto období odpovídá následujícím klimatickým datům:

Tabulka použitých konstrukcí a jejich základních vlastností
Simulace byla zpracována v programu Trnsys ing. Korečkem.

Překvapivě zajímavé výsledky a několik závěrů

Výsledky výpočtů lze interpretovat mnoha různými způsoby a vyplývá z nich poměrně dost zajímavých závěrů. V tomto příspěvku se budu pro rozsah věnovat pouze simulovanému objektu jako celku. V tabulce jsou uvedeny tepelné ztráty tepla a roční potřeba tepla vč. procentuálního vyjádření pro 7 uvažovaných variant obvodových konstrukcí. Z výsledků vyplývá, že téměř bez výjimky tvoří tepelné zisky pevné procento z roční potřeby tepla, jejich velikost záleží pouze na absorbivitě povrchu. Znamená to tedy, že při zastínění budovy či při použití odvětrávané fasády se vždy zbavujeme pevného procenta tepelných zisků netransparentními konstrukcemi a to podle výše absorbivity povrchu v rozmezí od 3 do 19% z celkové potřeby tepla na vytápění.Toto jistě není zanedbatelný podíl energie.

Tabulka tepelných ztrát a potřeb tepla na vytápění celého simulovaného objektu

Pokud se zaměříme na jednotlivé údaje v těchto tabulkách, můžeme je interpretovat mnoha způsoby:

• Zastíněním objektu či fasád např. dvouplášťovou konstrukcí s odvětrávanou mezerou se připravujeme v závislosti na absorbivitě povrchu a zcela minimálně v závislosti od druhu a vlastností konstrukce o 3 až 19% energie potřebné na vytápění.
• Porovnáním konstrukce D a E, které mají téměř stejné součinitele prostupu tepla dojdeme k závěru, že zateplením minerální vlnou můžeme proti zateplené pěnového polystyrénu v tomto konkrétním případě získat 10% energie a to i u zastíněných konstrukcí.
• Porovnáním konstrukce A a E, jejichž rozdíl součinitelů prostupu tepla je 58,5% dojdeme k závěru, že stěna s akumulační hmotou má téměř stejné nároky na potřebu tepla jako stěna bez akumulace s výrazně vyšším součinitelem prostupu tepla U. U konstrukce zcela zastíněné a nebo s malou absorbivitou je to 5%, u konstrukce osluněné s vysokou absorbivitou je dokonce potřeba tepla u objektu s konstrukcí s nižším součinitelem prostupu tepla U, ale s vyšší akumulační schopností vyšší, než u konstrukce s lepším součinitelem prostupu tepla.
• Z předchozího zároveň vyplývá, že u lehkých konstrukcí je nutné mít výrazně vyšší součinitele prostupu tepla, aby bylo dosaženo stejné potřeby tepla.
• U konstrukcí s vysokou tepelnou akumulací budou mít pravděpodobně tepelné mosty procentuálně výraznější vliv na potřebu tepla, než u lehkých konstrukcí se stejnou potřebou tepla.