1. Tepelně technické vlastnosti =============================== 1.1 Tepelná izolace obecně -------------------------- Cílem tepelné izolace je minimalizovat spotřebe energie na vytápění. Přirozená tendence tepla je unikat do prostředí s nižší teplotou. Tepelná izolace klade odpor prostupu tepla skrz stěny objektu a zamezuje kondenzaci vodní páry ve stavebních konstrukcích. Z ekonomického hlediska je vydání do tepelné izolace jednorázové a dlouhodobě poskytuje ušetření na množství tepla potřebného k vytápění. Tepelná izolace tedy zajišťuje kromě tepelné pohody bydlení a ochrany před vlhkem také úsporu nákladů. Česká republika se dělí dle ČSN na 3 teplotní oblasti: do 600 m.n.m., 600 - 800 m.n.m. a od 800 m.n.m. Každá oblast má empiricky stanovený profil teplot a jejich průměrné hodnoty v závislosti na roční době. Objekt v zadání práce je situován v obci Karlovy Vary, pro níž je normou stanovena venkovní výpočtová teplota pro vytápěné období na -15°C. Tamější krajina je klasifikována do kategorie s intenzivními větry, což se ve výpočtu tepelných ztrát projeví jako přirážkový koeficient. Kladný vliv má naopak umístění domu mezi zástavbou. Tepelně technické vlasnosti materiálu vyjadřuje tzv. součinitel tepelné vodivosti (lambda), což je tepelný výkon odvedený částí stěny o ploše 1 m^2 a síle 1 m při teplotním rozdílu jejích stran 1 K (1°C). Pro běžné teploty se závislost výkonu na velikosti a rozdílu teplot aproximuje lineárním průběhem a součinitel tepelné vodivosti je pak konstanta úměrnosti mezi těmito veličinami, čemuž odpovídá i jednotka W/(m*K). Víme, že materiály jako beton, kámen a jiné hutné, těžké materiály teplo izolují špatně a naopak lehké a pórovité izolují lépe a použivají se tudíž jako tepelné izolanty. Reálné stavební prvky mohou mít více vrstem z různých materiálů s různým lambda a očekává se platnost výše zmíněné lineární závislosti po jednotlivých vrstvách. Materiálové konstanty (i lambda) pro běžné materiály jsou zaznamenány ve stavebních tabulkách. 1.2 Tepelně namáhané části objektu ---------------------------------- Nosná konstrukce objektu (např. zdivo) je využita k akumulaci tepla získaného vytápěním. Čím větší je měrná tepelná kapacita použitého materiálu, tím je větší jeho tepelná setrvačnost - déle udrží teplo při výpadku vytápění, avšak je požadována delší doba na zátop. Těžké zdivo nebo kámen proto nejsou z tohoto hlediska vhodné jako nosná konstrukce např. pro rekreační chaty, kde jsou v zimním období předpokládány časté zátopy. Objekt v zadání práce je rodinný dům, u kterého se předpokládá jeho trvalé obývání i vytápění v zimním období a zdivo je tak obecně vhodnou volbou pro nosou konstrukci. Tepelně nejvíc namáhanými částmi objektu jsou, kromě vlastní izolace, spodní stavba, okna, dveře a jejich překlady. Únik tepla okny a dveřmi bývá u starších staveb 30 - 40 % celkových tepelných ztrát, a proto se dnes výrobci snaží vyrábět čím dál méně tepelně propustné skelní výplně. Nemalý vliv zde hraje i profil okna, materiál rámu a těsnící prvky. Okna a dveře musejí být dobře izolovány, aby nevznikaly tepelné mosty - cesty kladoucí malý odpor prostupu tepla, s velkým teplotním spádem, které se výraznou částí podílejí na celkových tepelných ztrátách budovy. Dále zapřičiňují také posun rosného bodu v konstrukci směrem k interiéru a vytvářejí tak nebezpečí kondenzace vodních par - výskyt vlhkosti a plísní. Uvažovaný objekt je vybaven dřevěnými dvěrmi a zdvojenými okny s tepelnou vodivostí 1,4 W/(m^2*K) a Součinitelem spárové průvzdušnosti 1,2 * 10^-4 m^-2*s^-1*Pa^-0,67. Tyto hodnoty jsou z běžně dostupných typů oken jedny z nejlepších. Tepelná izolace oken a dveří je tedy dobrá, avšak infiltrace studeného vzduchu ve spárách je jev, který se vyskytuje u všech typů oken a ve výpočtu je uvažována. Konstrukcemi, které zhruba z 25 - 30 % ovlivňují celkovou potřebu tepla na vytápění budov, jsou obvodové stěny. Obvodové zdivo uvažovaného objektu je postaveno z cihelných bloků Porotherm 36,5 P+D. Porotherm je jeden z nejžádanějších materiálů a tepelné vyhovujících dle normy. Aby se dále zamezilo úniku tepla z interiéru do exteriéru, jsou stěny zatepleny materiálem s dobrými tepelně izolačnimi vlasnostmi, avšak již bez nároků na jeho pevnost (není nosný). Tento materiál se umisťuje na vnější stranu konstrukce, což má za následek posun rosného bodu k vnější straně nosného materiálu zvýšením jeho průměrné teploty. Zde se jedná o pěnový polystyren o tloušťce 10 cm, s čímž bylo počítano při výpočtu. Expandovaný pěnový polystyren má dlouhodobě malou nasákavost a vynikající termoizolační vlasnosti. Dále je velice odolný proti různým chemikáliím a má nízkou objemovou hmotnost. Hustota polystyrenu však nebyla zadána a počítalo se tedy s nejběžnéjším typem se součinitelem vodivostí 0,044 W/(m*K). 1.3 Podlaha, strop a větrání ----------------------------- Podlahy v přizemí jsou zatepleny polystyren o tloušťce 8 cm. Podlahy v 1. patře nejsou vystaveny teplotnímu gradientu a tudíž jejich zateplení nemá ve zjednodušeném modelu vliv na celkové tepelné ztráty. Strop vytápěného prostoru a střecha jsou zatepleny minerální vlnou Orsil o tloušťce 18 cm, jejíž tepelná vodivost, odečtená z tabulek, je 0,22 W/(m^2*K). Přesný typ vlny nebyl zadán, a proto bylo počítáno s typem N, který se používá ve střešní izolaci. Minerální vlna má obecně velmi dobré tepelné i akustické izolační vlastnosti, vysokou požární odolnost a nízký difúzní odpor (pára, dým). Je vhodná zvlášť pro izolaci krovu. Pro účely výpočtu byla geometrie střechy aproximována sedlovou střechou o sklonu s ekvivalentní plochou (cca 25°), to platí i pro střechu nad vchodovou místností. Minimální množství větracího vzduchu na osobu stanovené na základě produkce oxidu uhličitého je 15 - 25 kubických metrů za hodinu. Pro dosažení tepelně vlhkostní pohody je to ješte o cca 5 m^3 více. Množství větracího vzduchu je stanoveno rekuperací tepla - násobností výměny vzduchu v místnosti. V souladu s požadavky norem by se výměna vzduchu měla pohybovat v rozmezí 0,3 až 0,6 objemu místnosti za hod., v závislosti na využití prostor, prováděné činnosti atd. Uvažovaný dům je pro 4 osoby poměrně velký a proto množství větracího vzduchu stanoene´na základě potřeb vztažených k počtu osob (zde 4) je menší než množství stanovené na základě požadavku na min. rekuperaci tepla. Intenzita výměny tepla byla poměrně k počtu, velikosti a typu místností a vůči normou doporučeným hodnotám pro jednotlivé typy místností stanovena na 0,4 násobek objemu za hodinu. Přepočtem na objem obdržíme minimální množství vzduchu, které je nutné v čase ohřát vytápěním na pokojovou teplotu. Na konci výpočtu se však ukázalo, že infiltrace vzduchu generuje o cca 45 % větší množství vniklého vzduchu a proto je jako větrání uvažována tato složka (větší z nich). 2. Výpočet tepelných ztrát objektu ================================== 2.1 Popis výpočtu ----------------- Výpočet celkových tepelných ztrát byl proveden dle ČSN 06 0210. Pro vlastní výpočet byla použita webová pomůcka řešící lineární rovnice dílčích ztrát pro jednotlivé části domu. Těmi byli stěny, jejichž plocha byla snížena o okna a dveře, dále pak samotná okna a dveře, podlahy a stropy/střechy. Celá budova byla pomyslně rozdělena na 3 segmenty pro usnadnění modelování - střed domu, vchodovou místnost a dolní obytná místnost vyčnívající z půdorysu středu. Z přiložené technické dokumentace vyplývalo, že vstupní místnost nebyla postavena ze stejných bloků jako zbytek domu. Usoudili jsme tak na základě jiné šířky stěny. Jelikož nebyla tato skutečnost zmíněna v zadání, dle rozdílu šířky jsme odhadli, že použitým materiálem zde bude Porotherm 30, což bylo ve výpočtu zohledněno. K domu přilehlá garáž není dle zadání vytápěna a ve výpočtu ji zanedbáváme. Vlastní výpočet je organizován v tabulce. V první sekci "Lokalita a vlastnosti budovy" se na základě polohy a umístění budovy stanoví venkovní výpočtová teplota vnějších stěn. Charakteristické čislo budovy B a přirážku na urychlení zátopu nebudeme potřebovat. Pro výpočet ztrát používáme obálkovou metodu s níže definovanými parametry a tudíž první část druhé sekce určuje další vlastnosti budovy, zejm. vnitřní pokojovou teplotu, kterou jsme nastavili na 20°C. Venkovní teplota odpovídá 1. sekci. Orientaci nepoužijeme, neboť se jedná o celý dům a počet těsných oken dveříme bude 0, protože pro všechny chceme počítat ztráty. Kromě počítaného vytápění v objektu není žádný jiný zdroj tepla a tepelný zisk je tedy 0. Druhá část obsahuje rozměry budovy, odečtené z k zadání přiložených výkresů, které jsou použity při výpočtu měrných parametrů (např. ztráty na jednotku objemu). Vypočtená plocha obálkových konstrukcí a sečtená plocha všech obálkových konstrukcí se poněkud liší - o navýšení plochy sedlovitostí střechy a místnosti vyčnívající z půdorysu středu domu. Třetí, malá část této sekce výpočtu kvantizuje větrací vzduch. Lze počítat buď podle intenzity výměny nebo podle objemového průtoku. Byl preferován výpočet množství větracího vzduchu podle doporučené intenzity výměny, protože díky výše zmíněnému faktu vychází o něco větší než pro doporučený průtok v závislosti na počtu osob. Poslední definiční částí výpočtu jsou "Parametry obálkové konstrukce". Zde vystupují všechny vnější stěny (s okny a dveřmi), podlahy a stropy/střechy budovy. Typ konstrukce je stěna venkovní (SO), okno zdvojené (OZ), dveře venkovní (DO), podlaha (PDL) nebo střecha/strop (STR). Podlahy, stropy a střechy vystupují ve stejné roli. Stěny mají celkovou plochu sníženou o plochu bezprostředně následujících položek typu okno nebo dveře. Venkovní teplota te všech ochlazovaných částí domu je stejná, měrná tepelná vodivost U a rozměry jsou vyplněny dle technické specifikace objektu. Taktéž parametry inflitrace pro okna a dveře. Ve sloupci Q0 jsou vypočteny dílčí ztráty všech obálek. Obálky jsou definovány v pořadí: obvodové stěny středu domu (zmenšené o vnitřní stěny mezi středem a zbytkem domu + všechna okna), kompenzace stěny nad vyčnívající místností (+ okna), obvodové stěny vyčnívající místnosti (+ okna), obvodové stěny vchodové místnosti (+ okna, dveře), podlahy těchto 3 segmentů v tomtéž pořadí, stropy/střechy (s plošnou kompenzací sklonu) v tomtéž pořadí. 2.2 Výsledky a tabulka výpočtu ------------------------------ Výsledky výpočtu vidíme v následujících rubrikách. Část "Tepelná ztráta prostupem" udává součet všech ztrát prostupem pro obálky a průměrný součinitel prostupu tepla, což je ekvivalent vztažený k ploše obálek a charakterizuje tak tepelnou izolaci budovy jako celku. První přirážka jde na vyrovnání vlivu chladných konstrukcí a je určena empiricky. Další přirážky nejsou použity (přirážka na urychlení zátopu a za světovou stranu). Absolutní hodnotu celkové tepelné ztráty prostupem udává poslední řádek. Vpravo jsou uvedeny výsledky tepelné ztráty větráním/inflitrací. Zde je patrný výše zmíněný fakt o nerovnosti mezi ztrátou inflitrací a větracím vzduchem. Do celkových tepelných ztrát se tedy započítá ztráta inflitrací. Vypočtená intenzita výměny vzduchu je ekvivalentem větracího vzduchu o objemu propušténém inflitrací. Hodnota 0,58 je ještě o 16 % nad hodnotou pohody pro obývací pokoje, ale není ani příliš vysoká, aby inflitrace způsobovala příliš velký podíl na celkových ztrátách. Zde představuje necelou třetinu ztrát. V poslední části je uvedena vypočítaná celková tepelná ztráta budovy, která činí 12,6 kW. To je množství tepla za jednotku času, které bude třeba dodávat pro udržení konstantní pokojové teploty. Měrná tepelná ztráta místnoti je vztažená k vytápěnému objemu a vychází 21 W/m^3. Referenční hodnota pro dvoupodlažní rodinný domek do 1000 m^3 zastavěného prostoru v období od r. 2000 je 27 W/m^3. Máme tedy z technického hlediska o cca 20 % tepelně úspornější dům než je průměr. Zdroje ====== www.tzb-info.cz - Tabulky a výpočty: Výpočet tepelné ztráty objektu dle ČSN 06 0210 Součinitel prostupu tepla a součinitel spárové průvzdušnosti oken a dveří dle ČSN 73 0540 Prostup tepla vícevrstvou konstrukcí a průběh teplot v konstrukci Měrné tepelné ztráty objektů Přepočet veličin při prostupu tepla (U, R) Hodnoty fyzikálních veličin vybraných stavebních Normové hodnoty spotřeby energie na vytápění Porovnání nákladů na vytápění podle druhu paliva www.energ.cz - Popis a vlastnosti tepelných čerpadel