Na energetickou náročnost budovy se klade stále větší důraz. Tvrzení, že na materiálu nezáleží, je naprostý nesmysl. Každý materiál má hodnotu tepelné vodivosti naprosto odlišnou.
Co je součinitel tepelné vodivosti?
Součinitel tepelné vodivosti λ je fyzikální veličina. Označuje se malým řeckým písmenem lambda a je klíčovým parametrem pro hodnocení tepelně izolačních vlastností materiálů ve stavebnictví. Udává schopnost stavebních materiálů vést teplo, tedy jeho teplotní vodivost. Tepelná vodivost stavebních materiálů je konstantní veličina. Je definována jako množství tepla, které musí za jednotku času projít tělesem, aby na jednotkovou délku byl jednotkový teplotní spád. Přitom se předpokládá, že teplo se šíří pouze v jednom směru, například v desce s rovnoběžnými povrchy. Tuto definici lze také vyjádřit tak, že součinitel tepelné vodivosti je výkon (tzn. teplo za jednotku času), který projde každým čtverečním metrem desky tlusté metr, jejíž jedna strana má teplotu o 1 kelvin vyšší než druhá. Základní jednotkou je Watt na metr a Kelvin (W·m⁻¹·K⁻¹). Mnohdy bývá součinitel tepelné vodivosti chybně označován jako tepelná vodivost.
Součinitel tepelné vodivosti λ pak dostanete ze vzorce:
λ = d/(tSΔT) * Q
kde:
Čtěte také: Vše o bobkovišni na živý plot
- d je tloušťka materiálu v m
- t je čas v sekundách
- ΔT je rozdíl teplot mezi oběma vodorovnými stranami
- S je plocha materiálu kolmá na tepelný tok
- Q je množství tepla, které plochami projde
Hodnota tohoto součinitele se v praxi používá pro výpočet tloušťky zateplení konstrukce, pro výpočet tepelných ztrát a určení energetické náročnosti budovy. Čím je nižší hodnota součinitele tepelné vodivosti, tím lepší je materiál jako tepelný izolant.
Rozdíly mezi součinitelem tepelné vodivosti (λ), součinitelem prostupu tepla (U) a tepelným odporem (R)
Rozdíly mezi součinitelem tepelné vodivosti (λ - lambda), součinitelem prostupu tepla (U) a tepelným odporem (R) spočívají v jejich významu, použití a vztahu k vedení tepla.
- Součinitel tepelné vodivosti (λ): Vyjadřuje schopnost jednoho konkrétního materiálu vést teplo. Vysoké hodnoty λ jsou typické pro vodiče tepla (např. kovy), zatímco nízké hodnoty mají izolanty (např. minerální vata, pěnový polystyren).
- Tepelný odpor (R): Vyjadřuje odpor proti prostupu tepla přes určitou vrstvu materiálu. Tepelný odpor R (m²·K/W) charakterizuje izolační schopnost konstrukční vrstvy o tloušťce d [m]: R = d/λ. R = R1 + R2 + R3 + ...
- Součinitel prostupu tepla (U): Vyjadřuje, kolik tepla projde konstrukcí o určité ploše při rozdílu teplot o 1 kelvin mezi vnitřním a vnějším prostředím. Jednotka W/m²K vyjadřuje, kolik tepelné energie ve Wattech prostupuje obvodovou konstrukcí o ploše 1 m² při rozdílu venkovní a vnitřní teploty 1 K. Díky hodnotě U můžeme dopředu zjistit s jakými tepelnými ztrátami můžeme počítat za použití konkrétní tloušťky materiálu. Pro výpočet hodnoty U musíme nejprve zjistit tepelný odpor konstrukce (R).
V praxi jsou všechny tyto veličiny propojené. Určitý tepelný odpor se projevuje i při površích konstrukce, na rozhraní s obklopujícím vzduchem, jako důsledek šíření tepla prouděním vzduchu a sálavé výměny tepla s obklopujícími povrchy (šíření tepla sáláním). Požadavky na izolační kvalitu konstrukcí se v průběhu let postupně zpřísňovaly.
Faktory ovlivňující součinitel tepelné vodivosti λ izolačních materiálů
Na součinitel tepelné vodivosti λ izolačních materiálů má vliv několik faktorů, které mohou hodnotu tohoto parametru zvyšovat nebo snižovat:
- Vlhkost: Přítomnost vody má mnohem vyšší tepelnou vodivost než vzduch (λ vody je cca 0,58 W·m⁻¹·K⁻¹, zatímco vzduchu cca 0,025 W·m⁻¹·K⁻¹).
- Teplota: U některých materiálů (např. pěnové izolace) hodnota λ roste s rostoucí teplotou. To znamená, že v teplejším prostředí může dojít k poklesu jejich izolačních schopností.
- Struktura materiálu: Materiály s vyšší porozitou (např. minerální vata, pěnové plasty) mají nižší hodnotu λ, protože vzduch v pórech omezuje vedení tepla.
- Tlak a hustota: S rostoucí hustotou materiálu se obvykle zvyšuje tepelná vodivost, protože se zvyšuje podíl pevné látky, která lépe vede teplo.
- Typ plynu v pórech: Materiály naplněné plyny s nízkou tepelnou vodivostí (např. argon v izolačních sklech) mají lepší izolační vlastnosti než ty s běžným vzduchem.
- Stárnutí materiálu: Některé materiály (např. izolační pěny s uzavřenými plyny) mohou stárnutím degradovat a ztrácet své izolační schopnosti.
- Směr vedení tepla: Některé materiály (např. dřevovláknité desky) mohou vykazovat rozdílné hodnoty λ v závislosti na směru vedení tepla (podél vláken vs. kolmo na vlákna).
Pórobeton a tepelná vodivost
Pórobeton dosahuje jedinečných tepelně izolačních parametrů, díky kterým mají pórobetonové stavby výbornou energetickou bilanci. Dosažení požadovaných hodnot pro nízkoenergetické či pasivní domy je velmi jednoduché. Stavba z pórobetonu je nejen snadná a rychlá, ale také umožňuje stavbu nízkoenergetických staveb.
Čtěte také: Tipy pro zdění starých cihel
Měření tepelných vlastností materiálů
Pomocí přístrojů HFM a GHP lze měřit tepelné vlastnosti tuhých stavebních materiálů a stavebních materiálů s vyšší tepelnou vodivostí (nižším tepelným odporem), jako je řezivo, sádrokarton, beton, kámen a další zděné výrobky. Tyto metody jsou standardizované zkušební techniky a jejich použití je pevně spojeno například s následujícími normami:
- ISO 8301:1991: Tepelná izolace - Stanovení tepelného odporu v ustáleném stavu a souvisejících vlastností - Přístroj pro měření tepelného toku.
- ISO 8302:1991: Tepelná izolace - Stanovení tepelného odporu v ustáleném stavu a souvisejících vlastností - Přístroj s horkou deskou.
- ASTM C518: Standardní zkušební metoda pro měření tepelného toku v ustáleném stavu a vlastností prostupu tepla pomocí přístroje s měřičem tepelného toku.
- ASTM C177: Standardní zkušební metoda pro měření tepelného toku v ustáleném stavu a vlastností tepelného prostupu pomocí přístroje s horkou deskou s ochranou.
- DIN EN 12667/12939:2001: Tepelné vlastnosti stavebních materiálů a výrobků - Stanovení tepelného odporu metodou hlídané horké desky a měřičem tepelného toku - (tlusté) výrobky s vysokým a středním tepelným odporem.
Absolutní metodou GHP lze dosáhnout přesnosti ±2 %. Metoda HFM vyžaduje kalibraci přístroje. V závislosti na referenčním materiálu lze rovněž dosáhnout přesnosti ±2 %.
Manipulace s tuhými vzorky s drsným povrchem
Obě metody však mohou vyžadovat pečlivou přípravu vzorku a speciální techniky pro přesné měření povrchové teploty. Materiály jako beton mohou mít drsný povrch a příprava tepelně silně rovných a rovnoběžných povrchů může být obtížná. V důsledku toho může být v případných vzduchových mezerách mezi deskami přístroje a povrchem vzorku přítomen významný tepelný odpor rozhraní (pokles teploty). Pokud se tento tepelný odpor stane významným ve srovnání s tepelným odporem vzorku, nelze již teplotní čidla namontovaná v povrchu desek použít k měření teplotního rozdílu napříč vzorkem. Jednou z technik je namontovat na povrch vzorku další termočlánky malého průměru a mezi desky a povrch vzorku umístit poddajnou styčnou fólii, například silikonovou pryž.
Parametry měření a výsledky testů
V rámci studie byly tři páry betonových vzorků (305 × 305 mm a tloušťka přibližně 50 mm) testovány metodou GHP (oboustranně) a poté byl každý ze šesti vzorků testován metodou HFM. Pro každou metodu byly použity termočlánky namontované na povrchu vzorku a silikonové pryžové desky rozhraní o tloušťce přibližně 2 mm. Přístroj HFM 436 byl kalibrován pomocí desky ze skleněných vláken NIST 1450b (Standard Reference Material®) o tloušťce 25 mm. Parametry rovnováhy byly nastaveny na 1 % (hrubé) a 0,1 % (jemné). Zkoušky se prováděly při pokojové teplotě (střední teplota vzorku). Teplotní rozdíl mezi oběma deskami GHP byl přibližně 26 K s teplotním rozdílem 12 K napříč vzorkem. U HFM byl teplotní rozdíl desek přibližně 18 K s 8 K napříč vzorkem.
Tepelná vodivost 1,8 W/(m·K) pro vzorek betonu C s vyšší hustotou je podle očekávání výrazně vyšší ve srovnání s 1,2 - 1,3 W/(m·K) pro vzorky A a B. Shoda mezi metodami je poměrně dobrá, zejména s ohledem na nízký tepelný odpor vzorků a nedokonalý povrch. Průměrná hodnota tepelné vodivosti naměřená metodou HFM se u jednotlivých vzorků pohybuje v rozmezí od 4,1 % nižší do 2,4 % vyšší ve srovnání s měřením GHP u obou vzorků.
Čtěte také: OSB desky a jejich tloušťka pro podlahové aplikace
Výsledky jsou uvedeny v tabulce 1.
Tabulka 1: Měření tepelné vodivosti betonu pomocí GHP a HFM
| Vzorek | Tloušťka (mm) | Hustota (Kg/m³) | Střední teplota (°C) | Tepelná vodivost (W/(m·K)) | Tepelný odpor (m·K/W) | Varianta |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A1, A2 (GHP) | 52.6 | 1896 | 24.1 | 1.36 | 0.0387 | |
| A1 (HFM) | 53.6 | 1897 | 23.9 | 1.38 | 0.0387 | |
| A2 (HFM) | 51.6 | 1895 | 23.9 | 1.23 | 0.0421 | |
| A1, A2 (prům., HFM) | 52.6 | 1896 | 23.9 | 1.31 | 0.0404 | -4.0% |
| B1, B2 (GHP) | 51.1 | 1909 | 25.0 | 1.27 | 0.0402 | |
| B1 (HFM) | 51.1 | 1935 | 23.9 | 1.23 | 0.0416 | |
| B2 (HFM) | 51.0 | 1882 | 24.1 | 1.21 | 0.0423 | |
| B1, B2 (prům., HFM) | 51.1 | 1909 | 24.0 | 1.22 | 0.0419 | -4.1% |
| C1, C2 (GHP) | 51.4 | 2297 | 25.2 | 1.76 | 0.0292 | |
| C1 (HFM) | 51.7 | 2298 | 23.4 | 1.92 | 0.0269 | |
| C2 (HFM) | 51.1 | 2296 | 23.8 | 1.69 | 0.0303 | |
| C1, C2 (prům., HFM) | 51.4 | 2297 | 23.6 | 1.80 | 0.0286 | 2.4% |
Poznámka: Hustota hmotnosti je definována jako poměr mezi hmotností a objemem.
Tabulka součinitelů tepelné vodivosti vybraných stavebních materiálů
Jelikož stanovení součinitele tepelné vodivosti není úplně jednoduché, níže naleznete v tabulce součinitele pro některé základní stavební materiály. Hodnoty v tabulce jsou přibližné, protože každý výrobce či typ daného výrobku má mírně odlišné hodnoty. Například hodnoty pro beton jsou značně rozličné, protože se může jednat o hutný beton, ale také o beton pilinový, struskový či keramzitový.
| Materiál | Součinitel tepelné vodivosti λ (W/mK) |
|---|---|
| Zdivo z pórobetonových tvárnic o obj.hm. suché látky 100 kg/m³ | 6,6 až 2,0 |
| Součinitel tepelné vodivosti pro stav. | 1,4 až 1,2 |
| Minerální vata | 0,04 |
| Polystyrén | 0,037 |
Upozornění: Tuto tabulku není možné brát jako závazný dokument sloužící pro stanovení vlastností konstrukcí staveb. Aktuálně platný a rozšířený přehled tepelně technických vlastností dalších materiálů je podle ČSN 73 0540, ČSN 73 0544 a ČSN 73 0549.
tags: #tepelná #propustnost #betonu