Při výběru vhodného řešení zateplení je nutné zohlednit nejenom výši vstupní investice, ale také náklady na vytápění řešené budovy. Aby byla zateplená konstrukce domu vyhovující z pohledu technické normy ČSN 73 0540-2, je potřeba konstrukci zateplit alespoň na požadovaný součinitel prostupu tepla konstrukcí UN. Součinitel prostupu tepla se liší dle konstrukce.
Stanovení tloušťky tepelné izolace
Tloušťka tepelné izolace je volena na základě požadavků technických norem a na požadavcích investora. Tloušťka tepelné izolace se odvíjí především od navržené skladby stávající konstrukce. Skladba stávající konstrukce výrazně ovlivňuje tloušťku navrhované tepelné izolace. Moderní keramické tvárnice mají nižší součinitel tepelné vodivosti, tedy lepší tepelný odpor a prostupuje nimi méně tepla než klasickými plnými cihlami. Tloušťku tepelné izolace je možné určit dvěma způsoby: jednodušším způsobem dle tabulky nebo optimalizačním výpočtem.
Při nižších hodnotách součinitele tepelné vodivosti λ (u rozvodů menší nebo roven 0,045 W / m K při teplotě 0 °C), lze tloušťku izolace stanovit optimalizačním výpočtem. Program pro výpočet tepelných ztrát a určení optimální tloušťky izolace najdete na stránkách některých dodavatelů izolací. Tloušťka tepelné izolace se mnohdy podceňuje a docílení nejnižších cen izolačního materiálu na českém trhu se stává trendem současnosti. Výsledek, který od izolace očekáváte, končí bez efektu, pokud jako samostavitel zvolíte cestu zateplování pouhým odhadem a materiál k zateplení pouze podle nejakčnější ceny na trhu.
Cílem každé tepelné izolace je správně izolovat a udržet teplo, což se často podceňuje. Proto v případě, že se do novostavby nebo při dílčí rekonstrukci použije menší tloušťka tepelné izolace, než je požadovaná, dochází k nadměrným tepelným ztrátám a ve většině stavebních konstrukcí i ke kondenzaci vodní páry, následnému rosení, tvorbě plísní apod.
Výpočet tloušťky tepelné izolace
Tloušťku tepelné izolace lze spočítat jednoduchým způsobem. Nejprve je nutné zjistit rozdíl hodnot tepelného odporu R stávající konstrukce a tepelného odporu vycházejícího z požadované, resp. doporučené hodnoty součinitele U, dané technickou normou. Následně je třeba vybrat tepelnou izolaci, kterou budeme zateplovat obvodové konstrukce. Nejrozšířenější je pěnový polystyren, šedý expandovaný polystyren a minerální vata.
Čtěte také: Vše o střechách v Karlovarském kraji
Sečteno podtrženo, po výběru ideálního materiálu k izolaci a určení konstrukce skladby, kterou budete zateplovat, je hlavním ukazatelem pro výpočet ideální tloušťky izolace součinitel tepelné vodivosti neboli lambda (λ) s jednotkou W/mK. Výsledná hodnota je minimální tloušťka tepelné izolace v metrech.
Požadované a doporučené součinitele prostupu tepla U pro vybrané konstrukce
Výčet několika základních konstrukcí s požadovanými a doporučenými součiniteli je uveden níže v tabulce:
| Konstrukce | Požadovaná hodnota U [W/m²K] | Doporučená hodnota U [W/m²K] |
|---|---|---|
| Obvodové stěny | 0,30 | 0,20 |
| Střechy ploché a šikmé | 0,24 | 0,16 |
| Podlahy na terénu | 0,30 | 0,20 |
Online nástroje pro návrh tloušťky izolace
Pro výpočet tloušťky izolace pro šikmou střechu existují online kalkulačky, které zodpoví otázku, jak velkou tloušťku izolace zvolit mezi a pod krokvemi. Ukáže vám orientační tloušťky pro doporučené hodnoty součinitele prostupu tepla U, včetně tlouštěk doporučovaných pro pasivní standard domu. Tyto kalkulátory berou v potaz další parametry šikmé střechy, jako je například výška a šířka krokví nebo vzdálenost mezi nimi. Můžete si zvolit izolaci s větranou nebo nevětranou mezerou.
Pokud si nechcete tvořit vlastní excel, je na internetu spousta webů, které vám usnadní práci. Příkladem je TZB-info / Tabulky a výpočty / Online návrh tloušťky izolace obvodové stěny domu. Online výpočet umožňuje zjednodušeně posoudit soulad tepelných vlastností izolované obvodové stěny s normou ČSN 73 0540-2:2011. Stačí zadat typ izolace a výpočet vygeneruje tabulku, která zobrazí minimální potřebnou tloušťku izolace pro splnění požadavků normy. Ušetřete čas a zjistěte optimální řešení pro energeticky úspornou stavbu!
Tepelná ztráta potrubí kruhového průřezu
Tepelná ztráta potrubí kruhového průřezu je způsobena vedením tepla jednotlivými vrstvami potrubí a přestupem tepla do okolního prostředí. Součinitel přestupu tepla αi mezi médiem a vnitřním povrchem trubky se může při běžných výpočtech zanedbat, protože tepelný odpor při tomto přestupu tepla je relativně malý. Hodnota součinitele přestupu tepla αe mezi povrchem potrubí a okolního vzduchu se mění v závislosti na hustotě, tepelné vodivosti, měrné tepelné kapacitě okolního vzduchu, na typu proudění apod. Vzhledem k tomu, že se jedná o komplikovaný výpočet, můžeme pro přibližné výpočty tepelné ztráty potrubí uvažovat hodnotu cca 10 W / m²K.
Čtěte také: Podrobný průvodce vazníkovými konstrukcemi
Výpočet tloušťky izolace pro potrubí
Když se dělá projekt, většinou se tloušťka izolace nepočítá a prostě se vezme to, co se v továrně historicky používá, nebo co stanoví provoz, takže není nutné tloušťku izolace znovu počítat. Ale kdybychom to přeci jen chtěli nebo potřebovali, jak na to? Předně záleží, k čemu by izolace měla sloužit. Podle toho rozlišujeme izolaci proti zamrznutí, proti kondenzaci, pro ochranu osob a v neposlední řadě izolaci proti ztrátě tepla. Použití izolace nám určí základní předpoklady.
Pro první tři použití, tzn. zamrznutí, kondenzaci a ochranu osob si určíme okrajovou podmínku, kterou dosadíme do rovnice a výsledná tloušťka izolace bude "větší, rovno". U izolace proti ztrátě tepla je postup trošku složitější a pro tento typ neexistuje jediný správný výsledek, ale vždy je potřeba podívat se na ekonomickou stránku věci a porovnat si cenu izolace s cenou výroby tepla.
Pro určení správné tloušťky izolace je proto potřeba spolupráce mezi projektantem a zákazníkem, protože projektant nemůže vědět, kolik za teplo zákazník platí. Stacionární ztráta tepla v trubce - tloušťku izolace vypočítáme z rovnic pro prostup tepla z trubky do okolí. Prostup tepla probíhá několika mechanismy: prouděním tj. z kapaliny do trubky a z povrchu izolace do okolí; vedením tj. uvnitř materiálu trubky a izolace; a nakonec zářením z povrchu izolace do okolí. Prostup tepla zářením můžeme u výpočtu izolace zanedbat, protože závisí na rozdílu teplot na čtvrtou mocninu a oplechování izolace má schválně malou emisivitu.
Základním předpokladem při výpočtu prostupu tepla je, že tepelný tok, který projde přes rozhraní kapalina/trubka, je stejný jako teplo, které projde rozhraním trubka/izolace resp. izolace/vzduch ... a to se rovná celkovému tepelnému toku. Tepelný tok je konstantní. Jako mnoho jiných jevů v přírodě, i zde můžeme najít analogii a říci, že prostup tepla více vrstvami se podobá průtoku elektrického proudu sériově řazenými odpory. Rozdíl potenciálů nám tu nahrazuje rozdíl teplot. Součet rozdílů teplot na jednotlivých "rezistorech" se rovná celkovému rozdílu teplot. Poslední, co nám zbývá, je výpočet tepelných odporů, resp. součinitelů přestupu tepla, které jsou jejich převrácené hodnoty. Z nich poté spočteme celkový součinitel prostupu tepla a máme vyhráno.
Na začátku výpočtu známe teplotu uvnitř, venku, vlastnosti látek a materiálů. Nejtěžší částí výpočtu je tak spočítat odpory jednotlivých vrstev a ty sečíst, abychom dostali celkový odpor a byli schopni dopočítat tepelný tok. Z toho už jsme schopni dopočítat všechno zbylé.
Čtěte také: Skatepark pro všechny jezdce v Plzni
Proudění (konvekce)
Součinitel prostupu tepla při proudění je komplexnější problém, při proudění trubkou se dají využít např. podobnostní čísla - Nusseltovo, Reynoldsovo a Prandtlovo. Z Re, Pr a empirického vzorce pro výpočet Nu (na internetu jich je spousta, pro různé druhy proudění) spočteme Nu a ze vzorce pro výpočet Nu dopočítáme alfa. Tepelný odpor je poté 1/alfa. Pokud se někomu nechce počítat, dá se vycházet z nomogramů a tabulek. Doporučuji hledat, ty internety jsou toho dneska plné.
Vedení (kondukce)
Prostup tepla vedením - kondukcí se uplatňuje v pevných látkách a tepelný tok je přímo úměrný ploše, kterou teplo prostupuje, rozdílu teplot a součiniteli tepelné vodivosti, a nepřímo úměrný tloušťce materiálu. V tomhle vzorečku nám vlastně hraje roli ona tloušťka izolace, kterou hledáme. Součinitel tepelné vodivosti materiálu je konstanta, která se dá snadno dohledat pro kovy i izolace a jeho převrácená hodnota nám dá dílčí odpor prostupu tepla. Tento součinitel závisí také na teplotě daného materiálu, a to tak, že lambda materiálu trubky je ve výpočtu uvažována jako konstanta, lambda materiálu tepelné izolace je vypočtena z rovnice teplotní závislosti daného materiálu a součinitele při teplotě 0 °C.
Uvažovaná teplota, pro kterou je lambda vypočtena, je teplota uprostřed izolační vrstvy. Tato teplota je aritmetickým průměrem teploty média a teploty na povrchu izolace. Z důvodu zjednodušení stačí, když výpočet probíhá pouze 2x. Při první iteraci je vypočtena povrchová teplota, z lambdy při teplotě 0 °C a při druhém průběhu již výpočet uvažuje lambdu při teplotě uprostřed izolační vrstvy. Pokud není výrobcem tepelné izolace stanovena jiná teplotní závislost, uvažujeme teplotní závislost součinitele tepelné vodivosti jako λ(t) = λ0 (1 + 0.0025 . t). Zadáte-li vlastní součinitel tepelné vodivosti materiálu izolace, potom již nedochází k jeho přepočítání podle střední teploty a výpočet proběhne pouze jednou.
Celkový součinitel prostupu tepla
Pokud máme spočtené tepelné odpory jednotlivých vrstev, ty už nám stačí jen sečíst a převrácená hodnota součtu je celkový součinitel prostupu tepla U... 1/U = R = R1+R2+...+Rn. Bohužel u trubky to není všechno, čeká nás ještě jedna zákeřnost a to ta, že plocha, přes kterou teplo prochází je oproti rovné stěně vždy jiná a se zvětšující vzdáleností od středu trubky se zvětšuje. Tepelné odpory je potřeba tedy vždy vztáhnout k jedné ploše a ostatní se tím musejí dělit.
Poté, co máte celkový součinitel, můžete už dopočítat všechny zbylé hodnoty, vždy už jen záleží, co potřebujete dopočítat. Pokud vás zajímá např. ekonomická tloušťka izolace, je potřeba porovnat náklady na teplo s náklady na zaizolování při různých tloušťkách. Pokud ochrana lidí před dotykem horkých částí, dopočtete teplotu na povrchu. Pokud ochrana proti kondenzaci, počítáte teplotu na vnitřní straně trubky.
Pozor snad jen na dva případy a to, když budete počítat např. teplotu na konci dlouhé trubky...je potřeba si uvědomit, že rozdíl teplot není konstantní a se vzdáleností se rozdíl teplot snižuje a ztráty se postupně zmenšují... Správně by se mělo integrovat po celé délce trubky...jednoduše to jde např. v excelu, kdy si spočtete tepelnou ztrátu na metr trubky a kalorimetrickou rovnicí zjistíte výslednou teplotu...do dalšího řádku budete pak s touto teplotou vstupovat jako počáteční... Druhým případem je pokles teploty v trubce se stojícím médiem...nejedná se pak o stacionární případ, ale řešení bude podobné jako v předchozím...zjistíte si pokles teploty např. za vteřinu/minutu/hodinu a dál pokračujete s nově vypočtenou hodnotou. Vlastně tím v excelu provádíte numerickou integraci.
Ekonomická tloušťka tepelné izolace
Naopak nadměrnou tloušťkou tepelné izolace lze docílit toho, že investice nebude tak výhodná vzhledem k prodlužující se době návratnosti. U izolace proti ztrátě tepla je postup trošku složitější a pro tento typ neexistuje jediný správný výsledek, ale vždy je potřeba podívat se na ekonomickou stránku věci a porovnat si cenu izolace s cenou výroby tepla. Když se totiž koukneme na extrémy, tak v továrně, kde mají teplo na ohřev vody zadarmo a odběrateli (zařízení, člověku) je jedno, jakou má voda výslednou teplotu, je zbytečné jakoukoliv izolaci dávat, protože vždycky na tom bude ekonomicky zaizolování hůř než ohřev...a to, jestli má na konci voda o 10 nebo 20 °C méně zde nehraje roli. Zatímco v továrně, kde musí za ohřev platit hodně, radši investují do tlustší izolace, jejíž cena se jim vrátí na provozních nákladech. Návrh optimální tloušťky tepelné izolace má za cíl dosažení nejvyššího ekonomického efektu.
Ekonomická tloušťka izolace je definována jako tloušťka, která minimalizuje celkové náklady životního cyklu. Izolace nám přináší požadované snížení tepelných ztrát. S rostoucí tloušťkou izolace rostou náklady na její pořízení a další přidružené výdaje. Obě závislosti tedy působí protichůdně. Řešení pro optimální tloušťku izolace má dvě, možno říci, samostatné části. Jednou z nich jsou provozní náklady, které představují roční tepelné ztráty násobené cenou tepla. Cena tepla bývá jen zřídkakdy jednoznačně dána. Jinou otázkou je proměnlivost ceny tepla v čase. Pro vyčíslení tohoto vztahu vstupuje několik výrazů.
Činitel kapitálové služby se někdy označuje jako faktor anuity. Režijní a ostatní náklady. Podkladem pro výpočet ekonomické tloušťky by měla být skutečná dohodnutá cena dodávky. Mimo náklady na samotnou izolaci je třeba tuto položku zvětšit o přidružené vlivy. Je to např. nosných konstrukcí - mostů pro uložení izolace vyvolané její větší hmotností, na výkopy, případně tubusy a štoly u potrubí vedených zemí. Dalším vlivem je např. ztrát této části ztrátu na docílitelném elektrickém výkonu, jehož cena je vyšší než cena tepla. Tento vliv je tedy také třeba zahrnout do velikosti investičních nákladů. Jeho velikost je rozhodujícím způsobem závislá na životnosti izolace. Tepelná izolace má obvyklou technickou životnost 30 až 40 let a ekonomickou životnost 20 až 30 let.
Ztráty zařízení, které je izolováno, nastávají mnohem dříve, než ztratí svou schopnost provozu. Spolu s tím končí i životnost izolace. Pro určení činitele kapitálové služby je možné použít několik výpočetních přístupů. V % za rok se vztahují k investičním nákladům na izolaci. Průběhy celkových nákladů jsou naznačeny v grafu na obr 1. Obr. než v případě konstantní ceny energie. 2. Obr. zařízení zaplatit. daně, DPH. b - činitel kapitálové služby [1/rok].
Vliv tepelných mostů a vazeb
Tepelné vazby a tepelné mosty je možné přesně spočítat. Vliv tepelných mostů (např. ΣΔUtbk), vliv tepelných vazeb (např. ΣΔUtbj), vliv jiných tepelných toků (např. ΣΔU).
Normativní požadavky na tloušťku izolace
Při výpočtech návrhu tepelné izolace se počítá vždy s návrhovými součiniteli tepelné vodivosti, které popisují jejich funkčnost v zabudované konstrukci. Z návrhových hodnot tepelných izolací se tedy počítají jednotlivé konstrukce. Tloušťka izolace je přednostně podřízena technickým požadavkům jako je např. z hlediska dosažení nejvyššího ekonomického efektu, mezi oběma protichůdně působícími vlivy, resp. a provozováním tepelné izolace.
V souladu s tím vydala Státní energetická inspekce (SEI) k 31. 12. 2007 vyhlášku č. 197/2007 Sb., která stanoví tloušťku izolace pro různou odpisovou dobu. Vyhláška č. 193/2007 Sb. o technických požadavcích na stavby stanovuje minimální normové tepelné ztráty zařízení technického vybavení budov. Tím je dána minimální tloušťka izolace, než jaká by ve skutečnosti byla tloušťka ekonomická. V důsledku těchto požadavků je volba tloušťky izolace závazná. Cílem je snížení komínových exhalací a tím i znečištění životního prostředí.
tags: #navrh #tloušťky #tepelné #izolace #principy