Součinitel prostupu tepla je veličina, která vyjadřuje schopnost stavebního materiálu či celé skladby konstrukce tepelně izolovat. Hodnota součinitele U musí být u obvodových konstrukcí domu ze zákona dodržena a slouží také k výpočtu tepelných ztrát objektu a k dimenzování otopné soustavy. Součinitel prostupu tepla určuje, k jakým tepelným ztrátám skrze danou konstrukci dochází. Označuje se velkým písmenem „U“ a jednotku má watt na metr čtvereční krát kelvin [W/m2K]. Jednotka W/m2K vyjadřuje, kolik tepelné energie ve Wattech prostupuje obvodovou konstrukcí o ploše 1 m2 při rozdílu venkovní a vnitřní teploty 1 K. Tato hodnota nám určuje celkovou výměnu tepla mezi prostory oddělenými od sebe určitou stavební konstrukcí. Čím je hodnota menší, tím lepší jsou tepelně izolační vlastnosti konstrukce.
Součinitel prostupu tepla je vhodné znát zejména u novostaveb a staveb, u nichž dochází k rekonstrukci a zateplení obálky budovy. Součinitel prostupu tepla zateplovaných konstrukcí musí dosahovat stanovených hodnot, které jsou uvedeny v normě ČSN 73 0540-2. Povinnost dosahovat požadovaných, resp. doporučených hodnot součinitele prostupu tepla vychází z vyhlášky č. 78/2013 Sb.
Výpočet prostupu tepla vícevrstvou neprůsvitnou konstrukcí umožňuje určit tepelný odpor a součinitel prostupu tepla konstrukce dle platných norem a výsledek porovnat s požadavky aktuální ČSN 73 0540-2:2011 Tepelná ochrana budov - Část 2. Výpočet je naprogramován v souladu s ČSN 73 0540-4 Tepelná ochrana budov - Část 4: Výpočtové metody a ČSN EN ISO 6946 Stavební prvky a stavební konstrukce. Do výpočtu lze zadávat konstrukce s tepelnou izolací proměnné tloušťky, konstrukce se systematickými tepelnými mosty, střechy s opačným pořadím vrstev.
Přestup tepla mezi konstrukcí a okolím
Obvodová stěna nebo střecha, která dělí teplé a studené prostředí, převede v ustáleném stavu právě tolik tepla, jaké si stačí s prostředím předat. Aby k předání došlo, musí být povrch stěny na teplé straně chladnější a povrch na studené straně teplejší, než je sousední prostředí. Tento fyzikálně nutný rozdíl teplot vedl k pojmu odpor při přestupu tepla.
Přestup tepla mezi konstrukcí a okolím je popsán v literatuře. Zavádí se součinitel přestupu tepla ve Wm-2K-1, který má sálavou složku αs a složku přestupu při proudění αk. Přestup tepla mezi vnitřním či venkovním prostředím a oddělující obvodovou konstrukcí, který se odehrává v důsledku sálání těles a proudění vzduchu, není žádný objev. Ani to, že má přestup tepla vliv na povrchové teploty, které lze principiálně počítat s pomocí formalismu tzv. odporů při přechodu tepla.
Čtěte také: Tření Mezi Betonem a Jinými Materiály
Složka přestupu tepla prouděním (αk)
Přesné určení okamžitého i průměrného součinitele αk přestupu tepla při proudění není možné, protože závisí na mnoha proměnných okolnostech, které nelze přesně sledovat, ani teoreticky ani experimentálně. Podstatná pro jeho přibližné stanovení je rychlost proudění vzduchu podél zdi. Proudění může být přirozené nebo vynucené (vítr, umělá cirkulace), laminární, turbulentní nebo smíšené; rychlost přirozeného proudění pak závisí na materiálových veličinách pro vzduch, jako součinitel tepelné vodivosti, viskozita, hustota a specifická kapacita.
Složka přestupu tepla sáláním (αs)
Co se týče součinitele prostupu tepla při sálání, literatura podává většinou jen obecné nástroje pro výpočet výměny sálavého tepla mezi tělesy. Řešit obecnou rovnici přes všechny povrchy, které se nalézají v sousedství vnitřní strany a zejména venkovní strany obvodové stěny, je technicky obtížné až neproveditelné. Je ale na místě otázka, nakolik je takové řešení nutné, když ani součinitele přestupu tepla při proudění neumíme stanovit přesně.
Hustota zářivé energie v prostoru interiéru, který je od venkovního prostoru oddělen obvodovou stěnou, odpovídá záření černého tělesa o teplotě vnitřního vzduchu a stejné teplotě povrchů vnitřních konstrukcí. Vnitřek interiéru - vzduch, stěny, strop, podlaha, nábytek a další předměty - dohromady sálají povrchu obvodové stěny (nebo oknem ven) tepelné záření o intenzitě dané Stefanovým-Boltzmannovým zákonem. Chyba, která tímto podstatným zjednodušením vznikne, je menší, než je rozdíl skutečných poměrných emisivit teplých vnitřních povrchů od jedničky vyjádřený v procentech, tedy do 10 %.
Při zatažené obloze (když teploty nejsou ovlivněny sluncem nebo v noci chladným vesmírem), jsou teploty vzduchu téměř stejné, jako teploty povrchů tepelně neaktivních útvarů a objektů v krajině (s výjimkou vodních ploch s velkou teplotní setrvačností). Rovnost povrchových teplot a teploty vzduchu ale nutně vyžaduje, aby celý venkovní prostor s atmosférou a krajinnými útvary zářil jako černé těleso (tedy s poměrnou emisivitou rovné jedné).
Na povrchu pevné látky nebo kapaliny, v níž je přítomno záření o hustotě energie, uniká rychlostí světla tepelné záření ven. Stefanův-Boltzmannův zákon udává intenzitu vyzařování z povrchu absolutně černého tělesa. Pokud těleso není absolutně černé, kde ε je poměrná emisivita tělesa, která nabývá hodnot v intervalu <0;1>. Pro leštěné kovy je poměrná emisivita pod 0,1. Nekovové materiály nebo kovy s hrubým oxidovaným povrchem mají poměrnou emisivitu většinou nad 0,9. Povrch s poměrnou emisivitou ε < 1, tzv. šedý povrch, má také nižší pohltivost, která se číselně rovná jeho emisivitě.
Čtěte také: Hodnoty součinitele prostupu tepla u cihel
Z odkazované literatury Halahya a spoluautoři uvádějí obecnou rovnici pro výpočet vzájemného sálání mezi tělesem a okolím, kterou lze na náš problém nasadit, totiž dvojný plošný integrál přes všechny povrchy v okolí sledovaného tělesa, v našem případě obvodové stěny. Řeší ji však jen pro případy výměny tepla v dutině mezi dvěma rovnoběžnými (a tedy přesně definovanými) stěnami nebo pro hypotetický případ dvou těles, z nichž jedno se nalézá uvnitř dutiny druhého.
V literatuře autor uvádí s odkazem na normu, ze které čerpal, součinitele přestupu tepla při proudění a sálání, viz tabulka 1. Pro výpočet součinitele přestupu tepla při sálání se v místnosti vyskytuje elektromagnetické záření o hustotě.
| Prostředí | Typ proudění | α [W/(m²·K)] | R [m²·K/W] |
|---|---|---|---|
| Vnitřní | Pomalé (za nábytkem/v koutě) | 4 | 0,25 |
| Vnitřní | Normální | 7,69 | 0,13 |
| Vnější | Bezvětří | 8 | 0,125 |
| Vnější | Mírný vítr | 25 | 0,04 |
Při výpočtu vnitřní povrchové teploty se v souladu s ČSN EN ISO 13788 uvažuje odpor při přestupu tepla na vnitřní straně Rsi = 0,25 m2·K/W, který odpovídá pomalejšímu proudění vzduchu v mezní vrstvě vzduchu v koutě nebo za nábytkem. Tepelný odpor z vnější strany je pochopitelně nižší, tedy Rse = 0,04 m2K/W. Tepelný odpor při přestupu tepla na vnitřní straně je dále rozdělen dle typu konstrukce.
| Materiál | Emisivita (ε) |
|---|---|
| Leštěné kovy | < 0,1 |
| Nekovové materiály / Kovy s hrubým oxidovaným povrchem | > 0,9 |
Doplněk uvedených emisivit do čísla 1 představuje (vyjma plynů) odražený podíl dopadajícího záření, tedy odrazivost. S klesající emisivitou povrchů stěn rostou odpory při přestupu tepla sáláním Rse a Rsi. To může mít význam při doplňkové pasivní ochraně proti zimním tepelných ztrátám a letním ziskům. Např. obvodová stěna s hodnotou U = 0,38 W·m-2·K-1 může a termoreflexní úpravou vnitřního povrchu obvodové stěny na εi = 0,1 docílit až U = 0,33 W·m-2·K-1.
| Us [W/(m²·K)] | Tip [°C] | Tep [°C] | Rsi [m²·K/W] | Rse [m²·K/W] | Us+s [W/(m²·K)] |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,1 | 19,7 | -14,9 | 0,18 | 0,18 | 0,09 |
| 0,3 | 19,1 | -14,6 | 0,17 | 0,17 | 0,28 |
| 0,5 | 18,4 | -14,2 | 0,16 | 0,16 | 0,46 |
| 1,0 | 16,5 | -13,0 | 0,14 | 0,14 | 0,93 |
| 2,0 | 13,0 | -10,3 | 0,10 | 0,10 | 1,84 |
| Us [W/(m²·K)] | Tip [°C] | Tep [°C] | Ri [m²·K/W] | Re [m²·K/W] | Uef [W/(m²·K)] |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,1 | 19,9 | -14,9 | 0,18 | 0,09 | 0,09 |
| 0,3 | 19,6 | -14,6 | 0,17 | 0,08 | 0,28 |
| 0,5 | 19,3 | -14,2 | 0,16 | 0,08 | 0,46 |
| 1,0 | 18,4 | -13,0 | 0,14 | 0,07 | 0,93 |
| 2,0 | 16,5 | -10,3 | 0,10 | 0,06 | 1,84 |
Výsledky podle rovnice pro stěny z tab. 3, tedy při započítání přestupu tepla při sálání i proudění jsou uvedeny v tab 4. Přitom byl zvolen součinitel přestupu tepla při proudění na vnitřním povrchu αik = 2,5 W·m-2·K-1 a součinitel přestupu tepla při proudění na venkovním povrchu αek = 8 W·m-2·K-1 , což odpovídá rychlosti proudění vzduchu 1 m/s. Pro emisivity byla zvoleny hodnoty εi = εe = 0,9.
Čtěte také: Vlastnosti betonu: Tepelná vodivost
V době, kdy se pracuje se setinami jednotek Wm-2K-1, stojí za to vědět, že obvodová stěna s naměřenou hodnotou U = 0,30 Wm-2K-1 se ve skutečnosti chová lépe, propouští jen 0,28 Wm-2K-1. A že dřevěný rám okna tloušťky 78 mm, u kterého spočítáme z tabulkových hodnot součinitele tepelné vodivosti hodnotu Uf = 2 Wm-2K-1, bude v reálné stavbě propouštět jen 1,4 Wm-2K-1. Tyto hodnoty se ještě zlepší za bezvětří. Dalšího zlepšení až o několik setin lze docílit termoreflexním povrchem.
tags: #soucinitel #prestupu #tepla #na #vnejsim #povrchu