Ve fyzice označuje tepelná vodivost schopnost daného kusu látky, konstrukce (např. zdi, izolace) vést teplo. Tepelná vodivost dané látky je charakterizována součinitelem tepelné vodivosti.
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, např. 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.
Mnoho lidí se mě ptá, co je to součinitel prostupu tepla U, tepelný odpor R nebo tepelná vodivost λ. S hodnotou U součinitele prostupu tepla úzce souvisí hodnota lambda (λ), která je mírou tepelné vodivosti. Kov je například lepším vodičem tepla než dřevo.
Stavební materiály mají velmi rozdílné hodnoty lambda - beton, který je pevný, má velmi dobrou tepelnou vodivost λ = 2,3 W/mK, a proto je pro izolaci nevhodný.
Hodnota součinitele prostupu tepla U popisuje model, kdy je uvnitř budovy teplo, například 20 °C, a venku zima, například -5 °C. Mezi interiérem a exteriérem je vnější stěna budovy. Sledování hodnoty součinitele prostupu tepla U je jednoduché a logické: je-li hodnota U vysoká - je vysoká i spotřeba energie na vytápění.
Čtěte také: Tření Mezi Betonem a Jinými Materiály
Aby bylo dosaženo co nejnižší hodnoty U, je třeba zvýšit tepelný odpor R obálky budovy - pak se spotřeba energie sníží. Toho lze dosáhnout přidáním izolační vrstvy na fasádu nebo použitím materiálu s lepšími izolačními vlastnostmi přímo při stavbě.
Tento model má však jeden háček - tzv. „hyperbolický problém“. Protože, jak víme, hodnota součinitele prostupu tepla U je matematický vzorec. V případě zateplení budovy neplatí, že zvýšení tepelné izolace o dvojnásobek sníží hodnotu součinitele prostupu tepla U na polovinu.
Jedná se o součinitel prostupu tepla, tj. rychlost, s jakou vzduch v místnosti předává teplo přes stěnu vzduchu venku na základě rozdílu teplot vzduchu. Hodnota součinitele prostupu tepla U je převrácenou hodnotou odporu prostupu tepla R. Tento tepelný odpor stěny se skládá z přechodových odporů pro vnitřní a venkovní prostředí dohromady. Samozřejmě podléhá normám DIN a je označena jako „konstantní“.
Stěna se tedy skládá z jednotlivých vrstev stavebních materiálů, které se vyznačují svou tloušťkou a tepelnou vodivostí.
V laboratořích se hodnota λ (jako stavební fyzikální veličina) měří za konstantních podmínek - v tzv. deskové komoře. Déšť, vítr a slunce vytvářejí denně se měnící podmínky, které ovlivňují plášť budovy. Navíc obyvatelé budovy dýchají, sprchují se a vaří. K tomu je třeba připočíst vliv střídání dne a noci a ročních období.
Čtěte také: Hodnoty součinitele prostupu tepla u cihel
Znepokojující však je, že navzdory tomuto zdroji údajů se stále spoléhá výhradně na izolaci. Osm centimetrů je již minulostí - normou je 16 centimetrů a prosazuje se 30 centimetrů.
Hodnota součinitele prostupu tepla U nevysvětluje, co se na těchto budovách děje. Snad vám pomůže následující odpověď: hodnota součinitele prostupu tepla U je výpočtový model, který vychází z laboratorních hodnot. Vítr, vlhkost a dokonce ani slunce se zde neberou v úvahu. Hodnota U je nástroj pro klasifikaci vnějších tepelně izolačních systémů - nic víc, nic míň.
Podle teorie je hodnota U součinitele prostupu tepla s nulovým účinkem. Díky dostatečnému množství dat se nedávno podařilo vyvinout způsob, který umožňuje vypočítat úspory energie při použití nátěru ClimateCoating v běžných legislativních systémech. Do vzorce pro výpočet hodnoty U součinitele prostupu tepla, který byl výzkumníky odpovídajícím způsobem upraven, stačí doplnit výpočtový faktor „FTS“. Pokud máte k tomuto tématu jakékoli dotazy, kontaktujte nás.
Abychom rozdílnost fyzikálně rozlišili, zavedeme veličinu nazvanou tepelná kapacita C. Jednotkou tepelné kapacity je J K-1. Daleko výhodnější je stanovit, kolik tepla je potřeba k ohřátí látky o známé hmotnosti m. Měrná tepelná kapacita je veličina charakteristická pro danou látku. Měrná tepelná kapacita pevných a kapalných látek se mění s teplotou. Proto v tabulkách MFChT najdeme hodnoty udané při jediné teplotě. U plynů a par je situace složitější. Měrná tepelná kapacita závisí nejen na teplotě, ale také na tlaku a zejména na podmínkách, za kterých se teplo plynu předává.
U všech látek se s klesající teplotou měrná tepelná kapacita zmenšuje a při teplotách blízkých 0 K má velmi malou hodnotu. Z běžně známých látek má největší měrnou tepelnou kapacitu voda (4180 J K-1 kg-1). Důsledkem je řada jevů. Přímořské podnebí vykazuje menší teplotní rozdíly v atmosféře než vnitrozemské, a to jak denní a noční, tak letní a zimní. Je to tím, že voda má vyšší měrnou tepelnou kapacitu než vrstvy pevné zemské kůry.
Čtěte také: Vlastnosti betonu: Tepelná vodivost
Proto se pobřežní vrstvy vody v moři pomaleji ohřívají a pomaleji ochlazují než povrch pevniny. To má vliv i na ochlazování a ohřívání vzduchu. V technické praxi je voda vhodná jako chladicí kapalina (k chlazení motorů, jaderných reaktorů), nebo jako kapalina vhodná k přenosu energie (např. v ústředním topení). S měrnou tepelnou kapacitou vody se setkáme také u starých úsloví: „Únor bílý, pole sílí,“. Malou tepelnou kapacitu mají kovy (železo 452 J K-1 kg-1).
Nejvhodnější jednotkou k vyjádření množství látky je v mnoha případech mol: 1 mol = 6,02 · 1023 částic zkoumané látky. Je-li látkové množství vyjádřeno v molech, je tepelná kapacita vztažena na 1 mol (a ne na hmotnost 1 kg).
Na ohřátí různého množství stejných látek potřebujeme vždy rozdílné množství tepla. Tato rozdílnost se nazývá jako tepelná kapacita. Při ohřátí látky o známé hmotnosti se používá tzv. měrná tepelná kapacita. U pevných a kapalných látek se měrná tepelná kapacita mění s teplotou. Proto v tabulkách najdete vždy hodnoty udané při jediné teplotě.
Ještě nedávno se za základní kritérium, které ovlivňuje výslednou kvalitu objektu z hlediska pohody prostředí a z hlediska tepelných ztrát považoval tepelný odpor. Dnes normy vyžadují počítat a zjišťovat součinitel prostupu tepla. Norma pro každou konstrukci udává požadovanou hodnotu součinitele prostupu tepla a rovněž hodnotu doporučenou. Stavba tedy musí vyhovovat minimálně požadované hodnotě.
Pro začátek stačí vědět, že základní veličinou vypovídající o tepelně izolačních schopnostech stavební konstrukce (o schopnosti materiálu vést teplo) je součinitel tepelné vodivosti λ (lambda) s jednotkou W/m.K, watt na metr kelvin (která se píše častěji W.m-1.K-1, popř. Wm-1K-1). Jinou důležitou veličinou je součinitel prostupu tepla U (jednotkou je W/m2.K), jímž se vyjadřuje tepelně izolační schopnost ohraničující konstrukce domu.
Součinitel prostupu tepla vyjadřuje, kolik tepla projde 1 m2 konstrukce při rozdílu teplot na obou stranách konstrukce 1 °C. Požadovaná minimální hodnota součinitele prostupu tepla U (W/m2.K) musí pro obvodovou zeď dosahovat hodnoty 0,38 (W/m2.K). Pro obvodové zdivo z cihel je doporučená hodnota 0,25 (W/m2.K).
Ještě před několika roky se součinitel prostupu označoval „k“; norma pak určovala požadovaný tepelný odpor konstrukce R (R = 1/k). Tepelný odpor R udává, jaké množství tepla prochází jedním čtverečním metrem konstrukce určité tloušťky a z daného materiálu v každé vteřině, jestliže jsou na obou stranách této konstrukce jiné teploty.
Tento tepelný odpor konstrukce (jednotka je m2K W-1) se vypočte ze vztahu R = d / λ (tloušťka izolace v metrech se vydělí výpočtovou hodnotou součinitele tepelné vodivosti materiálu). Výsledný tepelný odpor je součtem všech vrstev konstrukce; ty se (po přepočtu na tloušťku) sečtou. Tepelná jímavost b (jednotka: W2/sm4K2) je součinem λ . p . c; charakterizuje schopnost materiálu o definované vlhkosti teplo akumulovat a opět postupně uvolňovat.
Součinitel teplotní vodivosti (jednotka: m2/s) vyjadřuje schopnost materiálu o definované vlhkosti vyrovnávat rozdílné teploty při neustálém vedení tepla. Tepelná pohltivost (jednotka: W/m2K) je definována jako schopnost materiálu pohlcovat nebo uvolňovat teplo.
Teplotní útlum konstrukce vyjadřuje schopnost konstrukce tlumit harmonické změny teploty vnějšího vzduchu v zimním (letním) období na vnitřním povrchu konstrukce. Měrná tepelná kapacita (J/kgK) vyjadřuje množství tepelné energie, kterou je třeba dodat materiálu o definované vlhkosti a hmotnosti = 1 kg, aby se ohřál o 1 K.
Kromě toho se ve stavebnictví používá množství dalších veličin; ty se týkají zejména vlhkosti ve stavebních materiálech (např. faktor difúzního odporu, součinitel difúzní vodivosti, hmotnostní vlhkost materiálu, objemová vlhkost materiálu, atd.).
Hodnoty tepelné vodivosti vybraných materiálů při teplotě 20 °C
(materiály jsou seřazeny od „nejlepšího“ k nejhoršímu)
| Látka | Tepelná vodivost λ[W•m-1•K-1] |
|---|---|
| Vzduch | 0,024 |
| Skelná vata | 0,04-0,042 |
| Čedičová vlna | 0,039-0,042 |
| Pěnový polystyren | 0,035 až 0,16 |
| Cihla | 0,28-1,2 |
| Pórobeton | 0,15-0,2 |
| Desky OSB | 0,13 |
| Liapor | 0,14-0,77 |
| Sklo | 0,60-1,0 |
| Škvárobeton | 0,70 |
| Voda | 1,0 |
| Beton | 1,5 |
| Čedič | 1,4 |
| Žula | 4,1 |
| Křemen | 8,4 |
Pro získání stejného tepelného odporu R = 2,5 m2KW-1 jako má 10cm vrstva minerální vlny o tepelné vodivosti 0,04 W/mK by bylo nutno tepelnou izolaci vytvořit ze dřeva o tloušťce 30 až 45 cm (podle druhu dřeva). Stejně izoluje zeď ze dvou řad (80 cm) cihelných bloků nebo 200 cm silná zeď z klasických plných cihel.
Tepelný odpor R (m2·K/W) charakterizuje izolační schopnost konstrukční vrstvy o tloušťce d [m]: R = d/λ. R = R1 + R2 + R3 + ... 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).
Kromě vedení tepla se zde projevuje proudění a sálání. Proto jsou hodnoty tepelného odporu této vrstvy závislé i na směru tepelného toku, tloušťce vrstvy a orientaci (svislé, vodorovné).b) větrané (otevřené), kde se předpokládá propojení s venkovním prostředím. Tím vzniká dvouplášťová (větraná) konstrukce. Zjednodušeně se předpokládá, že v dutině je stejná teplota jako venku. c) jako slabě větrané se označují takové vrstvy, které mají částečné propojení s venkovním prostředím.
Může se například jednat o průběžnou dutinu za venkovním režným zdivem, kde jsou záměrně ponechávány některé svislé spáry volné (nevyplněné maltou) pro zajištění odvodu pronikající vlhkosti a podporu vysychání zdiva. Pokud jsou v konstrukci přítomny nepravidelnosti a jiná oslabení tepelněizolačních vrstev, musí se odpovídajícím způsobem hodnota součinitele prostupu tepla zvýšit.
Požadované hodnoty součinitele prostupu tepla se použijí pro základní hodnocení konstrukcí a jako vstupní údaj pro výpočet referenční budovy v hodnocení energetické náročnosti. Použití hodnot doporučených je vhodné všude tam, kde tomu nebrání technické, ekonomické nebo legislativní překážky. Hodnoty doporučené pro pasivní budovy se použijí zejména pro předběžný návrh konstrukcí takových budov.
Požadavky na izolační kvalitu konstrukcí se v průběhu let postupně zpřísňovaly. 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 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.
Pokud se dále pro výpočet užije níže uvedený vzorec, vyjde nám měrný tepelný tok, ke kterému dochází v celé ploše obvodových konstrukcí. Jinak řečeno určuje, kolik Wattů energie prostupuje skrze všechny konstrukce domu při rozdílu 1 K. Vynásobením této hodnoty číslem 20 vyjde tepelná ztráta ve Wattech, ke které dochází v okamžiku, kdy je rozdíl vnitřní a venkovní teploty zmíněných 20 °C (např.
Součinitel lambda je určován nejčastěji laboratorně a je uveden v technickém listu výrobku. Odpory při přestupu tepla na vnitřní a vnější straně konstrukce Rsi a Rse jsou uvedeny v normě ČSN 73 0540-3. 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.
Jak již název napovídá, tepelný odpor konstrukce R (m2K/W) vyjadřuje schopnost materiálů klást odpor při prostupu tepla konstrukcí. Čím vyšší hodnota tepelného odporu konstrukce je, tím lépe. Zda navrhovat konstrukci na požadovaný či doporučený součinitel je složitější a pravidla pro navrhování obvodových konstrukcí z pohledu tepelně-technického je dáno vyhláškou č. 78/2013 Sb. Každopádně novostavby musí mít všechny obvodové konstrukce navrženy minimálně na požadovaný součinitel prostupu tepla, lépe však na doporučený součinitel prostupu tepla.
Konstrukce mimo jiné musí být navrženy tak, aby byly splněny další požadavky plynoucí z legislativních a normových požadavků.
Příklad výpočtu
Obvodová stěna
| Konstrukce | Tloušťka d [m] | Lambda [W/mK] | R [m2K/W] |
|---|---|---|---|
| Omítka vápenocementová | 0,020 | 0,990 | 0,020 |
| Cihla plná pálená | 0,450 | 0,800 | 0,563 |
| Tepelná izolace EPS70 | 0,120 | 0,036 | 3,333 |
| Omítka vápenocementová | 0,020 | 0,990 | 0,020 |
| CELKEM R | 3,936 |
| Svislá konstrukce směrem do exteriéru | |||
|---|---|---|---|
| Rsi = | 7,690 | 0,130 | |
| Rse = | 25,000 | 0,040 | |
| CELKEM RT | 4,106 |
tags: #součinitel #prostupu #tepla #beton #hodnoty