Moderní stavebnictví klade velký důraz na energetickou účinnost a snižování tepelných ztrát v budovách. Zavedení přísných norem energetické účinnosti, jako jsou požadavky směrnice Evropské unie o energetické náročnosti budov (EPBD), zavazuje k použití materiálů s nejlepší možnou izolační schopností. Správný výběr izolačních materiálů s vysokým tepelným odporem se pro investory a developery stává prioritou. Tepelná prostupnost je klíčovým parametrem, který ovlivňuje tepelný výkon budov.
Součinitel tepelné vodivosti (λ)
Součinitel tepelné vodivosti λ je obecně velmi důležité kritérium pro porovnávání kvality tepelných izolací. Udává, jak materiál vede teplo. Vyjadřuje schopnost konstrukce vést teplo, konkrétně rychlost šíření tepla ze zahřáté části konstrukce do chladnější části. Vyjadřuje se ve wattech na metr krát kelvin [W/mK] a označuje se řeckým písmenem lambda [λ]. Potřebnou hodnotu najdeme v normě ČSN nebo přímo u výrobců. Součinitel lambda je určován nejčastěji laboratorně a je uveden v technickém listu výrobku.
Tepelný odpor (R)
Tepelný odpor je mírou schopnosti materiálu odolávat vedení tepla. Čím vyšší je tepelný odpor, tím obtížnější je prostup tepla materiálem, což z něj činí lepší izolant. Tato hodnota je převrácená hodnota součinitele tepelné vodivosti, označovaného jako lambda (λ), a je jedním z klíčových parametrů uvažovaných při návrhu izolace budovy. Vyšší tepelný odpor znamená lepší tepelnou izolaci, což umožňuje spotřebovat méně energie na vytápění nebo chlazení budovy. Výpočet tepelného odporu vyžaduje znalost dvou základních parametrů - tloušťky materiálu a součinitele tepelné vodivosti.
Různé materiály mají různé hodnoty lambda, což ovlivňuje jejich izolační účinnost. Například materiály s nižším koeficientem lambda, jako jsou PIR desky a PUR pěny, mají vyšší tepelný odpor ve srovnání s tradičními izolačními materiály, jako je minerální vlna nebo polystyren.
Typy konstrukcí a tepelný odpor:
- Nevětrané nebo chcete-li uzavřené konstrukce: Zde se vedení tepla projevuje prouděním nebo sáláním. Proto jsou hodnoty R této vrstvy závislé i na směru tepelného toku, tloušťce vrstvy a orientace konstrukce. Dále se rozlišuje, zda jde o svislou či vodorovnou konstrukci.
- Větrané nebo chcete-li otevřené konstrukce: Zde se předpokládá propojení s venkovním prostorem. Tím, že vznikne dvouplášťová nebo také otevřená konstrukce, se předpokládá, že v dutině je stejná teplota jako venku.
- Slabě větrané: Tady se uvažuje nad skutečností, že takové vrstvy mají částečné propojení s venkovním prostředím.
Součinitel prostupu tepla (U)
Součinitel prostupu tepla (U) je parametr, který popisuje množství tepla, které pronikne 1 m² příčky (např. stěny) za jednu sekundu, s rozdílem teplot na obou stranách přepážky 1K. Nižší U-hodnota znamená lepší izolační vlastnosti příčky. 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. Jednotka W/m²K vyjadřuje, kolik tepelné energie ve Wattech prostupuje obvodovou konstrukcí o ploše 1 m² při rozdílu venkovní a vnitřní teploty 1 K.
Čtěte také: Vše o měrné tepelné kapacitě betonu
Současná stavební norma ČSN 73 0540-2 o tepelné ochraně budov pracuje s veličinou prostupu tepla U, která je de facto reciproční hodnota zmíněného R. Platí, že U se rovná zhruba 1/R. 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 pro výpočet užije vzorec, vyjde 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. v zimním období).
Vliv tepelné izolace
Vliv tepelné izolace je výrazný a lze jej také matematicky odvodit. V případě výpočtu nás zajímá právě dosažení co nejnižší hodnoty součinitele prostupu tepla U [Wm⁻²K⁻¹].
Jako příklad lze uvést skladbu šikmé střechy:
- tepelný odpor tepelné izolace nad parobrzdou (d = 250 mm) R1 = 6,200 m²KW⁻¹ (Isover Unirol Profi + Uni)
- parobrzda bez reflexe - tepelná izolace pod parobrzdou (d = 40 mm) R2 = 1,000 m²KW⁻¹ (Isover Uni)
Výsledný součinitel prostupu tepla ve zvolené skladbě tedy je U = 0,136 Wm⁻²K⁻¹, což vyhoví doporučené hodnotě.
Čtěte také: Význam tepelné vodivosti betonu ve stavebnictví
Vliv a účinnost reflexních parobrzd
Samozřejmě aby stavba byla kvalitně provedena je třeba použít i parobrzdu, možností a typů je na trhu celá řada. Od tradičních polyetylénových, které Vám nic víc než parotěsnou funkci nenabízí, po reflexní, které díky reflexnímu povrchu také do jisté míry snižují tepelné ztráty, až po speciální, které například mění hodnoty svého ekvivalentního difúzního odporu sd v závislosti na změnách vlhkosti, jako je například speciální parobrzda Isover Vario KM Duplex UV.
Každé těleso s teplotou vyšší než je absolutní nula vyzařuje tepelné záření, na tomto principu jsou založeny i termovizní kamery. Reflexní povrchy mají vysokou reflexi (definuje, kolik procent záření se odrazí) a malou emisivitu (definuje, kolik procent se vyzáří, úplná minima se pohybují na hranici 0,017 což je 1,7 %). Za reflexní materiály lze tedy označit ty materiály, které svojí reflexní vrstvou dokáží významně odrážet teplo a tím snižovat součinitel tepelné vodivosti vzduchové mezery sousedící s reflexní vrstvou v souladu s ČSN EN ISO 6946.
Jako modelový příklad lze použít předešlou konstrukci s tím, že tepelnou izolaci pod parobrzdou nahradíme uzavřenou vzduchovou mezerou a použijeme parobrzdu reflexní:
- tepelný odpor tepelné izolace nad parobrzdou (d = 250 mm) R1 = 6,200 m²KW⁻¹ (Isover Unirol Profi + Uni)
- reflexní parobrzda ε1 = 0,017
- uzavřená vzduchová mezera (d = 40 mm) Rg = 0,489 m²KW⁻¹
Výsledný součinitel prostupu tepla ve zvolené skladbě tedy je U = 0,146 Wm⁻²K⁻¹, což také vyhoví doporučené hodnotě. Celková tl. tepelné izolace v tomto případě je 250 mm a je použita reflexní parobrzda.
Pro úplnost ještě dopočítáme skladbu konstrukce s uzavřenou vzduchovou mezerou a použijeme parobrzdu bez reflexe:
Čtěte také: Jak správně izolovat betonovou podlahu?
- tepelný odpor tepelné izolace nad parobrzdou (d = 250 mm) R1 = 6,200 m²KW⁻¹ (Isover Unirol Profi + Uni)
- parobrzda bez reflexe -
- uzavřená vzduchová mezera (d = 40 mm) Rg = 0,160 m²KW⁻¹
Výsledný součinitel prostupu tepla ve zvolené skladbě tedy je U = 0,153 Wm⁻²K⁻¹, což také vyhoví doporučené hodnotě. Celková tl. tepelné izolace v tomto případě je 250 mm a je použita parobrzda bez reflexe.
Shrnutí vlivu reflexní parobrzdy
Vliv reflexní parobrzdy oproti parobrzdě klasické zlepšuje tepelně-izolační vlastnosti konstrukce téměř o 5 % (přepočteno na tl. tepelné izolace).
| Konstrukce | U-hodnota | Porovnání |
|---|---|---|
| Tepelná izolace v celé konstrukci v tl. 290 mm | U = 0,136 Wm⁻²K⁻¹ | 111,1 % |
| Tepelná izolace v tl. 250 mm a reflexní parobrzda | U = 0,146 Wm⁻²K⁻¹ | 104,6 % |
| Tepelná izolace v tl. 250 mm a parobrzda bez reflexe | U = 0,153 Wm⁻²K⁻¹ | 100,0 % |
Měrná tepelná kapacita (c)
Měrná tepelná kapacita udává množství tepla, potřebného k ohřátí 1kg látky o 1 stupeň teploty v Kelvinech nebo stupních Celsia. Pro tuto veličinu slouží malé písmeno „c“ a jednotka joul na kilogram krát Kelvin [J/kgK].
Difúze vodní páry
Tento faktor poukazuje na schopnost daného materiálu propouštět vodní páry. Této vlastnosti říkáme, že materiál dýchá. A čím menší je tato hodnota, tím snáze může k difúzi docházet. Vodní pára postupuje difúzí z vnitřku domu ven a stavební konstrukce jí to umožňuje tím víc, čím je vyšší její součinitel difúze vodní páry.
Rosný bod
Tato veličina udává maximální nasycení vzduchu parami. Jestliže teplota klesne pod tento bod, začnou páry kondenzovat. Pro různé vlhkosti vzduchu je odlišná teplota rosného bodu.
Izolační materiály
Na trhu je k dispozici mnoho izolačních materiálů a výběr toho správného závisí na specifikách budovy, jejím umístění a požadavcích na energetickou účinnost.
- Styrofoam - oblíbený izolační materiál se středním tepelným odporem.
- Minerální vlna - nabízí dobrou tepelnou izolaci a další výhody, jako jsou zvukotěsné a protipožární vlastnosti.
- PUR (polyuretanové) pěny - moderní izolační materiál, který má velmi nízký koeficient lambda, to znamená, že má vysoký tepelný odpor i při malých tloušťkách.
- PIR desky - ještě pokročilejší forma izolace než PUR pěny. PIR panely mají ještě lepší izolační vlastnosti, nízký součinitel tepelné vodivosti a vysokou životnost.
PIR desky a PUR pěny jsou jedním z nejlepších řešení dostupných na trhu, protože kombinují nízký koeficient lambda s životností a odolností vůči vnějším podmínkám. Použití moderních materiálů jako PIR a PUR umožňuje snížit tloušťku izolační vrstvy při zachování vysoké tepelné účinnosti. To znamená, že můžete získat maximální užitek z izolace a zároveň ušetřit místo, což je důležité zejména při modernizaci starších budov.
Tepelný odpor vzduchové mezery
Stále probíhá diskuse o účinnosti reflexních fólií, které jsou navrhovány do stavebních mezer v roli sálavé (reflexní) tepelné izolace. Kritici tvrdí, že tato řešení nemají smysl, opírajíce se o fyzikálně chybný popis vzduchové mezery. Článek „Tepelný odpor vzduchové mezery… “ ukázal, že výpočet podle ČSN EN ISO 6946 vyplývá z neznalosti fyzikálních dějů v mezeře a nepopisuje tak dobře skutečnost. Norma ČSN EN ISO 6946 sálání nezná, ale nafukuje proudění tepla.
Norma snižuje tepelný odpor vzduchové mezery až na zanedbatelnou hodnotu a popírá účinek reflexních fólií ve vzduchových mezerách. Například mezera tloušťky 40 mm a víc nemůže mít podle ní tepelný odpor nikdy nad 0,513 m²W/K, i kdyby byla oboustranně ohraničena reflexní fólií (se 100 % ní reflexí).
Při vyšších emisivitách hranic uzavřené mezery (nad hodnotou cca 0,5 a výš), je její tepelný odpor, počítaný podle normy ČSN EN ISO 6946 (čerchované křivky), takřka stejný, jako odpor počítaný podle vztahů, které nezahrnují proudění tepla. Při nízkých emisivitách (cca 0,1) je rozdíl mezi oběma modely naopak velmi nápadný. Nejsilnější teplosměnné děje nejen v přírodě, ale i ve stavbách realizuje sálání.
Měření vzduchové mezery tl. 4 cm na Λ-válci (zařízení určené k měření tepelného odporu tenkých ohebných vzorků) ukázalo mizivý vliv vedení a proudění tepla v mezeře ve srovnání se sáláním. Norma předpokládá, že je podíl vedení a proudění minimálně 26 procent. Při započtení zhruba 5 % chyby při odečítání teplot a přibližně stejné chyby při odhadu emisivity obou povrchů se můžeme dostat až na hodnotu cca 14 % podílu nesálavé složky šíření tepla v mezeře. Tomu odpovídá součinitel přestupu tepla při vedení a proudění 0,66 W/(m²K) a efektivní "nesálavá" lambda mezery tl. 4 cm je 0,026 W/(mK).
Tloušťková závislost šíření tepla v mezeře
Sálavý tepelný odpor mezery R = 1/(E·hr) nezávisí na tloušťce mezery. Závisí jen na teplotách ohraničujících povrchů stěny, které lze v 1. aproximaci považovat za konstantní. Naopak tepelný odpor mezery Ra při vedení a proudění tepla vždy vykazuje závislost na tloušťce d. Při malých tloušťkách mezery roste lineárně podle vztahu Ra = 1/ha = d/λ, kdy nesálavý součinitel tepelné vodivosti λ je tloušťkově konstantní a roven součiniteli tepelné vodivosti vzduchu (λ = 0,025 W(mK) při 10 °C). Při větších tloušťkách tento součinitel roste vlivem proudění.
Při větších tloušťkách mezery od několika mm výše (pro sálavé povrchy mezery), nebo od několika cm až dm výše (pro reflexní povrchy), začíná převládat sálavá složka nad vedením a prouděním. Vymizení tloušťkové závislosti tepelného odporu má ovšem na svědomí sálání, které - od nějaké tloušťky - vždy začíná převažovat. Záření, tedy fotonový plyn, je v mezeře intenzivně (rychlostí světla) promícháváno a udržováno tak na střední teplotě mezi okrajovými teplotami povrchů mezery. Fotonový plyn v jakékoliv mezeře má tendenci ohřívat vzduch právě na onu zmíněnou střední teplotu.
V silných nevětraných mezerách a ve větší vzdálenosti od okrajů mezery může být ohřev vzduchu fotonovým plynem významný. Potom ale může ve středové vrstvě vzduchu dojít ke snížení teplotního gradientu, nebo až k vyrovnání teplot. To možná vysvětluje i překvapivý výsledek popsaného měření vzduchové mezery na Λ-válci.
Příklad výpočtu součinitele prostupu tepla pro obvodovou stěnu
Následující tabulka ukazuje, jak se počítá celkový tepelný odpor a součinitel prostupu tepla pro typickou obvodovou stěnu:
| 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 | 0,130 | ||
| Svislá konstrukce směrem do exteriéru Rse | 0,040 | ||
| CELKEM RT | 4,106 |
Na základě těchto hodnot lze vypočítat součinitel prostupu tepla U. 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 (Rsi = 0,130 m²K/W).
tags: #tepelna #propustnost #tmelu