Stavební konstrukce je třeba hodnotit z hlediska tepelných vlastností a jejich vlivu na tepelné ztráty. Zároveň se musí posuzovat i z hlediska vlivu vlhkosti. Tepelné a vlhkostní jevy probíhají současně a navzájem se podmiňují: při vzrůstu množství vlhkosti v materiálech dochází k větším tepelným ztrátám. Zároveň teplotní pole ovlivňuje transport vlhkosti. Komplexní tepelně-vlhkostní chování budov je chováním systému spřažených toků tepla, vody a vzduchu v konstrukcích a objemu budovy. Toky vody a tepla z exteriéru do interiéru i toky vodní páry z interiéru do exteriéru ovlivňují trvanlivost obalových konstrukcí.
Základní fyzikální veličiny a pojmy
Základními veličinami, které charakterizují tepelněizolační schopnost stavební konstrukce, je tepelný odpor R (m2K/W) a součinitel prostupu tepla U (W/m2K). Pro určení těchto veličin je třeba znát skladbu posuzované konstrukce ve směru tepelného toku tzn. materiálové a geometrické charakteristiky jednotlivých vrstev - tloušťku d (m) a součinitel tepelné vodivosti λ (W/mK). Tepelným tokem se obecně rozumí množství tepla, které proudí do nějakého systému nebo ven z něho. Pro náš účel jde o proudění tepla z interiéru přes stavební konstrukci do exteriéru. Teplo, které prochází plochou nějakého materiálu je dáno tzv. tepelným tokem. Teplo má kromě jiného tu vlastnost, že se vždy pohybuje směrem od prostředí s vyšší teplotou k prostředí s teplotou nižší.
Tepelná vodivost
Tepelná vodivost je schopnost stejnorodého (izotropního) materiálu při dané střední teplotě vést teplo. Určuje množství tepelné energie, která projde materiálem o jednotkové délce při teplotním spádu 1° K. Míra schopnosti materiálu vést teplo se vyjadřuje pomocí součinitele tepelné vodivosti. Součinitel tepelné vodivosti se označuje symbolem λ [W.m-1.K-1] a vyjadřuje základní tepelně technickou vlastnost - v našem případě stavebního materiálu.
Tepelný odpor a součinitel prostupu tepla
Tepelný odpor R (m2.K/W) vyjadřuje izolační schopnost konstrukce nebo její vrstvy, tedy kolika čtverečními metry konstrukce při kolika stupních teplotního rozdílu na jejích stranách projde jednotka tepla. Tepelný odpor se vypočítá ze vztahu R=d/λ, kde d je tloušťka konstrukce nebo její vrstvy a λ je součinitel tepelné vodivosti, který vyjadřuje schopnost materiálu vést teplo (W/m.K). Určitý tepelný odpor mají i vzduchové vrstvy přiléhající těsně ke stavební konstrukci. To je dáno prouděním vzduchu a výměnou tepla sáláním. Tento jev se nazývá odpor při přestupu tepla (Rsi a Rse). Hodnoty odporu při přestupu tepla jsou ovlivněny polohou povrchu (interiér, exteriér, případně vzduchová vrstva uvnitř konstrukce) a pohybem vzduchu. Součtem tepelných odporů všech vrstev konstrukce a odporů při přestupu tepla získáváme odpor konstrukce při prostupu tepla RT = Rsi + R + Rse. Převrácenou hodnotou odporu konstrukce při prostupu tepla je součinitel prostupu tepla. Součinitel prostupu tepla (W/m2.K) vyjadřuje, kolik tepla unikne konstrukcí o ploše 1 m2 při rozdílu teplot 1 K. Získáme jej ze vztahu U (UT)=1/RT.
Do tepelně technických výpočtů se zavádí součinitel prostupu tepla jako veličina, kterou se hodnotí ustálený tepelný tok procházející celými konstrukcemi a jehož hodnota se porovnává s požadavky technické normy. Součinitel prostupu tepla je provázán s tepelným odporem. Proti tepelnému toku procházejícímu konstrukcí z interiéru do exteriéru působí kromě tepelného odporu této konstrukce ještě odpor proti přestupu tepla na vnitřní a vnější straně Rsi a Rse [m2.K/W].
Čtěte také: Betonárna a transport betonu: Co potřebujete vědět?
Při posouzení konstrukce z hlediska prostupu tepla je třeba dále zohlednit:
- typ konstrukce - jednoplášťová, dvouplášťová, obrácená skladba
- směr tepelného toku - nahoru, dolu, horizontálně
- polohu konstrukce - konstrukce ve styku s venkovním vzduchem, s nevytápěným prostorem, ve styku se zeminou
Do tepelného odporu konstrukce jednoplášťových konstrukcí se obvykle uvažují vrstvy, které jsou chráněny před účinky vlhkosti, např. u střech jsou to vrstvy chráněné hydroizolací. V případě obrácené skladby střech je uvažována i vrstva extrudovaného polystyrenu. U dvouplášťových konstrukcí se uvažují vrstvy vnitřního pláště, tzn. od vnitřního líce konstrukce k větrané vzduchové vrstvě. U konstrukce ve styku se zeminou, např. podlahy na zemině, se počítají vrstvy nad hydroizolací. V případě použití nenasákavé tepelné izolace pod hydroizolací, např. extrudovaného polystyrenu nebo pěnového skla, se ve výpočtu uvažuje i tato izolace.
Tepelný most
Tepelný most je místo, kde dochází k rychlejšímu průniku tepla stavební konstrukcí. Tepelným mostem rozumíme takové místo ve stavbě nebo stavební konstrukci, ve kterém dochází k rychlejšímu průniku tepla z vnitřního prostředí do prostředí venkovního ve srovnání s jinými místy uvažované stavby či konstrukce. Tepelné mosty se mohou vyskytovat v konstrukcích různých technických oborů. Typicky se jedná o obor stavebnictví, ale i strojírenství, elektrotechniku atd.
Simulační programy pro transport tepla a vlhkosti
Komplexní řešení spřažených parciálních diferenciálních rovnic, popisujících všechny toky v budově současně, zatím neexistuje. Je to dáno skutečností, že jde o systém nelineárních rovnic, které je možné řešit jen numericky. Tvorba programů pro simulaci komplexního chování budov se v prvním období jejich vývoje zaměřovala hlavně na programy simulující spotřebu energie v budovách (DOE, ESP-r atd.). Za poslední dvě desetiletí bylo vyvinuto více simulačních programů pro výpočet 1D, 2D, 3D přenosu tepla a vody přes konstrukce (Delphin, Wufi, Match aj.). Počítačové simulace neustáleného transportu tepla a vlhkosti jsou zajímavé nejen z hlediska teorie, ale nabízejí uživateli i mnoho výhod. Programy nabízejí nové možnosti posouzení tepelně-vlhkostního chování stavebních prvků vystavených přírodním vlivům. Výsledky vlhkosti a teplotních polí v komponentu jsou k dispozici v libovolném prostoru a časovém rozlišení. V posledních letech výhody, které tepelně-vlhkostní simulace přinesly, přispěly k zvýšení poptávky po výpočtovém softwaru, a to hlavně v souvislosti s rekonstrukcemi budov.
Delphin
Numerický simulační program Delphin vyvinul Ústav stavební klimatologie Technické univerzity v Drážďanech na podporu zkoumání vázaného tepla, vzduchu, soli a transportu vlhkosti v porézních stavebních materiálech. Software se používá na řadu různých aplikací. Tepelné a vlhkostní simulace a jejich chování v konstrukčních stavebních detailech se dají použít k určení 1D, 2D a 3D axiálních symetrických problémů. Program lze využít k simulaci přechodových hmot a energie a přepravních procesů v libovolných standardních a přírodních klimatických okrajových podmínkách (teplota, relativní vlhkost, nárazový déšť, rychlost větru, směr větru, krátké a dlouhé vlny záření). Software řeší výslední systém vázaných parciálních diferenciálních rovnic numerických integrací v čase. Velký počet proměnných (například obsah vlhkosti, tlak vzduchu, koncentrace soli, teplota, difuze a především toky kapalné vody, vodní pára, vzduch, sůl, teplo a entalpie), které charakterizují tepelně-vlhkostní stav ve stavební konstrukci, lze získat jako funkci času a prostoru. Zvláštní výhodou numerické simulace programu je možnost zkoumání různých variant konstrukcí či různých materiálů s různým klimatickým zatížením.
Čtěte také: Hodnoty součinitele prostupu tepla u cihel
Match
Numerický simulační program Match vyvinula Dánská technická univerzita. Simulační program popisuje jednorozměrný výpočet kombinovaného transportu tepla a vlhkosti ve stavebních konstrukcích. Výhoda použití tohoto softwaru na dimenzování vlhkosti staveb v porovnání s tradičními metodami výpočtu vlhkosti spočívá v tom, že metoda výpočtu je odvozena z metody Glaser. Simulační program byl doplněn také o znalosti výpočtů podle metody ustáleného stavu difuze vodní páry přes stavební materiály - takzvaná metoda Glaser. Kontrolní objemy a časové kroky jsou základem výpočtu tepla a vlhkosti prostřednictvím toků v konstrukci, která se rozdělí na několik přilehlých kontrolních objemů. Čím menší je kontrolní objem a časové kroky, tím je lepší přesnost, a čím větší je časový krok, tím nepřesnější je výpočet. Protože většina staveb má multidimenzionální geometrii, je třeba vybrat ty průřezy, které se považují za klíčové nebo dominující při výpočtu. Opět je třeba určit, zda vzhledem k povaze problému je výpočet nejistý, případně zjistit, jaké by mohlo být skutečné řešení tohoto problému v porovnání s vypočítanými výsledky. Program však nebere v úvahu účinek zastínění objektů. Je nutno dodat, že program neuvažuje o konvektivní vlhkosti způsobené infiltrací vzduchu a ani ji nepočítá. Zodpovědnost za stanovení konvektivní vlhkosti a její škodlivosti zůstává na uživateli softwaru.
Moist
Moist je uživatelsky jednoduchý počítačový program, který simuluje jednorozměrný přenos tepla a vlhkosti ve stěnách, stropech a střechách s nízkým sklonem. Vyvinuli ho v Národním institutu standardů a technologií ve Virgínii (NIST). Tento program předpovídá teplotu a vlhkost v jednotlivých konstrukčních vrstvách nebo relativní vlhkost na povrchu konstrukční vrstvy, jakož i vlhkostní a tepelné toky na vnitřní a vnější hranici konstrukcí jako funkci času v průběhu celého roku. Počítačový program představuje pro odborníky nástroj pro simulaci pokročilého chování konstrukce při přenosu tepla a vlhkosti a jejich analýzu. Při používání programu se musíte vyrovnat s podstatně menším souborem vstupních dat, než vyžadují podrobnější modely. Na výběr vstupních parametrů je tak třeba klást větší důraz a vybírat vhodné hodnoty. Uživatel neobeznámený s pojmy běžně používanými ve stavební fyzice může mít při výběru vhodných hodnot vstupních parametrů určité problémy.
Umidus
Simulační program Umidus vyvinuli v univerzitním výzkumném pracovišti na tepelné systémy v laboratořích Papežské katolické univerzity v Paraná. Software byl vyvinut pro modelování spojeného přenosu tepla a vlhkosti v porézních stavebních prvcích. V programu se uvažuje o orientaci a sklonu stěn, jakož i o součinitelích prostupu tepla na vnější stěně, které se počítají z údajů hodinové rychlosti větru. Uživatel se může pohybovat mezi jinými aplikacemi. Najednou může být spuštěno více simulací. Modely v programu neberou v úvahu závažnost vlivu prostupu kapalné vody přes střechu. Tento efekt je velmi malý v porovnání s kapilárním účinkem v mikroporézních materiálech. Přesnost každého modelu závisí v podstatě na vlastnostech materiálu a na úrovni vlhkosti. V případě hygroskopických stěn může model vykazovat ve výsledcích velké chyby.
Wufi
Počítačový program Wufi (Wärme und Feuchte Instationär - prostup tepla a vlhkosti) vyvinuli ve Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) (Fraunhoferův institut pro stavební fyziku) a jeho funkčnost se potvrdila mnoha testy realizovanými přímo v institutu. Umožňuje realistický výpočet dynamického chování tepla a vlhkosti ve vícevrstvových stavebních konstrukcích vystavených vnějším přírodním podmínkám. Program vychází z nejnovějších poznatků týkajících se difuze vodní páry a kapalné vlhkosti. Vyžaduje pouze standardní vlastnosti materiálů a snadno měřitelnou sorpční izotermu materiálu, případně koeficienty pro transport kapalné vlhkosti. Program využívá naměřená klimatická data zahrnující déšť hnaný větrem a sluneční záření jako okrajové podmínky, proto umožňuje realistické vyhodnocení tepelně-vlhkostního chování konstrukce vystavené vlivům počasí. Program slouží jako nástroj pro vývoj a optimalizaci nových stavebních materiálů a konstrukcí. Je vhodný pro výrobce stavebních materiálů, konzultanty, architekty, inženýrské a expertní kanceláře, které se zabývají problematikou stavební fyziky. Vzhledem k názornému vizuálnímu výsledku výpočtu ho lze použít i pro pedagogickou nebo marketingovou činnost. Výsledky počítačové simulace závisí na parametrech použitých materiálů. Notoricky známý nedostatek spolehlivých údajů o materiálech byl dlouhodobou překážkou při přijímání moderních metod výpočtu. Program obsahuje databázi tepelně-vlhkostních parametrů většiny současných běžně používaných materiálů nebo nabízí možnost zadat je ručně.
Comsol Multiphysics
Tento simulační program umožňuje řešit fyzikální úkoly použitím parciálních diferenciálních rovnic (PDE) - metody konečných prvků (MKP). Program vyvinula strojírenská společnost Ceo Comsol Group, která v roce 1998 uvedla na trh první verzi programu Comsol Multiphysics. Tento program se postupně začal rozšiřovat nejen ve strojírenství, ale i v jiných průmyslových odvětvích, jedním z nich je také stavebnictví. Program je určen výzkumným i vědeckým pracovníkům a díky široké nabídce různých funkcí zobrazení výsledků i vysokým školám a specializovaným střediskům. Program je propojen též s univerzálním nástrojem Matlab, který je určen pro vědecko-technické výpočty. Využívá se například ke kreslení geometrických tvarů, generování sítí FEM, při numerickém řešení nebo pro konečné zpracování výsledného úkolu.
Čtěte také: Asfaltová směs a její charakteristika
Ukládání a využití tepelné energie
Efektivní ukládání energie je v dnešní době jedním z nejvíce diskutovaných problémů energetiky. Spotřeba energie se výrazně mění v průběhu roku i v průběhu dne. Nejméně energie se zpravidla spotřebovává v létě, o víkendu, v noci. V létě například fotovoltaické elektrárny mají dostatek slunečního svitu a množství vyrobené energie se zvyšuje. Touto nevyvážeností provozu jsou zatížené i další obnovitelné zdroje. Abychom zajistili stálou dodávku elektrické, popřípadě tepelné energie v čase, nabízí se logicky ukládání "přebytečné" energie v době jejího přebytku.
Tepelné baterie
Tepelné baterie umožňují efektivně uchovávat energii z obnovitelných zdrojů, jako je solární a větrná energie, i v době, kdy slunce nesvítí a vítr nefoukne. To je klíčové pro zajištění stabilní dodávky energie bez ohledu na výkyvy počasí. Jsou levnější a šetrnější k životnímu prostředí než konvenční baterie s lithium-iontovými články. Nevyžadují žádné vzácné kovy a jejich výroba i likvidace je méně náročná na životní prostředí. Jsou odolné a vydrží déle než běžné baterie. Mohou ukládat energii po dobu dnů, týdnů i měsíců s minimálními ztrátami.
Typy tepelných baterií
Existuje řada různých typů tepelných baterií, které fungují na principu ukládání energie ve formě tepla a následného uvolňování této energie v případě potřeby. Rozdělit je lze podle média sloužícího k ukládání energie. Mezi dosud známé patří:
- Baterie s roztavenou solí
- Písečné baterie
- Betonové baterie
- Cihlové baterie
- Baterie s ocelovými moduly
- Baterie na bázi slané vody
- Baterie s kapalným vzduchem
Baterie s roztavenou solí
Jedním ze způsobů tepelného ukládání energie je ukládání do roztavených solí. Roztavená sůl je ideální pro udržení tepla do 500 °C. Navíc je na rozdíl od lithia či niklu snadno dostupná a ekologická. Varianta s použitím hydroxidové soli, korozivního materiálu známého jako žíravá soda, může být po zahřátí a roztavení na kapalinu použita k uchovávání a přenosu energie za pouhou jednu desetinu běžných nákladů a navíc s minimální ztrátou. Princip tohoto ukládání energie je jednoduchý.
Z hlediska technické konstrukce rozlišujeme dva typy solného úložiště. První typ používá dva zásobníky. V jednom zásobníku se skladuje studená roztavená sůl a v druhém sůl teplá. Při ohřevu neboli nabíjení úložiště je sůl ze studeného zásobníku vedena přes tepelný výměník, kde je ohřívána, do horkého zásobníku. Při vybíjení proces probíhá v opačném směru. Horká sůl je vedena do výměníku, kde ohřívá páru, a poté pokračuje do studeného zásobníku. Tento typ dnes používají solární elektrárny typu CSP.
Druhý typ solného úložiště využívá pouze jeden zásobník, ve kterém je jak "studená", tak i "horká" sůl. Plovoucí membrána zajišťuje, aby nedocházelo k jejich mísení. Tento typ je výhodnější zejména ekonomikou výstavby, stavba dvou zásobníků je finančně náročnější.
Používané soli
Technologie ukládání energie do solí se dnes průmyslově používá především u solárních elektráren typu CSP. Roztavené soli jsou pro ukládání energie velmi vhodné médium. Mají vysokou hustotu (mnohem vyšší než voda), vysokou tepelnou kapacitu a zároveň velmi dobrou viskozitu. V současnosti používají úložiště především soli na bázi dusičnanů. Hlavní důvody pro použití dusičnanových solí jsou nižší pořizovací náklady, mnohem nižší agresivita vůči jiným materiálům než u jiných typů solí a nízká toxicita. Samozřejmě mají roztavené soli také nevýhody, jednou z hlavních nevýhod je vyšší teplota tání. Může tedy dojít k zamrznutí soli uvnitř potrubí. Z tohoto důvodu je potrubí vytápěno. Dalším problémem je agresivita vůči konstrukčním materiálům. A dále dle typu soli a velkého množství soli potřebného pro úložiště i jejich ekonomická náročnost.
Úložiště Kyoto Heatcube
Společnost Kyoto Group byla založena v roce 2016, sídlí v norském Oslu a má dceřiné společnosti ve Španělsku a Dánsku. Kyoto Heatcube nabízí skladování tepelné energie a výrobu tepla v jediném produktu. Heatcube může skladovat od 16 MWh do 96 MWh, přičemž vybíjecí efekt každé Heatcube je až 15 MW. Jedná se o nízkonákladové modulární řešení skladování tepelné energie, které může využívat více obnovitelných zdrojů energie k ohřevu roztavené soli na teplotu přes 415 °C. Vysokoteplotní sůl se pak používá k výrobě páry pro průmyslové výrobní procesy. Poměr celkové energie vyprodukované systémem k celkové energii dodané do systém (Round-trip efficiency - RTE) je > 93 %. Doba náběhu je < 90 s, teplota páry na výstupu 135 až 400 °C. Životnost je udávána větší než 25 let. Cirkulační systém nabíjení a vybíjení roztavené soli je navržen pro oddělené nabíjení (elektrický ohřev) a vybíjení (výroba páry).
Solné úložiště Berlín
V německém Berlíně je provozováno solné úložiště, kde je zdrojem tepla místní teplárna. Jde o první případ v Německu, kdy pro ohřev tekuté soli není použita solární elektrárna. Nabíjení úložiště se provádí zahřátím soli na teplotu cca 550 °C, ze soli se odpaří voda a vznikne suchá sůl. V takovémto stavu je možné sůl skladovat týdny, dokonce až měsíce. Při vybíjení se do soli zpět přidá voda a chemickou reakcí se začne uvolňovat vysokoteplotní pára, kterou lze použít na pohon turbíny nebo na vytápění.
Písečné baterie
Suchý písek je špatný vodič tepla s poměrně velkou tepelnou kapacitou. Teplo do něj uložené se nerozptýlí rovnoměrně do okolí jako ve vodě, zůstává víceméně na místě. Proto není potřeba nádrž s pískem nákladně tepelně izolovat. Stačí do ní vložit odporové dráty na topení a trubky s vodou pro tepelné čerpadlo. Nádrž 100 m3 písku dokáže vstřebat a do zimy uchovat okolo 10 MWh elektrické energie. Obdobně se chová kamenný prach.
Systém Watt sand
Na principu akumulace tepla v písku je založen tuzemský projekt pod označením Watt sand. Na vývoji se podílelo více tuzemských firem. Výsledkem je alternativa ke klasickým bateriím a k celému energetickému systému domu. Tento otopný a energetický systém je možné využít pro rodinné domy i velké průmyslové podniky, a to při minimálních nákladech na provoz. Pískové úložiště funguje jako akumulátor energie. Systém Watt sand počítá s tím, že písek se bude zahřívat z vlastní fotovoltaiky, případně přímo ze sítě v době nulových cen elektřiny na spotovém trhu. Pro domy jej stačí ohřát na teplotu 400 °C, pro průmyslové aplikace se zahřívá na 480 °C. Životnost se přitom odhaduje na 50 let. Vlastnosti písku zůstávají díky použitým teplotám dlouhodobě stabilní. To znamená, že akumulační schopnosti tohoto materiálu se v čase nemění. Pro běžný rodinný dům je potřeba 100 m3 písku, z něhož bude systém schopný získat zpět až 10 MWh uloženého tepla. Z písku se ztratí pouze pět až deset procent tepla za sedm měsíců. Písek bude možné umístit do různých míst na pozemku - v kontejneru na zahradu nebo jej nechat zapustit do země či do sklepa.
České a evropské normy
Předpisy související s výpočtem a hodnocením prostupu tepla stavební konstrukce v České republice je řada norem:
- ČSN 73 0540-1 až 4 Tepelná ochrana budov
- ČSN 73 0540-1 Tepelná ochrana budov - Část 1: Terminologie
- ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky
- ČSN 73 0540-3 Tepelná ochrana budov - Část 3: Návrhové hodnoty veličin
- ČSN 73 0540-4 Tepelná ochrana budov - Část 4: Výpočtové metody
- ČSN EN ISO 6946 Stavební prvky a stavební konstrukce - tepelný odpor a součinitel prostupu tepla - výpočtová metoda.
- EN 15 026: 2004: Hygrothermal Performance of Building Components and Building elements - Assessment of Moisture Transfer by Numerical Simulation.
Následující tabulka představuje přehled součinitelů tepelné vodivosti (λ) pro vybrané stavební materiály. Tato tabulka není závazný dokument pro stanovení vlastností konstrukcí staveb. Pro aktuální a rozšířený přehled tepelně technických vlastností dalších materiálů je třeba nahlédnout do norem ČSN 73 0540, ČSN 73 0544 a ČSN 73 0549.
| Materiál | Součinitel tepelné vodivosti λ [W.m-1.K-1] |
|---|---|
| Zdivo z pórobetonových tvárnic o obj.hm. suché látky 100 kg/m3 | 1,2 - 1,4 |
| ... (další materiály z originálního seznamu by byly doplněny, pokud by byla k dispozici konkrétní data) ... | ... |
tags: #transport #tepla #ve #stavebnich #materialech