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.
Pálené cihly patří k nejrozšířenějším materiálům používaným zejména v konstrukcích obytných budov. Dá se říci, že cihelné zdivo je jakýmsi etalonem stavebních konstrukcí, neboť všechny jiné materiály jsou právě srovnávány výhradně s cihelným zdivem.
Vývoj cihel a požadavky na tepelnou izolaci
Do nedávné minulosti jsme si pod pojmem cihla představili plnou pálenou cihlu. V souvislosti s vývojem požadavků na součinitel prostupu tepla zejména konstrukcí obvodových plášťů se cihla začala proměňovat. V současnosti jsou na trhu dostupné cihly, které jsou vhodné i pro jednovrstvé konstrukce obvodových plášťů pasivních domů. Podle [2] lze vývoj požadavků na součinitel prostupu tepla (U) rozdělit na sedm generačních období podle jejich délky trvání. První norma zabývající se tepelně technickými vlastnostmi byla platná od roku 1949. Do roku 1964 hodnoty tepelného odporu stěn vycházely z etalonu stěny z plných pálených cihel.
S vývojem požadavků na stěnové konstrukce se také začíná měnit tvar cihel. Od plných cihel se přechází v období let 1946-1960 k příčně děrovaným cihlám typu CDm. V letech 1961-1980 se objevuje typ cihly CDK a CD Týn. Cihly typu CD Týn můžeme považovat za mezník, neboť se jednalo o bloky s rozměry (délka × šířka × výška), např. 290 × 190 × 215 nebo 240 × 365 × 238 mm, neboli o velkoformátové cihelné bloky. Výškový modul zdiva byl 250 mm při použití maltového lože o tloušťce 12 mm. V 90. letech přichází cihla „současného“ typu Therm se suchou styčnou spárou mezi jednotlivými cihelnými bloky označovanou pero drážka, též P+D. V sousedním Německu se v první polovině 90. let začínají objevovat tzv. broušené cihly, které mají zbroušené ložné plochy.
V současnosti hodnotu U = 0,25 W/(m2‧K), která odpovídá doporučené hodnotě podle normy ČSN 73 0540-2:2007 pro vnější těžké stěny, bez problémů splňuje jednovrstvé zdivo z cihelných bloků typu Therm o šířce 440 mm. Zdivo tloušťky 440 mm dosahuje součinitele prostupu tepla kolem hodnoty U = 0,21 W/(m2‧K) případně i nižší. Je jasné, že z pohledu požadavků na zvýšení tepelného odporu zdiva se nevyvíjel pouze tvar cihel, ale i samotný keramický střep, spojovací malta a také omítky. Stejně tak jako v Rakousku či Německu se v České republice začínají na trhu uplatňovat cihelné bloky o šířce 500 mm (v Německu je používaný rozměr 490 mm). Zdivo z těchto bloků dosahuje hodnot součinitele prostupu tepla nižších než U = 0,16 W/(m2‧K), což odpovídá ekvivalentní hodnotě součinitele tepelné vodivosti λ = 0,085 W/(m‧K), a tedy tepelnému odporu R = 5,88 m2‧K/W nebo i hodnotám lepším. Při vyplnění dutin tepelně izolačním materiálem je dosaženo až U = 0,11 W/(m2‧K). Podle ČSN 73 0540-1:2005 je za izolační materiál považován takový materiál, který má λ ≤ 0,1 W/(m‧K).
Čtěte také: Typy cihel pro stavbu krbu
Tepelné vlastnosti cihel a stavebních konstrukcí
Pálená cihla je nejrozšířenější stavební materiál. Všechny ostatní jsou s ní srovnávány, proto je dobré se podívat na její tepelně izolační vlastnosti. Tepelný odpor konstrukce R (m2K/W) vyjadřuje schopnost materiálů klást odpor při prostupu tepla konstrukcí. Čím vyšší hodnota tepelného odporu konstrukce je, tím lépe. 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. 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.
Současná stavební norma ČSN 73 0540-2 o tepelné ochraně budov pracuje s veličinou prostupu tepla U, což je de facto reciproční hodnota tepelného odporu R. Platí, že U se rovná zhruba 1/R. Čím menší je hodnota U, tím lepší jsou izolační schopnosti zdiva. Vezměme si například klasickou pálenou cihlu o tloušťce 45 cm, ta má velice malý tepelný odpor. Pokud to tedy přepočteme na současnou normu, tak součinitel prostupu tepla U je pro plné zdivo o tloušťce 45 cm zhruba 1,3 (m2K/W). Doporučenou hodnotu pro vnější svislé stěny bez problémů splňuje například jednovrstvové zdivo z cihelných bloků typu Therm o šířce 440 mm. Tento materiál dosahuje součinitele prostupu tepla kolem hodnoty U= 0,21 W(m2‧K) případně i nižší.
Podobně jako v sousedních zemích (především v Německu a v Rakousku) se i u nás objevují cihelné bloky o šířce 500 mm, které mají součinitele prostupu tepla nižší než U= 0,16 W(m2‧K), což odpovídá tepelnému odporu R= 5,88 (m2‧K/W) nebo i lepšímu. Pakliže jsou dutiny vyplněny tepelně izolačním materiálem, je dosaženo až U= 0,11 W(m2‧K).
Součinitel prostupu tepla
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. 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.
Čtěte také: Trendy v cihlových obkladech do kuchyně
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.
Možnosti zateplení zdiva z plných pálených cihel
Stávající zdivo z klasických plných cihel na tloušťku 45 cm má velmi malý tepelný odpor (značí se R). Udává se hodnota R v rozmezí 0,65 až 0,75 (m2.K/W). Současná norma ČSN 73 0540-2 - Tepelná ochrana budov (10/2011) pracuje s veličinou součinitel prostupu tepla U. To je přibližně reciproční hodnota zmíněné R. Platí, že U se rovná přibližně 1/R. Závazná norma ČSN 73 0540-2 - Tepelná ochrana budov (10/2011) udává minimální požadovanou hodnotu součinitele prostupu tepla U 0,30 (W/m2.K). Ta se již prakticky ani pro rekonstrukce nepoužívá. Hodnota doporučená je 0,25 (W/m2.K). Té by bylo vhodné dosáhnout. Pro nízkoenergetický standard je pak potřeba splnit hodnotu součinitele prostupu tepla „U“ 0,18 až 0,12 (W/m2.K).
Tepelně izolační omítky: Tepelně izolační omítky různých výrobců se vyrábí vylehčením póry a s příměsí polystyrénového granulátu nebo perlitu. Jejich tepelná vodivost λ nedosahuje lepších hodnot než 0,09 až 0,17 (W/m.K).
Kontaktní zateplení děrovaným EPS: Kontaktní zateplení děrovaným EPS (patrně v systému s šedým EPS) je vhodnou variantou. Difúzní vlastnosti zdiva se zásadně nezhorší, při použití více paropropustných lepidel a finálních omítek lze připustit i mírně vlhké zdivo kolem 5%, max. do 7%. Před každým použitím lepeného izolantu doporučuji vlhkost ověřit změřením z odebraného vzorku. Póry umožňují odvětrávaní, EPS není nasákavý, v šedé variantě se lze dostat na doporučenou hodnotu již při cca 12 až 14 cm izolantu.
Minerální vata: Minerální vata má tepelnou vodivost deklarovanou kolem 0,040, prakticky cca 0,042 W/m.K. Musí být tedy ve větší tloušťce, cca 16 cm, spíše více. Přestože jsou vlákna hydrofobizovaná, určitou náchylnost ke zvýšení vlhkosti má (pokud bude rosný bod v izolantu, ale dá se navrhnout konkrétní tloušťka i tak, aby kondenzace byla minimální. To vyjde z výpočtu. Vysoká vlhkost zdiva ale může vatu také ovlivnit.
Čtěte také: Šamot pro vytápění
Zateplení minerální vatou s odvětráním pod fasádní obklad: Zateplení minerální vatou s odvětráním pod samostatný přidaný fasádní obklad je pro zavlhčené zdivo nejšetrnější řešení. Je zde ale vyšší cena. Tloušťka vaty bude jako výše, materiálních řešení obkladu a roštů je mnoho. Při obavách z vyšší vlhkosti zdiva tedy lze doporučit variantu 4.
Vliv vlhkosti na tepelně izolační vlastnosti
Vždy platí, že zateplovat by se mělo jen suché zdivo. To znamená před jakýmkoli zateplováním odstranit příčiny vlhnutí (například podříznout zeď a vložit izolaci). Pokud vlhké zdivo opatříme zvenku kontaktním zateplením (s vysokým difuzním odporem), problémy s vlhkostí se zaručeně zhorší. Vlhkost, která se až dosud odpařovala z vnějšku i zevnitř, může najednou odcházet jen z vnitřní strany. To vede k objevení nebo zvětšení "map" a někdy i k plísním. Takovéto problémy se mohou objevit i u zdí, které se před zateplením jevily jako suché.
Požadavku na dostatečnou izolační schopnost (při rozumné tloušťce) jen stěží vyhoví zeď z jakýchkoli cihel či tvárnic. Proto je rozumné dimenzovat nosné zdivo jen podle statických požadavků a doplnit izolaci podle potřeby.
Anizotropní tepelná vodivost zdiva z dutinových tvarovek
Keramické tvarovky s vertikální orientovanými dutinami patří k velmi často používaným stavebním materiálům. Výrobci pro ně standardně uvádějí pouze ekvivalentní tepelné vodivosti ve vodorovném směru kolmo na povrch stěny, což ve většině běžných případů postačuje, protože tepelný tok přes zdivo je obvykle orientován právě takto. Při posuzování řady tepelných vazeb (např. atik, založení stěn, ale i běžných rohů) je nicméně potřebné znát i ekvivalentní tepelné vodivosti zdiva ve zbylých dvou směrech, protože k šíření tepla dochází i ve svislém směru a ve směru rovnoběžném s povrchem stěny. I když výrobci zdiva uvádějí v zásadě výhradně vlastnosti pro vodorovný tepelný tok (kolmo na povrch zdiva), při praktickém posuzování stavebních detailů je velmi často potřebné zohlednit skutečnost, že zdivo není izotropní materiál a jeho ekvivalentní tepelná vodivost je různá pro zbývající dva směry tepelného toku.
V nedávné době byly publikovány nové studie, které s pomocí CFD modelování upřesnily vzájemný poměr tepelné vodivosti ve svislém a vodorovném směru (kolmo na povrch zdiva). Uvažuje-li se tepelná vodivost zdiva shodná ve všech směrech, mohou výsledky posouzení podobných detailů vykazovat citelné chyby. Struktura dutinových tvarovek je totiž optimalizována pro šíření tepla kolmo k povrchu stěny a zdivo proto vykazuje ve zbylých směrech obvykle horší tepelné vlastnosti. Problematikou komplexního šíření tepla v dutinových tvarovkách se zabývalo již mnoho odborníků, ale obvyklým cílem analýz byl pouze tepelný tok ve směru kolmém na povrch stěny. Výjimky, např. práce [1-3], jsou omezeny použitými 2D modely a navíc předpokládají poměrně nízké vzduchové dutiny, které neodpovídají svými rozměry dutinám v dnes běžných izolačních cihlách. V ČR se coby průkopnická práce objevila studie [4], v níž se ovšem šíření tepla ve vzduchových dutinách modelovalo jen orientačně přes ekvivalentní tepelnou vodivost odvozenou metodikou EN ISO 6946. Nicméně i tak tato práce obrátila pozornost k fenoménu anizotropních vlastností zdiva z keramických tvarovek a inspirovala vznik detailnějších studií [5-6], které s pomocí CFD analýzy [7] určily poměry mezi ekvivalentní tepelnou vodivostí zdiva ve svislém směru a ve vodorovném směru kolmo k povrchu stěny.
Ekvivalentní tepelnou vodivost zdiva lze výpočtově stanovit na základě numerického řešení šíření tepla vedením, prouděním a sáláním v charakteristickém výseku zdiva, který musí zahrnovat obvykle minimálně dvě tvarovky a k nim příslušné poloviny ložných a styčných spár. Výsledkem CFD analýzy je pak celkový tep. tok charakter.
Ve studii [5] byla publikována závislost poměru mezi ekvivalentními tepelnými vodivostmi ve svislém a vodorovném směru pro řadu modelových tvarovek, které se lišily počtem a velikostí vzduchových dutin. Celkové rozměry tvarovek zůstávaly stejné a odpovídaly běžně vyráběným tvarovkám (300 x 238 x 247 mm). Ve všech případech také tvořil vzduch 52 % z celkové plochy průřezu tvarovky (toto procento odpovídá průměrnému podílu vzduchových dutin v soudobých tvarovkách). Ložné spáry byly uvažovány v tloušťce 12 mm a styčné spáry v tloušťce 3 mm - obojí pak vyplněné lehkou maltou.
Stejný typ modelových tvarovek byl použit i pro odvození závislosti poměru ekvivalentních tepelných vodivostí zdiva v obou vodorovných směrech na průřezové ploše dutin ve tvarovkách. Hodnoceny byly tvarovky s průřezovou plochou dutin pod 35 cm2 coby běžnější zástupci dnešních izolačních cihel. Příčinou zvýšení tepelné vodivosti ve směru rovnoběžném s povrchem stěny je v daném případě jednak větší počet takto orientovaných stěn voštin a jednak širší vzduchové dutiny, v nichž dochází ke stále citelnému šíření tepla prouděním.
Stejně jako existují určité rozdíly mezi ekvivalentní tepelnou vodivostí modelového a skutečného zdiva pro svisle orientovaný tepelný tok [6], existují podobné rozdíly i v případě tepelného toku orientovaného vodorovně s povrchem stěny. Pokud budeme uvažovat např. tři typické, z hlediska geometrie průřezu jednodušší tvarovky z dnes dostupného sortimentu (jedna z nich - tvarovka tl. 400 mm - je zobrazena na Obr. 1), získáme dosti rozdílné výsledky (Tab. 2). Zatímco pro zdiva tl. 400 a 440 mm je ekvivalentní tepelná vodivost rovnoběžně s povrchem podle očekávání zhruba 2x vyšší než vodivost kolmo k povrchu, pro zdivo o tl. 300 mm vycházejí obě tepelné vodivosti ve vodorovném směru v zásadě shodné. Příčinou je geometrie tvarovky tl. 300 mm, která má v horizontálním směru (kolmo k povrchu) širší dutiny.
Anizotropní vlastnosti zdiva z keramických tvarovek se projeví v řadě tepelných vazeb. Nejčastěji ovlivňuje výsledky analýzy tepelných mostů zvýšená tepelná vodivost zdiva ve svislém směru, ale existuje i řada detailů, v nichž se projeví i zvýšená tepelná vodivost ve směru rovnoběžném s povrchem stěn. Typickým zástupcem je běžný kout dvou obvodových stěn. Z výsledků výpočtu vnitřní povrchové teploty pro různé varianty modelu koutu je patrné, že významnější rozdíly mezi izotropním a anizotropním modelem lze očekávat jen při nezatepleném zdivu.
Na základě výsledků detailního CFD výpočtu modelového i skutečného zdiva lze očekávat, že tepelná vodivost zdiva z dutinových tvarovek typu Therm se bude pohybovat zhruba kolem dvojnásobku tepelné vodivosti uváděné výrobcem.
Přehled tepelné vodivosti vybraných stavebních materiálů
Tepelná vodivost stavebních materiálů významně závisí na jejich pórovitosti a hustotě. Čím nižší hustota, tím nižší tepelná vodivost materiálu. Proto je pro porézní a lehké materiály charakteristická nízká tepelná vodivost. Například v naší tabulce tepelné vodivosti materiálů a ohřívačů lze rozlišit následující stavební materiály s nízkým koeficientem tepelné vodivosti - to je aerogel (od 0,014 W / (m stupňů)), skelná vata, pěnový polystyren a pěnový kaučuk (z 0,03 W / (m · deg)), MBOR tepelná izolace (od 0,038 W / (m · deg)), pórobeton a pěnobeton (z 0,08 W / (m · deg)).
Ekologické a přírodní materiály jako konopná, lněná, jutová nebo dřevovláknitá izolace má velmi podobný součinitel tepelné vodivosti jako např. minerální izolace.
| Materiál | Hustota, kg/m3 | Tepelná vodivost, W/(m·deg) | Tepelná kapacita, J/(kg·deg) |
|---|---|---|---|
| Aerogel (Aspen aerogely) | 110…200 | 0.014…0.02 | 1700 |
| Skelná vlna | 155…200 | 0.038 | 800 |
| Pěnový polystyren Penoplex | 22…47 | 0.03…0.036 | 1600 |
| Pěnová guma | 82 | 0.033 | - |
| Pórobetonový blok | 400…800 | 0.15…0.3 | - |
| Červená porézní cihla | 1500 | 0.44 | - |
| Dutá cihla | - | 0.44 | - |
| Zdivo keramické duté cihly na cemento-pískovou maltu | 1000…1400 | 0.35…0.47 | 880 |
| Zdivo "Poroton" | 800 | 0.31 | 900 |
| Minerální vata lehká | 50 | 0.045 | 920 |
| Minerální vata těžká | 100…150 | 0.055 | 920 |
| Korková deska | 145 | 0.042 | - |
| Pěnový polyuretan | 40…80 | 0.029…0.041 | 1470 |
| Perlit expandovaný | 100 | 0.06 | - |
| Dřevovláknitá deska | 200…1000 | 0.06…0.15 | 2300 |
Z pohledu tepelného odporu konstrukce není až tak důležité, jaké tloušťky například zdivo je, ale spíše o jaký materiál se jedná. Z podílu hodnot je jasné, že tepelný odpor poroste významněji v případě, že bude menší tepelná vodivost materiálu. Tloušťku totiž nelze nějak významně zvyšovat, spíše naopak. Plná cihla, tloušťka zdiva 44 cm, součinitel tepelné vodivosti 0,8. Cihelný blok současný, tloušťka zdiva 44 cm, součinitel tepelné vodivosti 0,12. R = cca 4,0 (m2.K/W). Pokud si jako příklad vezmeme polystyrén, ten má součinitel tepelné vodivosti 0,039 (W//m·K). R = 0,16 / 0,039 = 4,1 (m2.K/W). K tomu připočteme tepelný odpor původní zdi 0,8 a výsledek je přibližně 4,9 (m2.K/W). Pokud se tedy rozhodujeme, zde zateplit nebo ne, zkoumá se, z jakého materiálu je stávající obvodová konstrukce, jaké jsou její současné tepelně technické parametry a jaký typ izolantu bude v daném případě vhodný.
tags: #voštinové #cihly #tepelná #vodivost