Domy, které v zimě skutečně hřejí a v létě chladí

V budoucnu nás nebude trápit nedostatek energie a její (s)potřeba na vytápění, ale hlavně ochrana před letním přehříváním interiéru. Účinné řešení je netriviální a spočívá ve správné volbě těžké stavby, včetně střechy. Její návrh lze opřít o známý a dostupný materiál a jeho akumulační vlastnosti, které jsou popsány v článku.

Pro úplnost dodejme, že velmi důležitou součástí tepelné ochrany budov jsou také barvy venkovních povrchů fasády a střechy, čemuž se na tomto webu věnujeme jinde, například v článku Letní přehřívání budov aneb Praha versus Arrecife.

Materiály s akumulací tepla, nástroj proti teplotním šokům

Budovy mohou být stavěny z rozmanitých materiálů. Dle jejich hmotnosti dělíme výsledné objekty na lehké (malá akumulace tepla) a stavby těžké (s výbornou teplotní setrvačností). A…

Horké letní počasí, jasno a ostré slunce 16 hodin denně po dva až tři týdny. I to může být léto. Představme si dům typu bungalov 10 × 10 m s pultovou střechou ve výšce 4 m nad terénem, jehož stěny míří k hlavním světovým stranám. Tab. 1 ukazuje, že tento dům absorbuje za jediný slunný den v době letního slunovratu až 1 493 kWh sluneční energie (tab. 1). To je víc, než co protopí dům na lepší energetické úrovni za celou sezónu. Povrch střechy i obvodových stěn horké slunce rozpálí až k 70 °C. Do interiéru o teplotě 25 °C pak vniká, např. střechou o součiniteli U = 0,16 W/(m²K), okamžitý tepelný tok o intenzitě:

Co se týče celodenní bilance tepelných zisků, výpočet podle [1], zohledňující dráhu Slunce na obloze v průběhu dne a vyčíslený v tab. 1 ukazuje, že jen střechou o ploše 100 m² za celý slunný den letního slunovratu může do interiéru vstoupit až 6,1 kWh tepla. Připočteme-li k tomu i stěny (U = 0,25 W/(m²K)), dostaneme se na tepelný zisk 12,5 kWh.

	plocha m2	MSE kWh/(m2 den)	CSE kWh/den	zisk kWh
střecha	100,0	8,75	874,9	6,10
východní stěna	40,0	5,31	212,4	2,54
jižní stěna	40,0	2,68	107,3	0,86
západní stěna	40,0	5,31	212,4	2,54
severní stěna	40,0	2,16	86,4	0,46
Celkem	260,0		1 493,5	12,49

Tab. 1: Měrná celodenní (MSE) a celková celodenní (CSE) sluneční energie dopadající v den letního slunovratu na střechu a stěny bungalovu o půdorysu 10 × 10 m s pultovou střechou ve výšce 4 m. V posledním sloupci je odpovídající tepelný zisk v interiéru rozpočítaný na jednotlivé obálkové konstrukce a vztažený k vnitřní teplotě 25 °C (bez započítání oken a tepelné akumulace).

Čísla v tab. 1 a grafy na obr. 3 a obr. 4 plynou z energetické bilance bez započítání vlivu tepelné akumulace. Při venkovní teplotě vzduchu 25 °C a sálavé teplotě prostředí 0 °C dopadá sluneční záření pod proměnnými úhly na střechu a stěny domu a ohřívá je. Ohřáté povrchy se pak zbavují tepla

a) sáláním zpět do venkovního prostředí,
b) přestupem do venkovního vzduchu při vedení a proudění a
c) prostupem dovnitř domu podle vzorce (1).

Děj c) vede k ohřívání interiéru. To ale nenastává ihned, čemuž se věnuje tento článek. Zaznamenáme ho až ve chvíli, kdy se obvodová stěna či střecha ohřeje i na interiérové straně, tzn. když sem dorazí teplotní vlna. U těžkých obvodových nebo střešních konstrukcí to může trvat i dny.

Setrvačnost vnitřní povrchové teploty obvodových konstrukcí

V našich článcích se často zmiňujeme o významu takzvané relaxační doby (τ) zdiva, na základě které lze kvantitativně hodnotit zdivo z hlediska jeho tepelně akumulačních vlastností…

Příkladem jsou obálkové konstrukce paláce na obr. 1. I k malému ohřátí spotřebují obrovské množství tepla a než čelo teplotní vlny dorazí na jejich vnitřní stranu, jeví se jako izolant. Následně může téct dovnitř teplo ještě dlouho potom, co se po západu slunce venkovní strana ochladí. Amplituda teplotní vlny je však na vnitřní straně silně ztlumena, takže ji sotva zaregistrujeme. Příjemné vnitřní teploty v paláci během horkých letních dní tedy závisejí na velké schopnosti jejích stěn a střech akumulovat teplo.

Téma: sluneční architektura

Tepelná akumulace a materiály

Papežský palác v Avignonu na jihu Francie (Provence-Alpy-Azurové pobřeží) na obr. 1, vystavěný ze světlého pískovce na skalnatém lůžku z vápence, si i ve vedrech drží příjemný vnitřní chládek cca 25 °C. A tak místo procházky městem návštěvník radši upřednostní pozornou prohlídku palácových komnat, kde ho čeká i socha římského císaře a českého krále Karla IV. Chládek tu je z důvodu vysoké tepelné akumulace těžkého obvodového zdiva a střech palácových budov a neposlední řadě i vnitřních konstrukcí. Jinými slovy, grafy na obr. 3 a obr. 4 tu neplatí, neboť neuvažují čas nutný k „nabití” stěn a střech paláce teplem. Slunce za dne ohřeje jen část pískovce pod osluněným povrchem a to ještě s podstatným zpožděním. Po západu už venkovní povrchy v důsledku sálání chladnou. Než teplotní vlna dorazí dovnitř, je podstatně zeslabena, o desítky hodin zpožděna a silně ztlumena. Výsledkem je takřka stabilní celodenní vnitřní teplota v paláci.

Příklad konstrukce s akumulací tepla

Jestliže chceme v našich domech nejen šetřit za vytápění a chlazení, ale i žít v celoročně příjemném prostředí se stabilní teplotou, potom si jen s tepelnou izolací, ať je jakkoli…

Stejný děj může pro nás pracovat i u bytových a rodinných domů, pokud pro jejich výstavbu zvolíme tepelně akumulační zdivo a zejména střechu; tou se u přízemních domů realizuje až 50 % tepelných ztrát či nežádoucích zisků (viz tab. 1). Je polovičaté soustředit se na akumulační zdivo a ponechat lehkou střechu.

Tab. 2 uvádí pět stavebních materiálů a jejich vlastnosti, které rozhodují o teplotní stabilitě domů. Jsou to specifické teplo, hustota a součinitel tepelné vodivosti. Tyto materiály lze rozdělit do tří základních skupin:

1. Tepelné izolace (zejména EPS, MW),
2. konstrukční materiály (cihla, beton, vápenopísková tvárnice ...),
3. kombinované materiály (dřevo, lehčený pórobeton nebo cihla s integrovanou tepelnou izolací).

Kombinované materiály v sobě zahrnují jak funkci nosnou či statickou, tak tepelněizolační, takže lze obě funkce splnit v jediném kroku. Odpadá zateplení fasády izolačními deskami, což šetří čas i peníze. Navíc získáme tuhou a pevnou, zkrátka trvanlivou fasádu, což je také hodnota.

	měrné teplo [J/kg/K]	hustota [kg/m3]	lambda [W/(mK)]	tloušťka [m]
HELUZ FAMILY 50 2in1	1 000	650	0,056	0,500
POROTHERM 50 T Profi	1 000	680	0,076	0,500
Lambda YQ	1 000	300	0,077	0,500
Silka S20-2000	1 000	2 000	0,75	4,87a)
Dřevo	2 510	400	0,225	1,430a)
EPS	1 215	13	0,039	0,253a)
MW	800	85	0,038	0,247a)
a) Tloušťky izolací (EPS a MW) a tvárnice Silky jsou pro srovnání nastaveny tak, aby odpovídaly tepelnému odporu tvárnice Lambda YQ tloušťka 500 mm

Tab. 2: Měrné teplo, hustota, součinitel tepelné vodivosti a tloušťka obálkových stěn z vybraných materiálů.

Z materiálů v tab. 2 vytvoříme jednovrstvé stěny o takové tloušťce, aby měly součinitel prostupu tepla U = 0,17 W/ (m²K). To je hodnota deklarovaná pro zdivo z tvárnic Lambda YQ tloušťky 500 mm, která vyhovuje pro výstavbu pasivních domů. Tyto tloušťky uvádí poslední sloupec tab. 2. S těmito stěnami pak provedeme výpočetní test, při kterém na jednom jejich povrchu (říkejme mu vnější) harmonicky měníme teploty a na druhém (vnitřním) pak sledujeme teplotní odezvu. Test spočívá v numerickém řešení rovnice vedení tepla v jednorozměrném podání s těmito okrajovými podmínkami:

a) Při průměrné celodenní teplotě 10 °C se harmonicky mění venkovní povrchové teploty mezi 5 °C a 15 °C po dobu 96 hodin, tj. 4 dnů.

b) Na vnitřní straně stěny je nulový tepelný tok, tzn. adiabatické podmínky. Jinými slovy za stěnou není žádné topidlo ani chladič, které by ovlivňovaly teplotu vnitřního povrchu stěny.

Téma: Letní přehřívání budov

Výsledky testu ukazují obr. 4a, 4b a tab. 3.

materiál/veličina	rozměr	EPS	MW	Family 2in1	PTH 50T Profi	Lambda YQ	Dřevo Silka
Fázový posun teplotní vlny	hod.	3:10	7:30	440	350	24	>96
Útlum teplotní vlny	bezr.	1,25	3,57	∞	∞	182	∞

Tab. 3: Fázový posun a útlum teplotní vlny definované okrajovými podmínkami a) a b) pro projití vzorky podle Tab. 2.

Rozbor výsledků

Abychom postavili dům na zvolené tepelněizolační úrovni obálkové konstrukce U = 0,17  W/(m²K), potom vedle materiálu Lambda YQ o tloušťce 500 mm lze volit Silku o tl. 4 870 mm, dřevo o tl. 1 429 mm, izolaci EPS o tl. 253 mm a izolaci z minerální vaty o tl. 247 mm. Je očividné, že v případě dřeva a Silky dostáváme nevýhodně silné vrstvy, naopak izolace musíme doplnit o nosnou vrstvu, která zvýší tloušťku cca na 500 mm a dodá potřebnou akumulační schopnost.

Je pozoruhodné, že stěna z těžkých zdicích materiálu (Porotherm 50 T, HELUZ Family, Lambda YQ ap. se blíží tlustým stěnám ze dřeva a z těžkých materiálů typu beton, Silka apod. svými tepelněakumulačními vlastnostmi, což je fázový posun teplotní vlny a její útlum.

Lze říci, že těžké materiály pro obvodové zdění (Lambda YQ, HELUZ Family 2 in 1 , Porotherm 50 T ap.) účinkují jako nosná tepelná izolace s akumulační funkcí. Užitečné je i zjištění, že „čisté” tepelné izolace sice nepropouštějí teplo, ale neudrží teplotu. To ovlivňuje pocit tepelné pohody, a to i tehdy, když je tepelná izolace aplikována na vnitřní temperované straně zdi. Po vypnutí vytápění či chlazení sice vnitřní izolace stejně dobře brání tepelnému toku, ale bez mokutné zásoby studená venkovní stěna vytvář i tokivymizí v izolaci teplotní spád a ona působí teplotou zdiva za ní.

Důležité je i zjištění, že chladnutí rozehřátých staveb řídí nejen teplota venkovního vzduchu, ale hlavně sálavá teplota prostředí, kterou jsme volili na úrovni 0 °C. Tuto veličinu ovlivňuje hlavně nízká sálavá teplota jasné oblohy, která v létě za dne klesá pod –30 °C, v noci i více.

Závěr

Těžké zdicí materiály, které v sobě zahrnují funkci konstrukčního, tzn. nosného materiálu a tepelné izolace (např. Lambda YQ, HELUZ FAMILY 2in1 , Porotherm 50 T ap.), dobře tlumí a brzdí teplotní vlnu na úrovni, která se blíží vysoce akumulujícím materiálům, jako jsou cihly, Silka nebo dřevo. Na rozdíl od nich také výborně tepelně izolují a při tloušťce 500 mm vyhoví i požadavkům pro pasivní dům.

Téma: sluneční architektura

Literatura a zdroje:

[1] Hejhálek Jiří: Účinný podíl sklonité plochy a celodenní sluneční dopadající energie. Výpočtový program na www.stavebnictvi3000.cz.