Domy, které v zimě skutečně hřejí a v létě chladí

Rozumná rezidenční výstavba musí myslet na budoucnost ve výhledu více generací. V budoucnu nás nebude trápit málo energie a její (s)potřeba na vytápění, nýbrž 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.

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 m2MSE kWh/(m2 den)CSE kWh/denzisk kWh
střecha100,08,75874,96,10
východní stěna40,05,31212,42,54
jižní stěna40,02,68107,30,86
západní stěna40,05,31212,42,54
severní stěna40,02,1686,40,46
Celkem260,01 493,512,49
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.

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.

Obr. 2: Průběh celodenní intenzity oslunění ve W/m2 pro střechu a stěny bungalovu z textu v prvním letním dni.
Obr. 3: Průběh okamžité povrchové teploty při intenzitě oslunění z obr. 2 pro střechu a stěny bungalovu z textu v prvním letním dni. Vliv tepelné akumulace není započítán.
Obr. 4: Časový průběh prostupu tepla ve W/m2 při intenzitě oslunění z obr. 2 pro střechu a stěny bungalovu z textu v prvním letním dni. Vliv tepelné akumulace není započítán.

Tepelná akumulace a materiály

Papežský palác 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. 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 o desítky hodin zeslabena, zpožděna a silně ztlumena. Výsledkem je takřka stabilní celodenní vnitřní teplota.

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 (EPS, MW),
  2. konstrukční materiály (vápenopísková tvárnice Silka S20-2000),
  3. kombinované materiály (dřevo, Lambda YQ).

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.

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

měrné teplo [J/kg/K]hustota [kg/m3]lambda [W/(mK)]tloušťkaa) [mm]
Lambda YQ1 0003000,077500
Silka S20-20001 0002 0000,754 870
Dřevo2 5104000,2251 429
EPS1 215130,039253
MW800850,038247
a) Tloušťky jsou nastaveny tak, aby odpovídaly tepelnému odporu tvárnice Lambda YQ tloušťka 500 mm

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.

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

Obr. 4a: Odezva vnitřní povrchové teploty (barevné křivky) na venkovní harmonickou změnu teploty (šedá šrafovaná křivka).
Obr. 4b: Odezva vnitřní povrchové teploty (barevné křivky) na venkovní harmonickou změnu teploty (šedá šrafovaná křivka). Detail pro materiál Lambda YQ, dřevo a Silku S20-2000 a pro teplotní rozsah (10 ± 0,5) °C.

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

materiál/veličinaEPSMWLambda YQDřevo Silka
Fázový posun teplotní vlnyhod.3:107:3023:30>96
Útlum teplotní vlnybezr.1,253,57182

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 materiálu Lambda YQ 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 Lambda YQ účinkuje 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 tehdy, kdy je tepelná izolace aplikována na vnitřní temperované straně zdi. Po vypnutí vytápění či chlazení (=adiabatické podmínky) vymizí 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

Materiál Lambda YQ, který v sobě zahrnuje funkci konstrukčního, tzn. nosného materiálu a tepelné izolace, tlumí a brzdí teplotní vlnu na úrovni, která se blíží vysoce akumulujícím materiálům, jako je Silka nebo dřevo. Na rozdíl od nich také výborně tepelně izoluje a při tloušťce 500 mm vyhovuje požadavkům pro pasivní dům. Lehké izolační materiály (pěnový polystyrén, minerální vlna apod.) kromě toho, že nemají nosnou funkci, snadno propouštějí teplotní vlnu, tzn. v porovnání s materiálem Lambda YQ mají nízký útlum a fázový posun teplotní vlny. Chceme-li využít výhod tepelněakumulačního zdění s materiálem Lambda YQ, musíme volit i těžkou střechu, ideálně jemu blízký systém Ytong Komfort.

Literatura a zdroje:

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

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Foto: Archiv firmy