Tepelné izolace ve střechách a jejich chování

Způsob, jakým se vykládá a počítá účinnost tepelných izolací ve střechách a stěnách, je vzdálen realitě. Většinou přehlíží existenci záření (sálání), v lepším případě se jeho teplota mylně ztotožňuje s teplotou vzduchu. To vede k tomu, že izolace někdy účinkuje hůře, jindy lépe než čekáme. Odchylky mohou být podstatné, jak ukazuje tento článek.

Jak vlastně působí podnební vlivy na tepelné ztráty a zisky, které unikají, resp, vnikají do našich domů střechou a stěnami? Rozdělme je do typických případů:

Slunný den

Slunce na jasné obloze zaplaví domy i okolí zářením o intenzitě (hustotě zářivého toku) asi 1000 W/m² s odpovídající hustotou energie 13,3 μJ/m³ (mikrojoulů na metr krychlový). Vyplývá to z Planckova vyzařovacího a z něho odvozeného Stefanova – Boltzmannova zákona¹). Teplota tohoto záření je 5500 °C, což je teplota na povrchu Slunce.

Toto záření může ohřát tělesa až na teplotu 5500 °C. V pozemských podmínkách, 150 milionů km od Slunce, je ho ale na takový výkon málo. Dokáže rozpálit střechy, stěny a jiné stavební konstrukce cca na nějakých 80 °C. Lépe se sluneční záření předvede, když jeho svazek zkoncentrujeme lupou do malé plošky; pak jím můžeme zažehnout oheň nebo i roztavit kov.

Jasná noc

Střechy a stěny domů (i povrch země) vyzařují proti obloze a okolí tepelné záření. Při povrchové teplotě dejme tomu 0 °C vyzařují s intenzitou 316 W/m². To je obrovské číslo. Má-li např. střecha tepelnou izolaci na požadované úrovni normy (U = 0,24 W/(m²K)), mělo by při vnitřní teplotě 20 °C unikat teplo jen s intenzitou 4,8 W/m².

To, že střecha (je-li zásobena zevnitř tokem tepla 4,8 W/m²) rychle nechladne, je dáno tím, že obloha, okolní předměty a v malé míře i vzduch v těsném sousedství dodává střeše teplo s příkonem 316 – 4,8 = 311,2 W/m². Mohli bychom říci, že teplota venkovního prostředí je –1 °C, což plyne z inverzního S–B zákona.

V čem je problém?

V tom, že když, např. za slunečného únorového dne, teploměr ukáže 0 °C, může se povrch střechy ohřát třeba na t_P = 30 °C. Stavební výpočty striktně za venkovní teplotu považují teplotu vzduchu, tedy t_EXT = 0 °C. Jenže aby byla zachována prostá posloupnost t_INT > t_P > t_EXT, nebo naopak t_INT << t_P << t_EXT , nutně musí být v exteriéru t_EXT > 30 °C!

Podrobnější pohled ukáže na zásadní nespolehlivost další veličiny, která je pevně ukotvena ve stavebních tepelných výpočtech. Tou je odpor při přestupu tepla na venkovní straně, který norma stanovila na r_P = 0,04 m²K/W a který je součástí výpočtu součinitele prostupu tepla U. Při povrchové teplotě střechy 30 °C – vzduch má stále 0 °C – je vnitřek domu zásoben teplem o příkonu cca 0,24 × 10 = 2,4 W/m². Co z toho plyne pro střední či efektivní venkovní teplotu, která zahrnuje obě složky, tzn. jak teplotu hmoty vzduchu, tak záření?

Při větrném počasí, kdy je nesálavý přestupový tepelný odpor na povrchu střechy malý, dejme tomu 0,052 m²K/W (jde o nesálavou složku „normového” přestupového odporu 0,04 m²K/W při teplotě střechy 30 °C), bude teplota prostředí v okolí střechy 37 °C. Při téměř nehybném vzduchu (nesálavá složka „normového” přestupového odporu 0,13 m²K/W při teplotě střechy 30 °C) bude již 97 °C!

Stručně řečeno: Teplota vzduchu se může zcela lišit od teploty záření, které navíc obsahuje zemskou a sluneční složku, které se od sebe liší obrovským rozdílem teplot, 300 K versus 5770 K. Jde o nerovnovážné prostředí, dalece vzdálené ustáleným podmínkám, které stavební tepelné výpočty předpokládají.

Při noční jasné obloze je problém podobný. Teplota přízemního vzduchu a tedy i teplota do stavebních výpočtů může být o 10 °C vyšší i více, než je teplota záření oblohy, které produkují hlavně skleníkové plyny a kapénky vodní páry cca do výšek 6 km. Také zemská radiace chladne rychleji než vzduch. Efektivní teplota tak může být o 5 i více °C nižší, než je teplota hmoty vzduchu pro výpočty.

Existuje jediný případ, kdy se teplota vzduchu a záření v okolí domu s dostatečnou přesností sobě rovnají. Je to velmi zamračené počasí s nízkou oblačností.

Co z toho plyne?

Současné výpočty, na jejichž základě se posuzuje energetická náročnost staveb, nedokáží postihnout reálné okamžité teploty venkovního prostředí, které musí zahrnovat jak teplotu vzduchu, tak teplotu záření od zemského povrchu a Slunce. Zpřesňování denostupňových postupů na hodinostupňové apod. při zanedbání tepelného záření nic neřeší. Etablované výpočty, až na výpočet pasívních zisků okny podle statistiky slunných dnů, tak mohou dát zkreslený výpočet roční energetické spotřeby domu na vytápění popř. chlazení. V každém případě ale dobře slouží pro porovnávání různých domů.

Co dělat?

Z článku plyne, že záření, ať už jeho přebytek za slunných dní, nebo naopak jeho nedostatek v noci, zejména při jasné obloze, vede k extrémním teplotám. Na tyto situace je vhodné se připravit. Řešením je dobrá tepelná izolace zejména ve střechách, spojená případně s její vyšší tepelnou akumulací.

Energeticky nejexponovanější konstrukcí domu je střecha. Na ní by se měl každý zaměřit co nejvíc. V zimě může její povrchová teplota hluboko klesnou (o 5 i více stupňů) pod teplotu vzduchu i fasády. V létě na slunci se může rozpálit až na cca 70 °C. S rostoucí účinností izolace střechy se denní nárůst a noční pokles teploty zvětšuje, což je dobrým znamením, že teplo v prvním případě neputuje dovnitř a ve druhém ven.

Běžná mezikrokevní tepelná izolace 16 cm s krokvemi jako tepelnými mosty nedává záruky příjemného vnitřního prostředí zejména v létě. Dobrým řešením, které neubírá obytný prostor, je nadkrokevní izolace, jejíž tloušťku lze téměř libovolně měnit.

Rozpálí-li slunce střešní krytinu na 70 °C, krytina vyzařuje přímo do izolace s intenzitou téměř 800 W/m². Proto výrobci střešních izolací, ve snaze co nejvíc zlepšit její tepelněizolační účinky, často používají tepelně reflexních povrchů. Sendvičové nadkrokevní panely už z výroby bývají opláštěny reflexním hliníkovým obalem. Jeho funkce, kromě paronepropustnosti, je v tom, že odcloní sálavou složku šíření tepla, která přenáší cca 1/3 tepla (v případě zmíněných teplot ještě mnohem více).

Podobně lze zlepšit vlastnosti běžné minerální nebo pěnové tepelné izolace ve střechách pomocí reflexních fólií. Fólie lze přikládat reflexním povrchem do izolace nebo ven. V prvním případě reflexní povrch přeruší sálavý tok tepla v už izolaci, v druhém sálaný tok v přilehlé vzduchové mezeře (reflexní povrch, který záření odráží, tak ho ani nevyzařuje).