Vzduchová mezera a tepelná ochrana budov

Nejsilnější teplosměnné děje nejen v přírodě, ale i ve stavbách realizuje sálání. Účinná tepelná izolace musí téměř zcela přerušit nejen „klasické“ teplosměnné děje - proudění a vedení tepla, ale hlavně sálavý tok tepla. To nejlépe řeší reflexní izolace ve vzduchové mezeře v roli tepelněizolačního souvrství domu.

Dnešní stavebnictví si s mezerou neví moc rady. Zná jen klasickou izolaci, řeší jen zimu a za vyšší energetickou náročností vidí jen zastaralá či špatná stavební řešení. Na https://www.tzb-info.cz/ je tabulka tepelných odporů vzduchových mezer o tloušťkách od 10 do 300 mm podle ČSN EN ISO 6946 (730558). Tabulku jsme obohatili o hustotu sdílení tepla při teplotním spádu <0°C; 20°C> mezi chladným a ohřátým okrajem mezery (červená čísla).

Tab. 1 říká, že mezera v roli tepelné izolace je hloupost. Ať je jakkoli tlustá, její tepelný odpor R je na hony vzdálen termoizolační obálce pasivního domu (cca R = 6,5 m2K/W). Odtud je už jen krok k myšlence, že každou vzduchovou mezeru je nejlépe vycpat tepelnou izolací.

Co je tepelný odpor?

Tepelný odpor je ve stavebnictví vlastnost konstrukce, která na základě obou povrchových teplot popisuje její schopnost bránit prostupu tepla. Tepelný odpor označujeme písmenem R, jednotkou je m²K/W.

Příklad: Je-li tepelný odpor obvodové konstrukce R = 5 m2K/W, pak při povrchové teplotě θI = 20 °C na její teplé straně a θE = –10 °C na straně studené protéká konstrukcí tepelný tok o hustotě (θEθI)/R = –30/5 = –6 W/m². Při ploše konstrukce 30 m² uniká skrze ní ven celkem –6 W/m²·30 m² = –180 W.

Jenže tak tomu není. Ukažme si, že hlavním teplosměnným dějem v mezeře je sálání a že jeho odcloněním reflexními povrchy zvýšíme tepelný odpor prázdné mezery až vysoko nad možnosti její „vycpávky“ běžnou tepelnou izolací.

Sálavý tok tepla v mezeře

Pracujme s prázdnou vzduchovou mezerou, jejíž okraje mají teplotu 0 °C a 20 °C. A nechť je v ní jediným teplosměnným dějem sálání. To se realizuje dvěma způsoby:

  1. Sdílení sálavého tepla mezi okraji mezery: Ze Stefanova - Boltzmannova zákona plyne, že při řečených okrajových teplotách zde sálání realizuje prostup tepla o intenzitě 103 W/m2. To je víc než 77 % celkového prostupu tepla mezerou. Sálaní jasně dominuje.

  2. Sdílení sálavého tepla mezi okraji mezery a jejím vnitřkem: Z jiného základního zákona (Planckova) plyne, že energetická hodnota a vůbec sama existence tepelného záření závisí jen na teplotě. Z tohoto pohledu je prostor mezery identický s tělesem o teplotě 10,4 °C (= 4. odmocnina z průměru 4. mocnin termodynamických teplot okrajů mezery, vyjádřená ve °C). Toto „prostorové těleso“ inkasuje na teplé straně zisk 51,5 W/m2 a tutéž dávku na chladné straně odvádí. Tento děj, který stavební fyzika nezná, znamená významné zvýšení role sálání (a potlačení vlivu vedení a proudění tepla) v celkovém prostupu tepla mezerou. A dále pokles (byť asi mírnější) celkového tepelného odporu mezery.

Termoreflexní izolace

Velké sálavé toky energie ve vzduchové mezeře lze dovést téměř k nule pomocí termoreflexních okrajů mezery. Říká to Tab. 2, v níž jsou intenzity sálavého toku tepla v mezeře libovolné tloušťky, jejíž okraje mají čtyři možné kombinace emisivit ε = 1 a ε = 0,05.

Popis reflexní izolace

1. Tato izolace pracuje s celým prostorem mezery, kterou ohraničuje. Běžná izolace (EPS, MW) naopak účinkuje jen uvnitř sama sebe: Do mezery 30 cm silné musíme vložit běžnou izolaci stejné tloušťky, abychom docílili tepelného odporu R = d/λ = 0,3/0,04 = 7,5 m2K/W. Bez izolace má vzduchová mezera tepelný odpor jen na úrovni 0,19 m2K/W (viz tab. 2).

Když mezeru necháme prázdnou, jen ji jednostranně ohraničíme reflexí o emisivitě ε  = 0,05 (fólie Sunflex), výsledkem je R = 6,1 m2K/W (viz tab. 2). Při tloušťce mezery 30 cm to dává součinitel tepelné vodivosti λ = 0,049 W/(mK). Oboustranné reflexním ohraničení stejné mezery dává R = 11,6 m2K/W a λ = 0,026 W/(mK)

.

2. To, že reflexní izolace brzdí sálavý prostup tepla, ještě neznamená, že mezi dvěma reflexními povrchy zmizí prostorové sálání. To existuje vždy a jeho teplota se rovná teplotě TP z rovnice (1).

Teplotní plato

Uvnitř silnějších mezer ohraničených reflexí může vzniknout teplotně méně strmá až ekvitermní centrální vzduchová vrstva, čili teplotní plato. To je výslednicí sdílení tepla mezi vzduchem a sáláním v mezeře. Pro jeho teplotu TP platí:

Sálání, jež má všude v mezeře stejnou teplotu TP, ohřívá vzduch v sousedství chladného okraje a naopak ho chladí v sousedství teplého okraje mezery. U silnějších mezer to vede ke vzniku centrální vzduchové vrstvy o stejné teplotě (teplotní plato). Skrze plato se odehrává jen sálavý tok tepla; proudění a vedení tepla tu nemá potenciál. Sálavý teplosměnný děj lze pak snížit až téměř k nule vysokou termoreflexí okrajů mezery (tj. ε1→0 a/nebo ε2→0).

Tvrzení: Tepelný odpor stavební termoizolační vrstvy, např. na bázi pěnového polystyrénu, je při tloušťce 300 mm na úrovni 7,5 m2K/W. Když tutéž tloušťku realizujeme jako souvrství vzduchových mezer a reflexních fólií, získáme tepelný odpor 15 m2K/W i více.

Řízení teploty

Existují stížnosti na vysoké teploty pod střechou z tmavé krytiny, kterou letní slunce rozpálí i nad 75 °C. Tato teplota generuje sálavý tok tepla do větrané mezery s intenzitou přes 850 W/m2, který má „hravě“ odvětrat vzduchová mezera pod krytinou. Jenže to by v ní musel proudit vzduch s rychlostí alespoň 10 m/s. Což se neděje.

Lavinu tepla od sluncem rozpálené střešní krytiny lze úspěšně řešit pomocí reflexních povrchů, ať už jsou realizovány folií nebo nátěrem. Při jejich správném návrhu a provedení významně snížíme nejen teplotu ve větrané vzduchové mezeře pod krytinou, ale i prostorovou teplotu pod střechou a v celém domě. Princip reflexní tepelné ochrany je jednoduchý:

  1. termoreflexní povrch odráží (téměř) veškeré tepelné záření, které naň dopadá;
  2. termoreflexní povrch, ať už jakkoli ohřátý, sálá do okolí jen minimum svého tepla.

V případě střechy lze pod krytinu umístit, řekněme, jednostrannou reflexní fólii tak, aby termoreflexe mířila do větrané mezery. Nebo lze spodní stranu krytiny natřít stříbrným nátěrem (typu Reflexol) s minimální emisivitou. Objeví-li někdy stavitelství výjimečnou sílu reflexe a sálání, objeví se i systémová termoreflexní řešení střech, fasád a domů.

Reflexní fólie před položením fasádního obkladu

Historie sálání

Sálání je prvotní teplosměnný děj, který „úřaduje“ už od samého vzniku Vesmíru před cca 14 miliardami let. Jde o elektromagnetické záření s typickým spektrálním rozložením, které závisí jen na teplotě a které v podobě fyzikálního vzorce popsal roku 1900 Max Planck pod názvem Záření černého tělesa. Aby se vyhnul tzv. ultrafialové katastrofě, která je v rozporu s realitou, vyslovil Planck předpoklad, že energie tohoto záření je přenášena jen po konečně velkých kvantech o velikosti E = hν, kde h = 6,626...×10−34 J⋅s je konstanta (dnes Planckova) a ν je frekvence záření.

Vědec pokládal kvantování a konstantu h jen za matematický obrat, který zaručil souhlas teorie s experimentem. Avšak v roce 1905 zjistil Albert Einstein, že jím studovaný fotoelektrický jev vysvětluje právě hypotéza Maxe Plancka. A později Einstein odůvodnil Planckovu hypotézu studiem fotoelektrického jevu. Výsledkem bylo roku 1918 udělení Nobelovy ceny Maxi Planckovi za vyzařovací zákon a později (1921) Albertu Einsteinovi za fotoelektrický jev.

Závěr

Běžné tepelné izolace nabízejí součinitel tepelné vodivosti cca λ = 0,04 W/(mK) a jeho významný růst s teplotou. Kvalitní termoreflexní souvrství pak nabízejí λ ≤ 0,01 W/(mK). I u nich klesá tepelná izolace s teplotou, ale téměř bezvýznamně kvůli zhoršení její slabé vodivostní složky. Nízkoemisivní bílé a reflexní povrchy navíc chrání naše stavby před extrémními sálavými jevy, hlavně přímým osluněním a sálavým působením ledové zimní oblohy.

Literatura a zdroje

  • [1] TZB-info: Tepelný odpor nevětrané vzduchové mezery různých tlouštěk.
  • [2] Hejhálek, Jiří: Tepelné záření a navrhování reflexních fólií do staveb, Vega společnost s ručením omezeným, 2014.
Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Foto: archiv redakce