Vztah vlhkostní a energetické bilance stavby

Úvod
Vzájemný vztah vlhkostní a energetické bilance stavby je schematicky znázorněn na obrázku 1. V pravé části obrázku je v teplých odstínech schematicky znázorněna energetická bilance stavby ve standardním pojetí. V levé části obrázku je v modrých odstínech znázorněna bilance vlhkosti ve stavbě. Vazby mezi bilancí vlhkosti a energetickou bilancí stavby jsou zvýrazněny červenými šipkami.
Bilanci vlhkosti ve stavbě lze rozdělit na bilanci vlhkosti vnitřního vzduchu a bilanci vlhkosti stavebních konstrukcí. Bilance vlhkosti a bilance energie jsou vzájemně svázány prostřednictvím výparné entalpie vlhkosti. Kromě toho jsou osoby, zvířata a některé procesy zároveň zdrojem tepla i zdrojem vlhkosti.

Obrázek 1: Vzájemná závislost bilance vlhkosti a bilance energie

Zdroje tepla a vlhkosti
Chceme-li do energetické bilance zahrnout vliv vlhkosti, je třeba pojem vnitřní zdroj tepla [2] rozšířit na zdroj tepla a vlhkosti [6]. Některé vnitřní zdroje, například osoby a zvířata, ale i vaření a další, produkují kromě tepla i vlhkost, která s sebou nese část dodané energie. Celková produkce tepla těchto zdrojů má dvě složky: citelné teplo a výparnou entalpii obsaženou ve vypařené vlhkosti.
Naproti tomu většina zdrojů vlhkosti spotřebovává k uvolnění vlhkosti teplo ze svého okolí. V normovém algoritmu výpočtu energetické bilance staveb podle [2] je uvažováno pouze citelné teplo, bilance vlhkosti není v citovaném algoritmu zahrnuta.
Celková produkce tepla a vlhkosti ve stavbě může kolísat v závislosti na počtu obyvatel a jejich zvyklostech. Přibližné údaje pro některé zdroje a souhrnné údaje pro čtyřčlennou domácnost v rodinném domě jsou uvedeny v tabulce 1. Produkce vlhkosti v domácnosti může kolísat v rozsahu 4 až 14 kg/den, tj. až 3 g/m³ větracího vzduchu [3]. Podobně kolísá i produkce tepla.
Kromě vlhkosti vyprodukované vnitřními zdroji se může vlhkost do interiéru dostat vzlínáním z podloží stavby nebo zatékáním srážkové vody, případně dalšími způsoby. Je zřejmé, že se jedná o havarijní stavy - poruchy hydroizolace a podobně. U kvalitně provedených staveb lze tyto jevy zanedbat.

Bilance vlhčení větracího vzduchu
Vlhkost větracího vzduchu se v průběhu roku mění v závislosti na vnějších klimatických podmínkách. Vlhkost vnitřního vzduchu je v zimním období obvykle vyšší než vlhkost vnějšího vzduchu. Její úroveň závisí kromě vlhkosti vnějšího vzduchu na intenzitě výměny vzduchu, intenzitě vnitřních zdrojů vlhkosti a na sorpci vlhkosti ve stavebních konstrukcích. Zanedbáme-li sorpci, pak při konstantní intenzitě výměny větracího vzduchu a konstantní intenzitě vnitřních zdrojů vlhkosti zůstane amplituda vlhkosti vnitřního vzduchu stejná, zvýší se jen střední hodnota, viz obrázek 2. Zahrneme-li do výpočtu sorpci vlhkosti, zvýší se výrazně vlhkost vnitřního vzduchu v zimním období, amplituda vlhkosti vnitřního vzduchu se sníží, viz obrázek 3. Zvýšení produkce vnitřních zdrojů vlhkosti má na vlhkost vnitřního vzduchu podobný vliv jako snížení intenzity větrání.

Obrázek 2: Závislost vlhkosti vzduchu na intenzitě
větrání při zanedbání sorpce v konstrukcích

Obrázek 3: Závislost vlhkosti vzduchu na intenzitě větrání a na intenzitě vnitřních zdrojů vlhkosti
při zahrnutí sorpce v konstrukcích

Bilanci vlhkosti větracího vzduchu lze určit dvěma způsoby. Buď na základě známé produkce vnitřních zdrojů vlhkosti, nebo ze známé vlhkosti vnitřního a vnějšího vzduchu. Vlhkost uvolněnou z vnitřních zdrojů vlhkosti do vnitřního vzduchu lze rozdělit na tři části. Jedna část vlhkosti prostupuje do exteriéru difúzí stavebními konstrukcemi. Druhá část je ve stavebních konstrukcích sorbována. Pouze část vlhkosti zvyšuje vlhkost vnitřního vzduchu a je s ním odvětrána do exteriéru, viz obrázek 1 vlevo. K uvolnění vlhkosti se spotřebuje část tepla ze zdrojů tepla.

Vztah bilance vlhkosti a bilance energie
Bilance energie a bilance vlhkosti jsou svázány prostřednictvím tepla, které je třeba dodat k převedení vlhkosti do plynného stavu, respektive tepla, které se naopak uvolní při kondenzaci nebo sorpci vlhkosti. Množství energie odpovídá výparné nebo sorpční entalpii uvolněné vlhkosti.
Sorpční entalpie je vždy vyšší než výparná entalpie z volné hladiny za stejných podmínek. Při nižší vlhkosti materiálu sorpční entalpie roste. Tyto závislosti lze pro většinu materiálů v rozsahu obvyklých podmínek vnitřního klimatu zanedbat. Protože hodnoty sorpční entalpie jsou známy jen pro vybrané materiály, nahrazuje se hodnota sorpční entalpie hodnotou výparné entalpie [6].

Za výše uvedených zjednodušujících podmínek lze vztah mezi bilancí vlhkosti a bilancí energie vyjádřit rovnicí:

Q_w = h_v ( m_w,z - m _w,s )         [4]

Vztah pro výpočet potřeby tepla podle [2] doplněný o vliv vlhkosti potom je:

Vlhkost vnitřního vzduchu, a tím i změnu vlhkosti stavebních konstrukcí lze regulovat organizačním opatřením - změnou intenzity větrání. Snížení výměny vzduchu způsobí zvýšení vlhkosti vnitřního vzduchu a naopak. Vlhkost vnitřního vzduchu lze snížit odstraněním zdrojů vlhkosti z interieru. Vlhkost vnitřního vzduchu lze regulovat technickými prostředky - vlhčením nebo sušením.
V následujících grafech jsou uvedeny výsledky výpočtu energetické náročnosti modelové stavby. Není-li uvedeno jinak, jsou výsledky získány pro základní variantu z níže uvedeného souboru vstupních parametrů.

Obrázek 4: Potřeba energie na ohřev větracího vzduchu
pro různé intenzity větrání

Obrázek 5: Složky energetické bilance při konstantní
produkci vnitřních zdrojů vlhkosti

Obrázek 6: Složky energetické bilance vlhkosti při
úpravě vzduchu na konstantní vlhkost

Obrázek 7: Srovnání energetické bilance vlhčení vzduchu a energetické bilance sorpce
pro oba způsoby vlhčení vzduchu

Obrázek 8: Celková potřeba energie na vlhčení a sorpci a srovnání
s potřebou tepla na ohřev větracího vzduchu

Podíl bilance vlhkosti na energetické bilanci pasivní stavby
Pasivní stavby se vyznačují vysokou úrovní zateplení. Obvyklé hodnoty součinitele prostupu tepla obvodových konstrukcí se blíží 0,1 W/(m².K), okna mají celkový součinitel prostupu tepla menší než 1,0 W/(m².K). Samozřejmostí je nucené větrání s rekuperací tepla z odpadního vzduchu. Na obrázku 9 je uveden roční průběh energetické bilance pasivního domu s rozdělením na jednotlivé významné složky. Pro správné čtení grafu je třeba si uvědomit, že energetická bilance sorpce v obrázku překrývá v letním období potřebu energie na ohřev užitkové vody a ztrátu tepla konstrukcemi. Je zobrazen průběh pro vlhčení vnitřními zdroji. Na obrázku 10 je uvedena energetická bilance stavby podle požadavků současné tepelně technické normy.

Obrázek 9: Roční průběh energetické bilance pasivní stavby

Obrázek 10: Roční průběh energetické bilance standardní stavby

Z grafu na obrázku 9 je zřejmé, že podíl vlhčení vzduchu a sorpce vlhkosti ve stavebních konstrukcích je v celkové bilanci menší než podíl tepelné ztráty prostupem tepla konstrukcemi. Je však výrazně vyšší než podíl potřeby energie na ohřev větracího vzduchu při účinné rekuperaci. V zimním období, kdy je energetická bilance stavby negativní, podíl bilance vlhkosti dosahuje až jedné poloviny z celkového množství energie potřebné k zajištění tepelné pohody ve stavbě. Je však třeba upozornit, že potřeba energie z vnějších zdrojů je u pasivních staveb nízká.

Závěr
Vliv sorpce vlhkosti ve stavebních konstrukcích je negativní jak v otopném období, kdy zvyšuje potřebu tepla na vytápění, tak v letním období, kdy přispívá k ohřevu interiéru stavby. Vliv vlhkosti je významný pouze v energetické bilanci pasivních staveb, u nichž je potřeba energie celkově nízká.
Materiály s velkou sorpční schopností mohou pozitivně ovlivňovat mikroklima budov, stabilizují vlhkost vnitřního vzduchu. Větší sorpční schopnost však znamená větší vliv na energetickou bilanci stavby. Do sporu se tak dostávají požadavky hygienické a energetické.

Literatura
[1] BECHNÍK Bronislav. Vliv sorpce vlhkosti v konstrukcích na energetickou bilanci stavby. TZB-info [online]. 3. 7. 2003 [cit. 14.1.2004]. Dostupné na: http://www.tzb-info.cz/1535-vliv-sorpce-vlhkosti-v-konstrukcich-na-energetickou-bilanci-stavby
[2] ČSN EN 832 Tepelné chování budov - Výpočet potřeby energie na vytápění - obytné budovy. Praha: ČNI, 2000. 52 stran.
[3] KARAGIOZIS, Achilles. Impact of Codes on Building Performances "Moisture Control". In: 2001 National Workshop on State Building Codes. Prezentace, [cit. 10/02/2003]. Dostupné na:http://www.ornl.gov/~webworks/cppr/y2001/pres/111617.pdf
[4] WUFI [online]. Ver. 3.3 R+E. Holzkirchen: IBP, 2002. Advanced hygrothermal model. Freeware for research and education [cit.10/02/2003]. Dostupné na: http://www.hoki.ibp.fhg.de
[5] ČSN 73 0540-4. Tepelná ochrana budov. Část 4: Výpočtové metody pro navrhování a ověřování. 1994
[6] BECHNÍK Bronislav. Přímý vliv vlhkosti v energetické bilanci pasivní stavby, disertační práce. Brno, VUT, 2004.
[7] BECHNÍK, Bronislav; Pazdera, Luboš. Zjednodušený model vlhkostně-energetického chování stavebních konstrukcí, In: Zborník príspevkov z vedeckej konferencie s medzinárodnou účasťou Budova a energia, Podbanské 17.9.-19.9. 2003. Košice: Technická univerzita v Košiciach, 2003, str. 17-20. ISBN 80-227-1924-2.
[8] BECHNÍK, Bronislav. Vztah vlhkostní a energetické bilance stavby, In: sborník konference CEEERES, 10. a 11. listopadu 2003 Praha. Energy Consulting: České Budějovice, 2003, str. 11-14. ISBN 80-239-1142-2.