O efektívnom tepelnom odpore obvodových stien budov (I)

Medzi jednotlivými parametrami, ktoré určujú spotrebu energie na vykurovanie resp. chladenie (tepelnoizolačné a tepelnoakumulačné vlastnosti stavebných konštrukcií, tepelné zisky zo slnečného žiarenia a z prevádzky vo vnútornom prostredí, zmeny počasia, výmena vzduchu a jej dynamika, výkonové charakteristiky techniky prostredia a mnohé iné), sú nelineárne vzťahy, ktoré naviac komplikuje ťažko predvídateľné správanie užívateľov budov. Z dôvodov ľahkej porovnateľnosti vlastností výrobkov, zjednodušenia rôznych výpočtových analýz a podobných dôvodov sa tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií určujú v ustálenom a normalizovanom tepelnom stave. Je všeobecne známe, že tepelný odpor zasklenia v reálnych podmienkach je dynamicky sa meniaca veličina. Ak dopadá na zasklenie slnečné žiarenie, môže sa aj v zime do vnútorného prostredia budov dostávať väčšie množstvo tepelnej energie ako z neho odchádza v dôsledku rozdielu teplôt medzi interiérovým a exteriérovým prostredím. Skutočný tepelný odpor zasklenia je napríklad iný v prípade jasnej a zamračenej nočnej oblohy, závisí od sklonu zasklenia, od rýchlosti prúdenia vzduchu na jeho povrchoch atď.

Tepelný odpor netransparentných obalových konštrukcií budov je v menšej miere citlivý na zmeny okrajových podmienok (dopad slnečného žiarenia, rýchlosť prúdenia vzduchu a podobne) ako transparentné materiály, prípadne subtílne netransparentné konštrukcie. V predkladanom príspevku sa venuje pozornosť vplyvu niekoľkých konštrukčných a materiálových skladieb obvodových stien v dynamicky sa meniacich podmienkach interiérovej a exteriérovej klímy na potrebu energie na vykurovanie a chladenie modelovej miestnosti.

Na príklade zámerne veľmi jednoduchého modelu nárožnej menšej miestnosti sa zisťoval "efektívny tepelný odpor" obvodových stien s cieľom zistiť vplyv tepelnoakumulačnej hmoty a konštrukčného typu stien, miestnej klímy a ďalších parametrov ako sú napr. orientácia na svetové strany, spôsob prevádzky techniky prostredia na tepelné správanie obvodových stien modelovej miestnosti. V tejto súvislosti sa niekedy hovorí aj o "dynamickom tepelnom odpore" obvodových stien.

Metodicky sa postupovalo tak, že sa porovnávali dvojice obvodových stien, ktoré mali síce rovnaký normalizovaný tepelný odpor, ale sa výrazne líšili materiálovou skladbou a najmä tepelnoakumulačnými vlastnosťami. Pomocou detailného simulačného programu sa zisťovala potreba energie na vykurovanie a chladenie modelovej miestnosti, v ktorej sa variovalo jej stavebné riešenie a niektoré ďalšie, ďalej uvedené parametre.

Simulácie efektívneho tepelného odporu obvodových stien

Charakteristika simulačného modelu
Schematický náčrt modelovej miestnosti je v tab. 1. V miestnosti sa predpokladalo rovnorodé rozloženie teploty vnútorného vzduchu. Expozícia na vietor sa uvažovala "normálna", činiteľ odrazu slnečného žiarenia od terénu 0,2, vonkajšie povrchy sú omietnuté klasickou svetlou omietkou a nie sú ničím tienené.

Simulačný model sa vytvoril s cieľom porovnať potrebu energie na vykurovanie a chladenie nárožnej miestnosti vo viacpodlažnej budove s ľahkými a ťažkými obvodovými stenami, ktoré majú rovnaký normalizovaný tepelný odpor. V parametrických simuláciách sa varioval väčší počet parametrov. Porovnávali sa slabo a veľmi dobre tepelne izolované steny v miestnosti s ľahkými resp. ťažkými vnútornými stavebnými konštrukciami, variovala sa poloha tepelnej izolácie v stene, menil sa súčiniteľ prechodu tepla zasklením a jeho optické vlastnosti, uvažovali sa rôzne tepelné zisky z prevádzky v miestnosti, rôzna intenzita výmeny vzduchu a menil sa aj režim vetrania miestnosti, menili sa teploty vzduchu v miestnosti, na ktoré sa miestnosť vykurovala alebo chladila. Parametrické simulačné štúdie sa vykonali programom ESP-r [1] v dvoch klimatických lokalitách Slovenska - v Bratislave a v Štrbskom Plese.

Náčrt posudzovanej miestnosti s vnútornými rozmermi 3,0.4,0.2,7 m a s oknom 1,8.1,5 m	Parameter	Hodnota parametra
	Súčiniteľ prechodu tepla stien	1,1 resp. 0,2 W/(m2K)
	Súčiniteľ prechodu tepla okna	2,78 resp. 1,3 W/(m2K)
	Celková priepustnosť slnečnej energie zasklením okna	0,77 resp. 0,45 (-)
	Vnútorné tepelné zisky	0 resp. 150 W
	Deliace steny	sadrokartónové s izoláciou z minerálnej vlny 80 mm, resp. železobetónové 150 mm omietnuté
	Stropné konštrukcie	klasický drevený trámový strop s omietkou a drevenou palubovou podlahou, resp. železobetónové stropy s nášľapným PVC
	Stála prirodzená výmena vzduchu	1,0/h
	Teplota vnútorného vzduchu pre vykurovanie	20 °C
	Teplota vnútorného vzduchu pre chladenie	26 °C

Charakteristické údaje o simulačnom modeli sú uvedené v tab. 1. V simulačných výpočtoch sa predpokladalo "ideálne" vykurovacie zariadenie, ktoré udržuje teplotu vnútorného vzduchu práve na hodnote 20 °C. V prípadoch, keď teplota vzduchu v miestnosti má tendenciu prekročiť 26 °C (sledovali sa aj iné teploty), sa uvádza do chodu ideálne chladiace zariadenie udržujúce teplotu vzduchu v miestnosti na uvedenej úrovni. V miestnosti sa v prezentovaných výsledkoch uvažovala stála výmena vzduchu 1,0/h. Z toho dôvodu, že vetranie mimoriadnym spôsobom ovplyvňuje potrebu tepla na vykurovanie aj chladenie, sledoval sa aj vplyv rôznych režimov vetrania na tieto parametre a na dynamické zmeny tepelných odporov vybraných druhov obvodových stien. V tomto príspevku sa uvádzajú iba niektoré charakteristické výsledky počítačových simulácií.

Tradičná obvodová stena z plných pálených tehál hrubá 450 mm obojstranne omietnutá sa porovnávala s mimoriadne ľahkou stenou zloženou v smere z interiéru zo sadrokartónu, penového polystyrénu a tenkej omietky. Obidve steny mali rovnaký tepelný odpor (0,74 m²K/W) - pozri tab. 2. Následne sa stena z plnej pálenej tehly z exteriérovej strany tepelne zaizolovala doskami z minerálnych vlákien tak, že sa dosiahol tepelný odpor steny 4,76 m²K/W a takáto stena sa porovnávala s ľahkou stenou vyššie uvedeného zloženia, ktorá mala taký istý tepelný odpor ako zateplená stena z tehál.

Tabuľka 2 - Skladby a normalizované tepelné odpory
vonkajších stien modelovej miestnosti, ktoré sa používali
na analýzu ich efektívneho tepelného odporu

REFERENCIE
[1] ESRU 2001: "Data Model Summary, ESP-r", Version 9 Series, ESRU Report, Glasgow, University of Strathclyde, Energy Systems Research Unit.

POĎAKOVANIE
Tento príspevok vznikol s podporou grantovej výskumnej úlohy VEGA 1/0308/03.