Pasivní domy a tepelná stabilita v zimním období

Tepelná stabilita v zimním období může být v pasivních domech pokládána za nepodstatného činitele. V dobře zaizolované a utěsněné budově jsou tepelné ztráty značně redukovány a objekty jsou nenáročné na přívod tepla. Mohou však nastat situace, v nichž technická zařízení zůstanou z nejrůznějších příčin mimo provoz. Bude sledováno do jaké míry je možno očekávat chladnutí prostoru při současné nutnosti zajištění přívodu potřebného množství čerstvého vzduchu. Řešení budovy na systémové hranici objektu bude sledováno v alternativě tradiční, lehké a těžké stavební konstrukce, tab. 1.

Označení	I.	II.	III.
Název varianty	Tradiční	Těžká	Lehká
Popis	Cihelné bloky, železobetonové stropy,	Železobetonové stropy a stěny	Dřevěná nosná konstrukce
Tepelná izolace	Zdivo bez další tepelné izolace, na střeše 200 mm EPS	Na vnějších stěnách 300 mm minerálně vláknité izolace, na střeše 400 mm EPS	Ve vnější stěně 300 mm minerálně vláknité izolace, na střeše 400 mm EPS

Tab. 1 - Popis alternativ (¹ Pěnový polystyrén)

Současné požadavky na tepelnou stabilitu v zimním období

ČSN 73 0540 determinuje tepelnou stabilitu v zimním období v kritické místnosti pomocí parametru poklesu výsledné teploty Δθ_r,N(τ). V kritických místnostech s pobytem lidí po přerušení vytápění při vytápění radiátory, sálavými panely a při teplovzdušném vytápění, nemá Δθ_r,N(τ) poklesnout více než o 3 °C a v místnostech při vytápění kamny a podlahovém vytápění více než o 4 °C. Za kritickou je považována místnost s nejvyšším celkovým součinitelem prostupu tepla, resp. největší plochou ochlazovaných - nesymetricky chladnoucích konstrukcí. Obvykle se jedná o rohovou místnost pod střechou. Kritérium lze vztáhnout i na pasivní domy v nichž se nejčastěji jedná o vytápění teplovzdušné.

Obr. 1 Půdorys kritické místnosti

Popis budovy

Problematika je řešena na příkladu kritické - charakteristické místnosti o půdorysné ploše 24,0 m², nacházející se na rohu budovy a pod střechou. To znamená, že je ze tří stran ochlazovaná, obr. 1. Její světlá výška je 2600 mm a prostor má kubaturu 62,4 m³.

Obr. 2 Porovnání součinitelů prostupu tepla stavebních konstrukcí v řešených alternativách

Obvodová stěna je k jihu prolomena oknem o velikosti 3,6 m², což činí 15 % z plochy podlahové. Tato výměra je jak z energetického, tak i ze světelně technického hlediska současnou ČSN 73 0540 [1] chápána jako optimální rozměr. Obvodový plášť je modifikován ve třech alternativách. První má konstrukce z materiálů, které splňují současné požadované parametry české tepelně technické normy. Obě další alternativy již odpovídají charakteru pasivního domu. Při jejich vytváření bylo sledováno hledisko tepelně akumulačních vlastností pláště. Proto se v jednom případě použila těžká železobetonová konstrukce a v případě dalším lehký - dřevěný obvodový plášť. Přesto, že stropní konstrukce odděluje dva, na stejnou teplotu vytápěné prostory, byla v podlaze obou pasivních domů, navržena poměrně masivní tepelně izolační vrstva. Tím bylo zajištěno, aby sousední prostory, např. byty, vytvořily nezávislé, odizolované tepelně technické jednotky. Skladby konstrukcí jsou uvedeny v tab. 2.

Důležitým parametrem pro determinování podmínek tepelné stability je násobnost výměny vzduchu. V příkladech se předpokládá, že v době, kdy tepelná stabilita může sehrát významnou roli, budou také mimo provoz technická zařízení, která zprostředkovávají výměnu vzduchu. Modelově bylo prověřováno jak se prostor bude chovat v situacích, kdy výměna vzduchu nebude probíhat n = 0, přes minimální výměnu požadovanou hygienickými předpisy n = 0,30 h^-1, resp. požadavkem ČSN EN 832 [2] s n = 0,50 h^-1, přes zvýšenou výměnu n = 1 h^-1, až k vysoké výměně n = 2 h^-1. Dynamika vlivu skladby konstrukcí vymezujících vnitřní prostor a vliv větrání na pokles výsledné teploty Δθ_r(τ) se ze všech tří alternativ nachází v grafických záznamech na obr. 3 až 6.

Získané výsledky

V alternativě I je z tab. 2 a obr. 2 patrné, že zděný dům má lepší tepelně technické parametry než jsou hodnoty požadované současnou ČSN 73 0540-2. Podle míry výměny vzduchu je parametr dovoleného poklesu výsledné teploty splněn ještě v době chladnutí trvající přibližně 3,5 až 17 h, obr. 3.

Alt.	Konstrukce	Popis vrstev					U W/(m2.K)
		Materiál	d m	λ W/(m.K)	c J/(kg.K)	ρ kg/m3
I.	Vnější stěna	Omítka + zdivo2	0,455	0,153	954	840	0,317
		Omítka	0,015	0,990	790	2000
	Střecha	Železobeton	0,150	1,740	1020	2500	0,208
		EPS	0,200	0,044	1270	20
		2 x NAIP	0,008	0,210	1470	1125
	Strop	Vlysy	0,021	0,220	2510	600	0,825
		Beton. Maz.	0,050	1,300	1020	2200
		Minerální vlákna	0,030	0,041	1150	120
		Železobeton	0,150	1,740	1020	2500
	Okno						0,800
II.	Vnější stěna	Železobeton	0,150	1,740	1020	2500	0,141
		Minerální vlákna	0,300	0,044	1150	200
	Střecha	Železobeton	0,150	1,740	1020	2500	0,107
		EPS	0,400	0,044	1270	20
		2 x NAIP	0,008	0,210	1470	1125
	Strop	Vlysy	0,021	0,220	2510	600	0,343
		Beton. Maz.	0,050	1,300	1020	2200
		Minerální vlákna	0,100	0,041	1150	120
		Železobeton	0,150	1,740	1020	2500
	Okno						0,800
III.	Vnější stěna	Dřevo	0,150	0,180	2510	400	0,128
		Minerální vlákna	0,300	0,044	1150	200
	Střecha	Dřevo	0,200	0,180	2510	400	0,096
		EPS	0,400	0,044	1270	20
		NAIP	0,008	0,210	1470	1125
	Strop	Vlysy	0,021	0,220	2510	600	0,246
		Dřevo	0,030	0,180	2510	400
		Minerální vlákna	0,100	0,041	1150	120
		Dřevo	0,200	0,180	2510	400
	Okno						0,800

(² Vzhledem k tomu, že tloušťka první vrstvy je menší než 20 mm jsou povrchová vrstva omítky a zdivo obvodového pláště sdruženy.)
Tab. 2 - Skladba použitých konstrukcí

Podle očekávání poskytuje nejhorší výsledky příklad s n = 2 h^-1. S klesající výměnou vzduchu pod mezní parametr n = 0,5 resp. 0,3 h^-1 ovšem může ve vnitřním prostoru dojít ke hromadění škodlivin, které mají schopnost přispět ke snížení užitné kvality prostoru. Zároveň může dojít i ke zvýšení relativní vlhkosti vnitřního vzduchu. To však u dobře tepelně zaizolovaných domů nezpůsobí při krátkodobém snížení množství vyměňovaného vzduchu tepelně vlhkostní komplikace, které by mohly vést k poklesu teploty na vnitřním povrchu až ke kritické teplotě.

Obr. 3 Dynamika poklesu výsledné teploty v alternativě I - zděném domě

V následujících alternativách II a III se již jedná o konstrukce splňující energetická kritéria pasivního domu. Míra tepelné setrvačnosti je však prověřována schopností hmoty vytvářející konstrukce akumulovat teplo. Z tohoto pohledu vykazuje podle očekávání lepší výsledky alternativa II, obr. 4. V ní normový parametr poklesu výsledné teploty je splněn v době chladnutí 11 až 23 h. Přitom nejhorší parametry byly dosaženy při výměně vzduchu n = 2 h^-1. U všech ostatních případů je míra tepelné stability prostoru vytvořeného z těžkých železobetonových konstrukcí v normové úrovni zajištěna ještě po téměř 24 h.

Obr. 4 Dynamika poklesu výsledné teploty v alternativě II - těžkém domě

Jaké budou v tomto porovnání výsledky u alternativy III s dřevěným obvodovým pláštěm? Z obr. 5 je zřejmé, že dosažené výsledky u konstrukcí s nižší schopností akumulovat teplo způsobí, že referenční Δθ_r,N(τ) = 3 K je při n = 2 až 0,5 h^-1 dosažena v době chladnutí 3 až 21 h. Například jestliže u železobetonové varianty s výměnou vzduchu n = 1,0 h^-1 bylo normové hodnoty dosaženo až po 23 h, potom v alternativě dřevěného domu se tak stalo již po chladnutí trvajícím 11 h. Stalo se tak přes skutečnost, že součinitelé prostupu tepla konstrukcí na systémové hranici mají nižší součinitel prostupu tepla. Z tohoto zjištění plyne důležitý závěr, který povede k nutnosti, aby navrhované obvodové pláště budov s omezenou schopností akumulovat teplo měly vyšší energetické parametry než při uplatnění těžkých konstrukcí.

Obr. 5 Pokles výsledné teploty u alternativy II - pasivní dům z těžké
železobetonové konstrukce

Zohledněna musí být i míra výměny vzduchu. Je zřejmé, že v alternativách II a III došlo oproti alternativě I ke kvalitativnímu skoku. Například při n = 2 h^-1 z alternativy II byl normový pokles Δθ_r,N(τ) = 3 °C zachován ještě po době chladnutí trvající 11 h. Při n = 1 je kritérium Δθ_r,N(τ) zajištěno při 23 h době chladnutí. Výměny vzduchu s n = 0 až 0,5 poskytují takovou tepelně technickou kvalitu, že ani za 24 h nedojde k poklesu pod Δθ_r,N(τ) = 3 °C. V alternativě III pro n = 2 vychází Δθ_r,N(τ) = 3 °C již po 3,5 h a pro n = 0,5 po době chladnutí 21,0 °C, což je důsledek nižší akumulačních schopností konstrukcí.

Závěr

Z provedené analýzy dynamiky poklesu výsledné teploty vyplývají poznatky, které mohou významnou měrou determinovat navrhování PD. Shrneme je do několika následujících odstavců.

Obr. 6 Porovnání poklesu výsledné teploty pro n = 0,3 h^-1.

1. Je zřejmé, že objekt vytvořený z konstrukcí s větší hmotností, je pro splnění kritéria tepelné stability v zimním období vhodnější než konstrukce z lehkých materiálů. Například konstrukce na systémové hranici mají sice v alternativě III kvalitnější parametry součinitele prostupu tepla U, nežli v alternativě II, přesto v porovnání s variantou II jsou získané výsledky méně příznivé. Jako vstupní měřítko pro posouzení této schopnosti se může použít tepelná jímavost první vrstvy daná vztahem b = λ . c . ρ. Např. jestliže v alternativě II se železobetonovou obvodovou konstrukcí činí tento parametr b = 4 437 000 W².s/(m⁴.K²), potom v alternativě III s konstrukcí dřevěnou již zaznamenáváme značně nižší hodnotu b = 180 720 W².s/(m⁴.K²).

2. Také výměna vzduchu ovlivňuje tepelnou stabilitu. Vyplývá to ze všech variant, přičemž porovnání pro různé typy konstrukcí je dobře zřetelné z obr. 6. Je zpracováno pro intenzitu výměny vzduchu n = 0,3 h^-1.

3. Je zřejmé, jak příznivě se projevují dobře zaizolované konstrukce z alternativ pasivního domu, oproti alternativě modelované konstrukcemi s tepelně technickými parametry na úrovni požadovaných hodnot ze současné ČSN 73 0540. Pokles výsledné teploty z obr. 6 byl po 24 h v alternativě I z cihelných bloků zaznamenán na úrovni Δθ_r,N(24) = 6,2 °C. V alternativě III lehkého dřevěného domu Δθ_r,N(24) = 2,8 °C a v těžké železobetonové alternativě II pouze na úrovni Δθ_r,N(24) = 1,7 °C.

4. Z toho je možno odvodit další poznatek - v případě aplikace konstrukcí s tepelně technickými parametry pasivního domu je možno vhodně používat i lehké obvodové konstrukce. V praxi se to projevuje širokým uplatněním dřeva i jiných lehkých materiálů.

5. Byl také prověřován vliv zvýšené relativní vlhkosti v procesu chladnutí místnosti. Z alternativy II bylo zjištěno, že na konci chladnutí s výslednou teplotou Δθ_i = 18,1 °C, a relativní vlhkostí φ_ai = 70 % je na všech místech vyšetřovaného detailu stále teplota, která zamezí vzniku kondenzace což je patrné z obr. 7. Její nejnižší hodnota θ_si = 13,76 °C. Oblast kondenzace je však posouzena pouze pomocí teploty rosného bodu, který pro dané podmínky činí Δθ_si,cr = θ_si,100 = θ_w = 12,54 °C. Pro kritickou povrchovou teplotu Δθ_si,cr = Δθ_si,80, by však nejnižší teplota na povrchu měla dosahovat alespoň 15,9 °C. V tom je možné úskalí chladnutí konstrukcí v pasivních domech.

Literatura

1 ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov -část 2: požadavky. ČSNI listopad 2004
2 ČSN EN 832 Tepelné chování budov - Výpočty potřeby energie na vytápění - Obytné budovy. ČSNI 2000.