Tepelně technické parametry cihel – minulost, současnost a budoucnost
Pálené cihly patří k nejrozšířenějším materiálům používaných zejména v konstrukcích obytných budov. Dá se říci, že cihelné zdivo je jakýmsi etalonem stavebních konstrukcí, neboť všechny jiné materiály jsou právě srovnávány výhradně s cihelným zdivem. Článek přináší přehled vývoje cihel a seznámení s výhledem uplatnění cihel v blízké budoucnosti.
Do nedávné minulosti jsme si pod pojmem cihla představili plnou pálenou cihlu. V souvislosti s vývojem požadavků na součinitel prostupu tepla zejména konstrukcí obvodových plášťů se cihla začala proměňovat. V současnosti jsou na trhu dostupné cihly, které jsou vhodné i pro jednovrstvé konstrukce obvodových plášťů pasivních domů.
Vývoj cihel a požadavků na součinitel prostupu tepla stěn
Podle [2] lze vývoj požadavků na součinitel prostupu tepla (U) rozdělit na sedm generačních období podle jejich délky trvání. První norma zabývající se tepelně technickými vlastnostmi byla platná od roku 1949. Do roku 1964 hodnoty tepelného odporu stěn vycházely z etalonu stěny z plných pálených cihel. Další vývoj požadavků na U na vnější stěnu budov podle českých technických norem až do roku 2011 zobrazuje graf 1. S vývojem požadavků na stěnové konstrukce se také začíná měnit tvar cihel. Od plných cihel se přechází v období let 1946–1960 k příčně děrovaným cihlám typu CDm. V letech 1961–1980 se objevuje typ cihly CDK a CD Týn. Cihly typu CD Týn můžeme považovat za mezník, neboť se jednalo o bloky s rozměry (délka × šířka × výška), např. 290 × 190 × 215 nebo 240 × 365 × 238 mm, neboli o velkoformátové cihelné bloky. Výškový modul zdiva byl 250 mm při použití maltového lože o tloušťce 12 mm. V 90. letech přichází cihla „současného“ typu Therm se suchou styčnou spárou mezi jednotlivými cihelnými bloky označovanou pero drážka, též P+D. V sousedním Německu se v první polovině 90. let začínají objevovat tzv. broušené cihly, které mají zbroušené ložné plochy. V ČR se začaly vyrábět broušené cihly až po roce 2000.
Současnost
Graf 1: Chronologický vývoj součinitele prostupu tepla
V současnosti hodnotu U = 0,25 W/(m2‧K), která odpovídá doporučené hodnotě podle normy ČSN 73 0540-2:2007 pro vnější těžké stěny, bez problémů splňuje jednovrstvé zdivo z cihelných bloků typu Therm o šířce 440 mm. Zdivo tloušťky 440 mm dosahuje součinitele prostupu tepla kolem hodnoty U = 0,21 W/(m2‧K) případně i nižší. Tepelné vazby v místě rohů a napojení výplní otvorů jsou řešeny pomocí doplňkových cihel, takže je možné eliminovat vznik tepelných mostů v těchto detailech.
Je jasné, že z pohledu požadavků na zvýšení tepelného odporu zdiva se nevyvíjel pouze tvar cihel, ale i samotný keramický střep, spojovací malta a také omítky. Zároveň je nutné uvědomit si i to, že s novými materiály se mění také pracovní postupy zdění a zvyšuje se produktivita práce.
Stejně tak jako v Rakousku či Německu se v České republice začínají na trhu uplatňovat cihelné bloky o šířce 500 mm (v Německu je používaný rozměr 490 mm). Zdivo z těchto bloků dosahuje hodnot součinitele prostupu tepla nižších než U = 0,16 W/(m2‧K), což odpovídá ekvivalentní hodnotě součinitele tepelné vodivosti λ = 0,085 W/(m‧K), a tedy tepelnému odporu R = 5,88 m2‧K/W nebo i hodnotám lepším. Při vyplnění dutin tepelně izolačním materiálem je dosaženo až U = 0,11 W/(m2‧K). Podle ČSN 73 0540-1:2005 je za izolační materiál považován takový materiál, který má λ ≤ 0,1 W/(m‧K). Podle této definice lze tedy označit pálené cihelné bloky za izolační materiál, který splňuje všechny další požadavky pro konstrukce obvodových zdí včetně únosnosti.
Směry dalšího vývoje v oblasti pálených cihelných bloků
Jedna oblast bude řešena neustále, a tou je vývoj keramického střepu a vytváření cihlářské suroviny. V současné době je vývoj zaměřen na snižování tepelné vodivosti střepu při zachování maximální možné pevnosti. Další podmnožinou tohoto směru vývoje je používání surovin, zejména charakteru odpadních hmot, které jednak zlepšují vlastnosti střepu (např. tvorbou pórů svým vyhoříváním při vypalování), snižují energetické nároky na výpal, zlepšují proces sušení apod. Zároveň tento vývoj slouží i v oblasti likvidace odpadních hmot.
Další oblast vývoje spočívá v hledání nových možností vytváření samotné geometrie cihelných bloků potlačující přenos tepla. S tím souvisí samozřejmě i vývoj nových technologií. Tato oblast je velice široká, nicméně možnosti tvarování cihel jsou v podstatě omezené pouze technologií, a v budoucnosti se můžeme třeba dočkat úplně jiného přístupu ve vytváření cihel, než je doposud běžný.
Třetí oblast tvoří vývoj v oblasti kombinování páleného cihelného bloku a izolačního materiálu. V podstatě novou oblastí, kterou se „cihláři“ budou muset zabývat, je právě oblast izolačních materiálů. I v tomto směru se již pokročilo a úspěšně se vyvíjejí izolační hmoty na anorganické bázi (obr. 1). Otevírá se i možnost použití odpadních, resp. recyklovaných materiálů.
![Obr. 1: Izolační materiál na silikátové bázi [8]](/docu/clanky/0084/008439o2.jpg)
Obr. 1: Izolační materiál na silikátové bázi [8]
![Obr. 2: Tvary cihel s integrovaným izolačním materiálem [4]](/docu/clanky/0084/008439o3.png)
Obr. 2: Tvary cihel s integrovaným izolačním materiálem [4]
Při kombinaci děrovaných cihel s integrovaným izolačním materiálem se uplatňují dva přístupy a to kombinace:
- pálených cihelných bloků s malým počtem velkých dutin vyplněný izolačním materiálem
- pálených cihelných bloků s velkým počtem malých dutin vyplněných izolačním materiálem
Jako izolační materiál se v současnosti nejvíce používá minerální vlna a to ve formě rozřezaných desek do tvaru velkých dutin nebo ve formě granulátu pro vyplnění malých dutin, dále pak perlit nebo expandovaný polystyrén. Cihelné bloky s minerální vlnou či expandovaným perlitem mají výhodu v požární odolnosti konstrukce a zdivo dosahuje výborných hodnot vzduchové neprůzvučnosti. Pokud jsou dutiny v cihlách vyplněné lehkými hmotami a je nutné dosáhnout srovnatelné vzduchové neprůzvučnosti, musí se uzpůsobit geometrie děrování cihelného bloku. Cihly vyplněné různými izolačními hmotami jsou na obr. 2.
Otázkou zůstává, který přístup kombinace páleného cihelného bloku s izolačním materiálem je lepší. Byly provedeny porovnávací výpočty, jejichž hlavním cílem bylo porovnání obou přístupů řešení. Pro výpočty byl zvolen jednoduchý model tvarovky bez per a drážek a s jednoduchým děrováním. Šířka bloku je 440 mm a délka 250 mm, vylehčení dutinami je 60%, obvodový rámeček má šířku 5 mm, středové žebro má šířku také 5 mm. Jednotlivé varianty modelového bloku se liší počtem řad, viz. obr. 3. Nejprve byl stanoven součinitel prostupu tepla samotného bloku a následně byl proveden výpočet tepelného chování detailu rohu zdiva s těmito bloky.
Obr. 3: Geometrie tvaru cihelných bloků pro výpočty, vylehčení děrováním 60%
Parametry výpočtů
Součinitel tepelné vodivosti keramického střepu λ = 0,3 W/(m.K)
Součinitel tepelné vodivosti izolantu λ = 0,035 W(m.K)
Okrajové podmínky pro stanovení součinitele prostupu tepla bloku:
Te = 0 °C, Rse = 0,04 m2.K/W
Ti = 20 °C, Rsi = 0,13 m2.K/W
Okrajové podmínky pro řešení detailu rohu zdiva:
Te = −15 °C, Rse = 0,04 m2.K/W
Ti = 20 °C, Rsi = 0,13 m2.K/W
| Teplotní pole | Pole rozložení hustoty tepelného toku |
|---|---|
 |  |
 |  |
 |  |
| Počet dutin v bloku | Uunit [W/(m2.K)] | ψe – vnější roh zdiva [W/(m.K)] | fRsi [-] |
|---|---|---|---|
| 6 | 0,151 | −0,083 | 0,878 |
| 12 | 0,148 | −0,074 | 0,878 |
| 30 | 0,146 | −0,073 | 0,880 |
Diskuse k výsledkům výpočtů
Na základě výpočtů se ukazuje, že hodnota U zdiva s větším počtem dutin v cihelných blocích je nižší, tedy toto zdivo z těchto bloků vykazuje lepší tepelně izolační schopnost. Lineární činitel prostupu tepla pro vnější rozměry detailu rohu je nejlepší pro cihly s menším počtem řad dutin. Hodnota teplotního faktoru je u všech druhů zdiva téměř shodná. Z výsledků výpočtů se nedá jednoznačně určit, který tvar bloků je výhodnější z pohledu šíření tepla. Při použití jedněch nebo druhých typů bloků v nízkoenergetických budovách bude hrát roli celková tepelná ztráta zdivem i jednotlivými detaily. Značný vliv na řešení detailů může mít také tvar děrování, kterým se může vznik tepelných mostů výrazně eliminovat. To bude doménou cihel s malými dutinami a tenkými žebry. U cihel s malým počtem dutin je tvarová rozmanitost vnitřní geometrie podstatně omezena.
Závěr
Požadavky na U obvodových stěn se za posledních 50 let zpřísnily přibližně 6krát, z toho za posledních deset let asi 2krát. U zdiva z pálených cihel došlo k navýšení tepelného odporu za posledních 50 let 11krát, z toho za posledních 10 let asi 3krát. Došlo k zefektivnění výroby, úspoře keramického materiálu, ale i materiálů jakou jsou malty či omítky. Zároveň si cihly právě díky tomu, že jsou z keramiky, zachovávají výjimečnou trvanlivost a neměnnost svých parametrů. Tímto se může chlubit málokterý materiál. Nové technologie a metody, kterými lze zvýšit izolační a užitné vlastnosti cihelných bloků pro jednovrstvé zdivo používají i tuzemští výrobci a drží tak krok s technologicky vyspělými zahraničními výrobci. Pro dosahování velmi nízkých hodnot U zděných stěn jsou dostupné klasické pálené cihelné bloky moderního typu, které splňují i kritéria pro stavbu pasivních domů. Na zahraničních trzích se začínají uplatňovat cihelné bloky s integrovaným izolačním materiálem. I na českém trhu jsou dostupné cihelné bloky pro zdivo s U = 0,15 W/(m2‧K), a v případě vyplnění dutin cihelného bloku izolačním materiálem je dosahováno hodnot U = 0,11 W/(m2‧K).
Literatura
- [1] PYTLÍK, P., SOKOLÁŘ, R., Stavební keramika Technologie, vlastnosti a využití, Akademické nakladatelství Cerm, s. r. o., Brno, 2002.
- [2] Vaverka, J., a kolektiv, Stavební tepelná technika a energetika budov, VUTIUM, Brno, 2006.
- [3] Vedra, P., Vývoj dutinového zdiva, Juniorstav, 2008.
- [4] Internetové stránky a materiály výrobců cihel – Heluz, Eder, Pichler, Wienerbeger, Unipor, Kellerer, Hart Keramik, Ziegelwerk Schmid, Schlagmann.
- [5] ČSN 73 0540-1:2005, Tepelná ochrana budov – Část 1: Terminologie.
- [6] ČSN 73 0540-2:2007, Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky.
- [7] ČSN 73 0540-3:2005, Tepelná ochrana budov – Část 3: Návrhové hodnoty veličin.
- [8] Neuer Warmedammziegel aus Weimar auf Nurnberger Erfindermesse ausgezeichnet, Ziegelindustrie International, č. 1, r.2, 2011.
Clay bricks are one of the most common material used mainly in the contruction of residential buildings. We can say that masonry is a kind of standard of building design, as all other materials are being compared with brick masonry. Few years ago, there were only full bricks. In connection with the development requierements of heat transfer coefficient of the wall, the structure of the bricks is changing. Currently avaliable bricks are suitable for one-layer masonry of passive houses. The article presents an overview of the development of bricks and outlook for the future.