Kvalita obálky referenční budovy

Úvod

Odkaz na kvalitu obálky budovy je ve vyhlášce č. 148/2007 Sb., o energetické náročnosti budov (dále jen "vyhlášky"), v § 2 písm. j), kde se referenční budova definuje takto:

"výpočtově vytvořená budova téhož druhu, stejného tvaru, velikosti a vnitřního uspořádání, se stejným typem standardizovaného provozu a užívání jako hodnocená budova, a technickými normami předepsanou kvalitou obálky budovy a jejich technických systémů".

V praxi se setkávám s různými výklady, co si při hodnocení energetické náročnosti budov představovat pod kvalitou obálky budovy a jak tuto kvalitu prokazovat.

Proto je vhodné si ujasnit:

• jakými vlastnostmi se kvalita obálky budovy předepisuje,
• v jaké technické normě se kvalita obálky budovy předepisuje,
• a nakonec v jaké výši je tato kvalita (vlastnost) předepsána.

1. Vlastnosti popisující kvalitu obálky budovy

Je zřejmé, že se jedná o vlastnosti stavební části, které mají vliv na energetickou náročnost budovy. Tyto vlastnosti jsou mezi porovnávacími ukazateli, které vypisuje § 4 vyhlášky. Nejsilněji energetickou náročnost budovy přitom ovlivňuje:

1. prostup tepla obálkou budovy (tj. součinitele prostupu tepla jednotlivých konstrukcí obálky budovy zahrnující tepelné mosty v konstrukcích, spolu s lineárními a bodovými činiteli prostupu tepla, popř. průměrný součinitel prostupu tepla obálky budovy),
2. tepelné zisky slunečním zářením především průsvitnými výplněmi otvorů obálky budovy (stanovené pro jednotlivé orientace buď jako příznivý tepelný zisk zejména v zimním období, nebo jako tepelná zátěž především v letním období),
3. průvzdušnost obálky budovy včetně vlivu funkčních spár výplní otvorů, výměny vzduchu při otvírání výplní otvorů a fázové posunutí reakce regulace na dynamické změny působení větru (to vše s dopadem na intenzitu výměny vzduchu).

Ad a) Prostup tepla se standardně popisuje - jedná se o klasické vlastnosti konstrukcí tvořících obálku budovy, užívané jako základ při dimenzování topné soustavy. Stanovení potřebných vlastností je velmi dobře metodicky propracované, transparentní, poměrně snadno a nezávisle vyčíslitelné, s možností jednoduché kontroly. Podrobnosti viz dále.

Ad b) Zisky ze slunečního záření jsou součástí systémově vyšších výpočtů - hodnocení tepelné stability budovy v letním období (charakteristická místnost) a výpočtu potřeby tepla na vytápění a nově i potřeby tepla na chlazení (pro budovu, resp. zónu budovy). Kromě nepřímého hodnocení v rámci tepelné stability v letním období se výše solárních zisků nepředepisuje. Jedná se tedy o sledované porovnávací ukazatele, v užívané podobě to však nejsou vlastnosti popisující obálku budovy jako celek. Zároveň jsou zisky ze slunečního záření vlastností dvojznačnou - část roku působí jejich vyšší působení příznivě a část roku nepříznivě. Můžeme je pasivně či aktivně využívat pro snížení energetické náročnosti budovy. Není to však příliš vhodná samostatná charakteristika kvality obálky budovy s ohledem na hodnocení energetické náročnosti budovy.

Ad c) Šíření tepla větráním je do jisté míry ovlivňováno průvzdušností funkčních spár a ostatních částí obálky budovy. Při současných velmi těsných spárách výplní otvorů se však jedná o stále méně významný vliv. Rozhodující objem výměny vzduchu je zajišťován nuceným větráním nebo periodickým otvíráním výplní otvorů (se zpětným získáváním tepla - rekuperací), není tedy příliš ovlivňován kvalitou obálky budovy. Jinými slovy - větrání je v převážné míře charakterizováno vhodným technickým zařízením, není výrazem kvality nebo nekvality obálky budovy. Průvzdušnost obálky budovy je tedy v současné době i ve výhledu vlastnost, jejíž navýšení oproti normovým požadavkům svědčí o závažném nedostatku, v normové výši však není charakteristickou vlastností ve vztahu k energetické náročnosti budovy.

Dílčí závěr 1: Vhodné základní vlastnosti, které významně charakterizují kvalitu obálky budovy ve vztahu k její energetické náročnosti jsou vlastnosti popisující tepelný tok prostupem tepla, jenž zcela zásadně a bezprostředně ovlivňuje energetickou náročnost budovy. Ostatní sledované vlastnosti obálky budovy mají na její energetickou náročnost řádově menší vliv, nejsou však zanedbatelné a uplatňují se při hodnocení budovy jako dílčí působení.

2. Technická norma předepisující kvalitu obálky budovy

Na základě závěru kapitoly 1 si podrobněji všimneme prostupu tepla obálkou budovy.

Tuto vlastnost předepisuje česká technická norma ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky, v platném znění z dubna 2007 (která předepisuje požadavky i na další vlastnosti obálky budovy z výše uvedeného výčtu).

Tepelný tok prostupem tepla obálkou budovy se hodnotí ve dvou postupných krocích:

1. Jako vlastnost každé konstrukce oddělující prostředí s odlišnými teplotami. Sledovanou vlastností je součinitel prostupu tepla U jednotlivé konstrukce.
2. Jako vlastnost celé obálky budovy. Sledovanou vlastností je průměrný součinitel prostupu tepla U_em obálky budovy.

Splněny musí být požadavky jak na jednotlivé U hodnoty, tak na celkovou hodnotu U_em obálky budovy. Nelze však tvrdit, že splněním jednoho z požadavků je zajištěno plnění druhého. Musí být splněny oba požadavky souběžně.

2.1 Součinitel prostupu tepla jednotlivých konstrukcí

Součinitel prostupu tepla konstrukce s tepelnými mosty se obvykle stanoví jako součet součinitele prostupu tepla ideálního výseku konstrukce U_id, ve W/(m².K), stanoveného pro skladbu mimo tepelné mosty (v ideálním výseku hodnocené konstrukce) a z celkového zvýšení součinitele prostupu tepla vlivem tepelných mostů v konstrukci ΔU_tbk, ze vztahu:

kde

ΔUtbk

je celkové zvýšení součinitele prostupu tepla konstrukce vlivem všech tepelných mostů v této konstrukci, ve W/(m2.K), které je součtem vlivů jednotlivých tepelných mostů podle vztahu

kde

Ψk	je lineární činitel prostupu tepla k-tého lineárního tepelného mostu, ve W/(m.K), stanovený z k-tého výseku konstrukce s pouze k-tým lineárním tepelným mostem;
lk	délka k-tého lineárního tepelného mostu v celé konstrukci, v m;
χj	bodový činitel prostupu tepla j-tého bodového tepelného mostu, ve W/(m2.K), stanovený z j-tého výseku konstrukce s pouze j-tým bodovým tepelným mostem;
A	plocha celé konstrukce, v m2.

Zejména pro navrhování nízkoenergetických a pasivních domů se doporučuje minimalizovat vliv tepelných mostů ΔU_tbk na úroveň nižší než 5 % součinitele prostupu tepla U, kdy je podle ČSN 73 0540-2 možné vliv tepelných mostů pro hodnocení požadavků zanedbat. Splnění této podmínky vyžaduje velké úsilí při optimalizaci tepelných mostů při návrhu a důslednost při zajišťování bezchybného provedení.

Stanovení součinitele prostupu tepla jednotlivých konstrukcí samozřejmě nemůže zohlednit:

• Vliv tepelných vazeb mezi jednotlivými konstrukcemi, tj. vliv lineárních a bodových činitelů prostupu tepla Ψ_k a χ_j tepelných vazeb na obálce budovy.
• Vliv plošného zastoupení jednotlivých konstrukcí v rámci plochy obálky budovy.
• Vliv polohy v zabudovaném stavu u šikmých výplní otvorů. Poloha zabudování je promítnuta snížením požadované a doporučené normové hodnoty součinitele prostupu tepla o cca 9 až 12 %, ve skutečnosti se jedná o zhoršení o 10 až 30 %. Hodnocení reálné U-hodnoty výplní otvorů ve skutečné poloze v praxi brání zejména měření, certifikace a deklarování této vlastnosti pro smluvní svislou polohu šikmých výplní otvorů (předepsáno v harmonizovaných evropských normách).

Všechny tyto vlivy zohledňuje hodnocení prostupu tepla obálkou budovy pomocí průměrného součinitele prostupu tepla U_em obálkou budovy.

2.2 Průměrný součinitel prostupu tepla obálky budovy

Průměrný součinitel prostupu tepla U_em obálky budovy zahrnuje jak působení tepelných vazeb, tak plošné zastoupení jednotlivých konstrukcí a skutečné vlastnosti výplní otvorů v šikmé poloze.

Stanoví se ze vztahu

kde

HT	je měrná ztráta prostupem tepla, ve W/K;
Uj	součinitel prostupu tepla j-té konstrukce, ve W/(m2.K), který zahrnuje vliv tepelných mostů v konstrukci a u šikmých výplní otvorů zohledňuje polohu zabudování (U-hodnota je tedy zvýšená proti hodnotě stanovené pro nereálnou svislou polohu);
Aj	plocha j-té konstrukce, v m2;
bj	činitel teplotní redukce, tj. poměr teplotního rozdílu mezi vnitřním a venkovním prostředím přilehlých ke konstrukci k základnímu teplotnímu rozdílu;
ΔUtb	celkové zvýšení součinitele prostupu tepla vlivem všech tepelných vazeb mezi konstrukcemi obálky budovy, ve W/(m2.K), které je součtem vlivů jednotlivých tepelných vazeb podle vztahu

kde

Ψk	je lineární činitel prostupu tepla k-té lineární tepelné vazby mezi konstrukcemi, ve W/(m.K), stanovený z k-tého výseku spoje konstrukcí s pouze k-tou lineární tepelnou vazbou;
χk	délka k-té lineární tepelné vazby v celé obálce budovy, v m;
j	bodový činitel prostupu tepla j-té bodové tepelné vazby, ve W/(m2.K), stanovený z j-tého výseku spoje konstrukcí s pouze j-tou bodovou tepelnou vazbou;
A	plocha celé teplosměnné obálky budovy, v m2.

Zejména pro navrhování nízkoenergetických a pasivních domů se doporučuje minimalizovat vliv tepelných vazeb ΔU_tb na úroveň blízkou nebo rovnou nule. Splnění této podmínky vyžaduje obdobně jako u tepelných mostů v konstrukcích velké úsilí při optimalizaci tepelných vazeb při návrhu a důslednost při zajišťování bezchybného provedení.

Dílčí závěr 2: Vlastnosti popisující tepelný tok prostupem tepla se hodnotí podle ČSN 73 0540-2 souběžně jednak součinitelem prostupu tepla U jednotlivých konstrukcí, jednak průměrným součinitelem prostupu tepla U_em celé obálky budovy. Použití jen jednoho z uvedených hodnocení je z pohledu technické normy nesprávné a hrubě zkreslující. Tyto vlastnosti jsou závazné díky odkazům v závazných předpisech jako normové hodnoty v rámci provedení Stavebního zákona vyhláškou č. 137/1998 Sb., obecné technické požadavky na výstavbu, popř. jako porovnávací ukazatele v rámci provedení zákona o hospodaření energií (úplně znění v zákoně č. 406/2006 Sb.) vyhláškou č. 148/2007 Sb., o energetické náročnosti budov.

3. Předepsaná kvalita obálky budovy

Obdobně jako se tepelný tok prostupem tepla obálkou budovy hodnotí ve dvou postupných krocích, tak je i kvalita obálky předepsaná ve dvou kriteriích.

3.1 Součinitel prostupu tepla jednotlivých konstrukcí

Pro budovy s převažující návrhovou vnitřní teplotou od 18 °C do 22 °C jsou požadované (a doporučené) hodnoty součinitele prostupu tepla U předepsány tabulkou 3 v ČSN 73 0540-2, pro jiné převažující návrhové vnitřní teploty se normové hodnoty z tabulky 3 přepočítávají normou zavedenými teplotními koeficienty.

Doporučené nízkoenergeitcké a pasivní normové hodnoty se získají 2/3 pravidlem - každá následující lepší úroveň je stanovena ve výši 2/3 předchozí úrovně.

Jedná se o dílčí hodnocení, jehož uplatnění na všechny konstrukce spolu se znalostí ploch jednotlivých konstrukcí a jejich činitelů teplotní redukce dává jednoznačnou představu o předepsaném vlivu jednotlivých konstrukcí na prostup tepla obálkou budovy - chybí však zde zahrnutí předepsaného souhrnného vlivu tepelných vazeb mezi konstrukcemi na celé obálce budovy - viz vztah (3).

V citované normě jsou předepsány velmi benevolentně požadované a doporučené normové hodnoty jednotlivých lineárních a bodových tepelných vazeb mezi konstrukcemi. Tyto hodnoty však nemohou být základem pro předepsání celkového průměrného vlivu všech tepelných vazeb na obálce budovy, neboť se jedná o přípustné extrémní jednotlivé hodnoty, nikoliv o hodnoty průměrné, střední.

Střední navýšení průměrného součinitele prostupu tepla Utb vlivem tepelných vazeb se při rozumném běžném návrhu styků konstrukcí na požadované úrovni pohybuje ve výši ΔU_tb = 0,05 až 0,10 W/(m².K). Zároveň víme, že při dimenzování jednotlivých konstrukcí se jejich U-hodnoty nutně navrhují mírně lepší než jsou normové hodnoty U_N (zejména u normové úrovně požadované U_N,rq a doporučené U_N,rc). To vytváří určitou rezervu v ploše obálky budovy, kterou je vhodné zohlednit při stanovení souhrnného požadavku na detaily styků konstrukcí. Můžeme si tedy dovolit přísnější pohled na souběžné působení detailů a normové navýšení průměrného součinitele prostupu tepla pak předepsat pro požadovanou úroveň ve výši ΔU_tb,N,rq = 0,06 W/(m².K) - ovšem jen za předpokladu, že tato hodnota se bude užívat pouze souběžně se souhrnným působením jednotlivých konstrukcí.

Při důsledné optimalizaci tepelných vazeb, která je nutná při navrhování nízkoenergetických a pasivních domů, lze reálně docílit hodnotu ΔU_tb = 0. Tuto hodnotu je žádoucí uplatnit při formulaci normové hodnoty pro tyto typy budov. Pro souhrnné působení tepelných vazeb s jednotlivými konstrukcemi tedy můžeme uvažovat normovou hodnotu na nízkoenergetické i pasivní úrovni ve výši ΔU_tb,N,NED = ΔU_tb,N,PAD = 0.

Stanovení doporučené úrovně je pak již jednoduché - leží mezi uvedenými normovými hodnotami, tedy ΔU_tb,N,rc = 0,03 W/(m².K).

Z uvedeného je zřejmé, že pro celou obálku budovy musí s ohledem na vlastnosti jednotlivých konstrukcí platit:

• pro požadovanou úroveň:
  
  

  

• pro doporučenou úroveň:
  
  

  

• pro nízkoenergetickou úroveň:
  
  

  

• pro pasivní úroveň:
  
  

  

Z uvedených vztahů je také jasné, že např. pro požadovanou úroveň ze vztahu (5) musí být měrná ztráta prostupem tepla obálkou budovy

A podobně pro další uvedené úrovně.

3.2 Průměrný součinitel prostupu tepla obálky budovy

Pro budovy s převažující návrhovou vnitřní teplotou od 18 °C do 22 °C jsou požadované hodnoty průměrného součinitele prostupu tepla U_em obálky budovy předepsány tabulkou 9 v ČSN 73 0540-2, popř. v této tabulce uvedeným vztahem

Výjimkou jsou nebytové budovy s plochou průsvitných výplní otvorů větší než 50 % celkové plochy obálky budovy, pro které se uvedená normová hodnota navyšuje, nejvýše však o 50 %, je-li teoreticky celá obálka budovy průsvitná.

Pro jiné převažující návrhové vnitřní teploty se normové hodnoty z tabulky 9 nebo ze vztahu (9) přepočítávají normou zavedenými teplotními koeficienty.

Doporučené nízkoenergeitcké a pasivní normové hodnoty se získají 3/4 pravidlem - každá následující lepší úroveň je stanovena ve výši 3/4 předchozí úrovně.

Zároveň platí, že měrná ztráta prostupem tepla H_T obálkou budovy musí být pro požadovanou úroveň

A podobně pro další úrovně.

3.3 Průměrný součinitel prostupu tepla z obou hledisek

Obě kritéria platí souběžně, proto předepsaná kvalita obálky budovy je dána menší z hodnot U_em,N stanovených jednak podle pravých stran ve vztazích (5) až (8), jednak podle tabulky (9) v normě, popř. vše s přepočtem na odlišnou převažující návrhovou vnitřní teplotu.

Takto lze postupovat pro požadovanou, doporučenou, nízkoenergetickou i pasivní úroveň.

Závěr

V článku je formulován souhrnný požadavek na požadovanou kvalitu obálky budovy, který respektuje více souběžně platných a závazných požadavků české technické normy ČSN 73 0540-2.

Literatura

[1] Zákon č. 183/2006 Sb., o územním plánování a stavebním řádu (stavební zákon)
[2] Vyhláška č. 137/1998 Sb., o obecných technických požadavcích na výstavbu
[3] Zákon č. 406/2006 Sb., úplné znění zákona č. 406/2000 Sb., o hospodaření s energií, jak vyplývá z pozdějších změn
[4] Vyhláška č. 148/2007 Sb., o energetické náročnosti budov
[5] ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky
[6] ČSN 73 0540-4 Tepelná ochrana budov - Část 4: Výpočtové metody
[7] ŠÁLA, J., KEIM, L., TYWONIAK, J., SVOBODA, Z., Komentář k ČSN 73 0540 - Tepelná ochrana budov, IC ČKAIT, Praha 10/2007