Vliv průtoku vzduchu na tepelnou bilanci fasády s větranou mezerou 1. díl

Úvod

Větrané fasády jsou v dnešní době již známým a běžně používaným způsobem realizace obálky budovy. Výstavba větraných fasád je vhodná pro jejich atraktivní vzhled a širokou škálu použitých obkladových materiálů, trvanlivost a spoustu dalších pozitivních vlastností. Především se ale používají právě pro jejich kladné vlastnosti z hlediska stavební fyziky. Například v porovnání s kontaktním zateplovacím systémem (ETICS) mají mírnější průběh z hlediska roční bilance teplot uvnitř konstrukce a dobře odvádí vlhkost z obvodového pláště. Právě průběh tepelných toků je předmětem tohoto článku.

Klíčovou složkou větraných fasád je větraná mezera. To je oblast mezi vnějším obkladem, který je v přímém styku s exteriérem, a obvodovou zdí, respektive její tepelnou izolací nacházející se na vnější straně obvodové konstrukce. Tato větraná mezera umožňuje volný pohyb vzduchu. Vzduch je nasáván ve spodní části fasády dovnitř konstrukce přes vstupní otvor zpravidla opatřený mřížkou proti vniknutí zvířete, je hnán po délce fasády za vnějším obkladem a následně je vypuštěn do exteriéru přes výstupní otvor v horní části fasády. Samotný pohyb vzduchu zajišťuje jev zvaný přirozená konvekce. Ve svislé mezeře stoupá teplejší vzduch směrem nahoru díky jeho menší objemové hmotnosti – tzv. komínový efekt. Proudění vzduchu je u většiny systémů větraných fasád přirozené. Nucené větrání se používá u systému dvojitých fasád [1], které jsou vlastní konstrukcí prostorově náročnější a vznikají zde větší vzduchové mezery.

Vzduch se ohřívá po výšce fasády dvěma způsoby – prvním a nejvýznamnějším je vliv sluneční radiace, která ohřívá vnější obklad, a ten následně předává teplo do vzduchu ve větrané mezeře. Druhým způsobem s menším vlivem jsou tepelné ztráty budovy (z pohledu interiéru), kde prostupem tepla přes obvodovou konstrukci dochází k tepelným tokům z teplejšího do chladnějšího prostředí, jinými slovy z interiéru do větrané mezery. K tomuto konkrétnímu jevu dochází v momentě, kdy je teplota vzduchu v mezeře menší než teplota na straně interiéru – tedy převážně v chladnějším období kalendářního roku. Tímto důmyslným způsobem se efektivně odvádí tepelná zátěž způsobující přehřívání obálky budovy a následně se snižují nároky na případné chlazení vnitřních prostor v letním období. V zimním období větraná fasáda, velmi podobně jako ETICS, způsobuje mírnější tepelné toky než fasáda bez jakýchkoliv tepelněizolačních opatřen. V porovnání s ETICS však větraná fasáda nemusí být v zimním období efektivnější [2].

Koncept chytré fasády vyvíjené na Fakultě Stavební Vysokého Učení Technického v Brně spočívá ve schopnosti regulovat průtok vzduchu v mezeře s použitím systému nuceného větrání a uzavíracích klapek na straně přívodního a výstupního otvoru v závislosti na měnících se okrajových podmínkách. Ventilátory s adekvátním příkonem a výkonem umístěné v chytré fasádě mohou zajistit větší průtok vzduchu pro odvedení větší tepelné zátěže. Uzavírací klapky zajišťují pohyb nebo zastavení proudění vzduchu pro přiblížení se požadované teplotě vzduchu ve větrané mezeře. Fungují ve dvou režimech, a to „otevřená“ a „zavřená“. Vícero regulačních stupňů pro tyto klapky se zatím jeví irelevantní vzhledem k netěsnostem vnějšího pláště – obkladu, přes které může volně unikat vzduch z větrané mezery. Tyto netěsnosti počítáme podle provedení obkladu a podle velikosti mezer mezi jednotlivými kazetami jako 10 % až 40 %.

S výpočtem tepelných toků přes větranou fasádu a teplot v zadané fasádě nám pomáhá software FSVM vytvořený taktéž na naší fakultě. Tento software nám umožňuje na základě vstupních parametrů fasády vypočítat součinitel prostupu tepla konstrukce obvodové stěny s větranou fasádou se zohledněním tepelných mostů od kotev nesoucích vnější obklad. Tento výpočet se objevuje také ve volně dostupné verzi programu [3]. Dalším výsledkem jsou parametry fasády po hodinových krocích v průběhu celého kalendářního roku. Program FSVM počítá s korigovanými teplotami interiéru a zohledňuje vliv klimatických vlivů v průběhu celého roku včetně významného vlivu sluneční deklinace po měsících a tepelných zisků od sluneční radiace taktéž v průběhu celého roku. Velmi hodnotným výstupem jsou simulované tepelné toky v průběhu roku po měsících. Tepelné toky jsou simulovány pro zadanou větranou fasádu, pro virtuální příslušný systém ETICS (pro porovnání s větranou fasádou) a pro chytrou fasádu. Software je tak schopen zobrazit procentuální snížení tepelných toků použitím chytré fasády. Výpočty softwaru FSVM prošli četnými kontrolami a pečlivým vývojem v rámci projektu podporovaného TAČR (zkratka pro Technologickou agenturu České republiky) FW03010062: Chytrá fasáda s optimalizovanými energetickými vlastnostmi.

Naším prvotním cílem ve výzkumu chytré fasády bylo docílit možného předvídání stavebněfyzikálního chování uvnitř fasády na základě měřitelných okrajových podmínek. Dalším cílem je schopnost naučit se reagovat na toto chování pro dosažení optimálních vlastností uvnitř konstrukce obvodové stěny s větranou fasádou, abychom dosáhli co nejmenších tepelných toků přes konstrukci, a tak mohli zajistit významné úspory energie.

Metody

Měřením na skutečných větraných fasádách jsme získali cenná data ohledně teplot na vnitřním a vnějším povrchu obkladu fasády, teplot uvnitř větrané mezery a teplot v tepelné izolaci. Mimo to jsme měřením získali k zmiňovaným teplotám příslušná data související s povětrnostními vlivy působícími na měřenou fasádu v reálném čase.

Software FSVM je vyvíjen na základě dat měřených z jihovýchodně orientované větrané fasády s oranžovou a šedou barvou povrchu obkladového materiálu na budově nacházející se v České republice v krajském městě Brně. Pro přiblížení výsledků výpočtu větraných fasád s jinými parametry jsou použity korigované výpočty. Tyto korekce se budou s postupným vývojem softwaru a vyhodnocováním dat z dalších již realizovaných měření na jiných fasádách postupně zpřesňovat.

Výpočty v softwaru se řídí postupy a vztahy podle normy [4], případně při výpočtu součinitele prostupu tepla s kotvami podle normy [5]. Naše korekce byly zkoumány, podle již zmiňovaného vyhodnocení dat z měřené větrané fasády v Brně. Postup vhodnosti použití našich korigovaných výpočtů je skrze aproximaci vlastních korekčních součinitelů použitých v normativních výpočtech. Ty se po použití ve výpočtu musí s co nejmenší chybou přiblížit výsledkům dat z reálného měření.

Vstupní data pro výpočet tepelných toků v softwaru FSVM jsou:

• skladba konstrukce a plocha fasády,
• návrhové teploty interiéru a exteriéru v zimním i letním období a amplituda kolísání teplot,
• geografická poloha a orientace fasády,
• posuzované rozměry fasády,
• parametry větracích otvorů,
• větrná oblast, ortografie, sluneční konstanta a znečištění atmosféry,
• měrná tepelná kapacita a hustota vzduchu,
• poloha klapek pro chytrou fasádu v jednotlivých měsících (standardně v zimě zavřeno, zbytek roku otevřeno),
• tepelně technické vlastnosti vnějšího obkladu.

Podrobný rozpis všech vstupních veličin lze vidět ve volně dostupné demoverzi softwaru online [3]. Software je zatím pouze v českém jazyce.

Pro další měření a testování systému klapek a ventilátorů chytré fasády byl postaven a je používán prototyp fasády lokalizovaný ve výzkumném centru Vysokého Učení Technického v Brně AdMaS (zkratka pro Advanced Materials, Structures and Technologies). Výzkum této části je stále ve vývoji.

Pokračování

---

Doplnění redakce: S kamerou jsme se byli podívat přímo v místě experimentu.