Teplotní pole v zemině pod podlahou – teorie a skutečnost
Stávající postupy stanovení přenosu tepla v zemině. Měření teplot v zemině pod podlahou experimentálního domu MSDK na VŠB v Ostravě. Rozdíl mezi vypočtenými teplotami v zemině pod podlahou a skutečně naměřenými hodnotami. Teplotní pole v zemině teoretické a skutečné.
Úvod
Pro účely inženýrských výpočtů (výpočet tepelných ztrát, navrhování a hodnocení konstrukcí) chybí jednoduchá a všeobecně uznávaná metoda, jak stanovit průběh teplotního pole v zemině pod podlahou (obecně se ale tato problematika týká i zeminy přilehlé k suterénním stěnám). Metody uvedené v evropských normách (ČSN EN ISO 13370 [1] a ČSN EN ISO 10211 [2]) jsou z hlediska výpočtu tepelných toků v zemině problematické, což vede ke zkreslujícím výsledkům (viz. příspěvek na minulé konferenci).
Zatím ale není dostatečný počet naměřených hodnot, které by bylo možné do nějaké jednoduché výpočtové metody zobecnit. Příspěvkem k řešení je kontinuální měření teplot v zemině pod velmi dobře izolovanou podlahou experimentálního domu MSDK v areálu Fakulty stavební, VŠB - TU Ostrava, které probíhá od září 2012.
Zakládání domů na tepelně izolačním zásypu LiaporInovativní zakládání RD na tepelně izolačním zásypu z Liaporu (keramzitu) přináší skvělé tepelně izolační vlastnosti pro výstavbu běžných, nízkoenergetických i pasivních rodinných domů. Lze jej použít i pro zakládání dalších staveb.
Začněte se snižováním energetických nároků stavby už od základů.
Více informací
Dosavadní normový postup výpočtu přenosu tepla zeminou
Podle ČSN EN ISO 13370 [1] je přenos tepla zeminou charakterizován:
- tepelným tokem plochou podlahy - závisí pouze na tepelně technických vlastnostech konstrukce
- tepelným tokem po obvodu podlahy - závisí na tepelné vazbě po okraji podlahy
- ročním periodickým tepelným tokem - závisí na tepelné setrvačnosti zeminy
Výpočet ustálené (roční průměrné) složky přenosu tepla zeminou se provádí:
- řešením 2D nebo 3D teplotního pole postupem podle ČSN EN ISO 10211 [2]
- výpočtem přenosu tepla plochou podlahy podle [1] se započtením vlivu tepelných vazeb po okraji podlahy:
Hg = A - Ug + P - ψ
kde ψ je lineární činitel prostupu tepla tepelnou vazbou [W/(m.K)], A je plocha podlahy [m2] a P je její obvod [m]. Součinitel prostupu tepla Ug [W/(m2.K)] v tomto případě vyjadřuje vlastnost podlahy vč. vlivu přilehlé zeminy.
Žádný z výše uvedených postupů však nezohledňuje dosud málo popsanou teplotu v zemině (z části danou geotermální energií zemského jádra a zčásti naakumulovanou během teplého období) - zemina se v těchto výpočtech zahrnuje jako další vrstva konstrukce, charakterizovaná pouze tepelnou vodivostí a setrvačností. Problémy, které tento přístup způsobuje, byly podrobněji popsány v [4] a [5].
Praktické měření teplot v zemině pod podlahou
Přesnější popis teplotního pole v zemině pod podlahou musí být podpořen měřením skutečných teplot v zemině v různých hloubkách a vzdálenostech od okraje podlahy. V rámci výstavby budovy Inovačního a výzkumného centra MSDK (Moravskoslezský dřevařský klastr) v areálu stavební fakulty VŠB-TU v Ostravě – Porubě byly pod podlahou zabudovány teplotní čidla ve čtyřech sondách (vždy v hloubce 0,7 m, 1,5 m a 3,0 m pod úrovní terénu), které slouží k trvalému měření a zaznamenávání teplot v zemině. Rozmístění jednotlivých sond a umístění teplotních čidel je patrné z dalších obrázků.
Konstrukčně se jedná o dvoupodlažní dřevostavbu velikosti RD v pasivním standardu. Podlahu v tomto případě tvoří základová betonová deska s tepelnou izolací (EPS a XPS) tl. 340 mm (U = 0,12 W/(m2.K)). Kromě teplot v zemině se měří venkovní teplota (stíněné teplotní čidlo na severní fasádě) a vnitřní teplota (teplota vnitřního vzduchu i celková vnitřní teplota). Vnitřní teplota je udržována stabilně na 20 °C a vzhledem k velmi dobře tepelně izolované podlaze se nepředpokládá vliv jejích případných krátkodobých výkyvů na průběh teplotního pole pod podlahou.
Výsledky měření
Teplotní pole v zemině pod podlahou se samozřejmě mění v průběhu celého roku v závislosti na celé řadě faktorů, z nichž pro běžně inženýrské výpočty jsou nejdůležitější venkovní a vnitřní teplota a tepelné vlastnosti podlahy (vč, jejích okrajových částí) a přilehlé zeminy (zanedbává se celá řada dalších faktorů - např. vliv slunečního záření, které ale vybočují z rámce běžného návrhu či hodnocení konstrukcí). Proto pro správnou interpretaci výsledků mají význam teploty v zemině získané v průběhu celého roku (ideálně ještě v delším časovém horizontu alespoň tří let).
Zatím jsou k dispozici teploty v zemině pod podlahou od poloviny srpna 2012 do konce dubna 2013 – zahrnující tedy konec letního období a prakticky celé následující zimní období. Průběhy teplot venkovního vzduchu a teplot v zemině během tohto období jsou zaznamenány na následujících grafech, které jsou pro názornost a vzájemné porovnání prezentovány ve dvou skupinách: podle hloubky pod podlahou (1. skupina) a podle jednotlivých sond (2. skupina).
Získané výsledky je možno z hlediska případného zobecnění přenosu tepla přes zeminu považovat za „bezpečné“ ze dvou důvodů:
- podlaha je velmi dobře izolovaná – tzn. nedochází (anebo jen velmi málo) k dotaci tepla do zeminy z vnitřního prostoru
- podlaha má malé půdorysné rozměry (šířka je „pouze“8 m) – tzn. že jejími okrajovými částmi dochází k ovlivňování teplotního pole více ke středu podlahy
Grafy teplot v zemině podle hloubky pod podlahou
Grafy teplot v zemině v jednotlivých sondách
Porovnání teoretického a skutečného teplotního pole
Dosavadní měření teplot v zemině pod podlahou (viz. řada dalších prací – např. [6]) vede k tomu, že budeme muset změnit pohled na dosavadní postupy modelování teplotního pole v zemině. Následující obrázky ukazují, jak výrazně se liší teoretický průběh izoterm v zemině podle normového postupu [2] od skutečného průběhu na základě dosud provedených měření.
Teoretické teplotní pole bylo stanoveno dvěma způsoby, které se liší okrajovou podmínkou v zemině:
- v prvním případě je v hloubce 2,5 x šířka podlahy = 20 m pod úrovní terénu uvažována adiabatická hranice (postup pro výpočet tepelných toků)
- ve druhém případě je v hloubce 3 m pod úrovní terénu zadána teplota + 5 °C (postup pro výpočet povrchových teplot)
Návrhová venkovní teplota se uvažuje - 12 °C (to odpovídá nejnižším naměřeným teplotám během tohoto zimního období), vnitřní teplota je + 20 °C. Skutečný průběh izoterm vychází z ustáleného teplotního pole v zemině na konci zimního období (konkrétně ke dni 17.3.2013) při okamžité venkovní teplotě - 12 °C.
Možné řešení
Pro běžnou projekční praxi (návrh skladby podlahy, výpočet tepelných ztrát) by možným řešením mohl být „návrat“ k zadávání teploty pod podlahou, podobně jako tomu bylo u ČSN 62 0210, ale v modifikovanější podobě. Princip je patrný z následujícího obrázku. Zvýšené ochlazování zeminy v okrajových částech podlahy (cca 1,5 ař 2 m od vnějšího líce obvodové stěny) se může zohlednit teplotním redukčním činitelem (např. „b“) s tabulkovými hodnotami podle typu okraje podlahy, její tepelné izolaci apod.). Středovou částí podlahy se uvažuje „klasický“ prostup tepla. V rámci obálky budovy se samozřejmě započítávají tepelné vazby mezi podlahou a stěnou.
Otázkou zůstává samotná teplota pod podlahou (rozmezí 5 až 10 °C ?) a hloubka, ve které by se zadávala (těsně pod podlahou – tedy bez vlivu zeminy, nebo ve větší hloubce i s vlivem zeminy).
Závěry
Z dosavadních výsledků měření teplot v zemině pod podlahou vyplývají následující skutečnosti:
- teplota v zemině i pod velmi dobře tepelně izolovanou podlahou (mimo její okrajové části) je během celé otopné sezóny relativně vysoká (+ 10 °C) – to odporuje teoretickým výpočtům (na základě řešení 2D nebo 3D teplotního pole), kdy mohou teploty pod takovým typem podlah vycházet i záporné
- podlaha tu spíše než konstrukce, přes kterou dochází k dotaci tepla do zeminy, působí jako tepelný izolant, který brání ochlazování zeminy z venkovního prostředí.
- nejvýrazněji se projevuje rozdíl mezi teorií a skutečností na modelu podlahy se zeminou s adiabatickou hranicí podle [2] – u dobře tepelně izolovaných podlah vychází teoretická teplota pod středem podlahy cca – 7 °C, zatímco ve skutečnosti je tu teplota cca + 11 °C - to je rozdíl 18 °C !!!
- na teplotu v zemině pod okrajovými částmi podlahy (cca do vzdál. 1,5 m od vnějšího líce stěny a do hloubky 1 m pod terén) se projeví změny teploty venkovního vzduchu trvající v řádu dní (min. 1 až 3 dny) – hodinové změny teplot v rámci 1 dne nemají vzhledem k tepelné setrvačnosti zeminy žádný (anebo jen minimální) vliv.
- zatím není nijak prokázán vliv sněhové pokrývky (během tohto zimního období byla velmi stabilní)
Literatura:
[1] ČSN EN ISO 13370 (73 0559): Tepelné chování budov – Přenos tepla zeminou – Výpočtové metody
[2] ČSN EN ISO 10211 (73 0551): Tepelné mosty ve stavebních konstrukcích – Tepelné toky a povrchové teploty – Podrobné výpočty
[3] ČSN 06 0210: Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění
[4] Panovec, Šála: Problémy při stanovení prostupu tepla zeminou, příspěvek na konferenci Tepelná ochrana budov, Štrbské pleso 2011
[5] Panovec, Šála: Problémy při stanovení prostupu tepla zeminou, časopis Tepelná ochrana budov 3/ 2011
[6] Sedláková, Rusnák: Tepelnotechnické problémy spodnej stavby priemyslných výrobných budov, časopis Tepelná ochrana budov 1/2008
Existing procedures for determining heat transfer in the soil. Temperature measurements in the soil under the floor of the experimental house MSDK at the Technical University in Ostrava. The difference between the calculated temperatures and actually measured. Theoretical and real temperature field in the soil.