Měření součinitele prostupu tepla stávajících stavebních konstrukcí
Při tepelnětechnickém a energetickém posuzování stávajících budov bývá často problém určit součinitel prostupu tepla U. V mnoha případech k tomu je možné použít poměrně jednoduché měřící zařízení.
Úvod
Často se setkáváme s tím, že nelze nedestruktivně určit skutečnou skladbu ochlazovaných konstrukcí, jak z důvodu neexistence projektové dokumentace nebo z důvodu, že to v dokumentaci není uvedeno. Také se velmi často stává, že při stavbě byl použit jiný materiál, než byl v projektu (podle toho co bylo v době stavby na trhu k dostání). Značné nejistoty ve vlastnostech materiálu jsou i u typizované výstavby, především u různých krajských variant z panelů z lehkých betonů, zde se mohou vlastnosti lišit o desítky procent. A i když je materiál znám, normové hodnoty tepelné vodivosti se mohou značně lišit od konkrétního materiálu v konstrukci. To vše nám komplikuje zjišťování skutečných energetických toků konstrukcemi a ovlivňuje výpočty přínosů uvažovaných energetických opatření v energetických auditech či studiích.
Vlastní měřící metoda
Součinitel prostupu tepla je množství tepla procházející 1 m2 konstrukce při rozdílu teplot vzduchu mezi interiérem a exteriérem 1 °K. Kromě konstrukce zahrnuje i vliv nehybné vrstvičky vzduchu na vnějším i vnitřním povrchu konstrukce. Principem metody je současné měření vnitřní teploty vzduchu Ti měřicím přístrojem, měření teploty vnitřního povrchu konstrukce TW příložnými sondami přilepenými plastelínou, a měřením vnější teploty vzduchu Te vnější radiovou sondou. Z těchto tří teplot se v přístroji za použití konstanty αi = 7,69 W/m2K vypočte součinitel prostupu tepla U ze vzorce:
U = αi ‧ ΔT1ΔT2
αi = 7,69 W/m2K
ΔT1 = Ti − TW
ΔT2 = Ti − Te
Vzhledem k tomu, že rozdíl Δ T1 mezi teplotou vnitřního vzduchu a vnitřního povrchu konstrukce klesá se zvyšujícími izolačními vlastnostmi konstrukce, lze uspokojivě měřit většinou jen starší nezateplené konstrukce. U lepších konstrukcí s U ≤ 0,4 W/m2K je ΔT1 již významně ovlivňována nepřesnostmi měření a proměnlivostí podmínek, takže výsledky jsou již neuspokojivé.
Popis zařízení
Obrázek 3: Výstupy jednoho rychlého měření. Časový interval pouze 30 sec, celkem 20 měření.
Zařízení sestává z měřicího přístroje obsahující čidlo teploty vzduchu, ze třech příložných sond spojených kabelem s přístrojem a nakonec z vnější sondy, která měří vnější teplotu a naměřenou hodnotu pomocí radiové frekvence odesílá do měřicího přístroje k okamžitému výpočtu součinitele U. Výsledek je zobrazen na displeji přístroje a z jeho změn je patrné, zda již došlo k ustálení všech měřených teplot. Na přístroji lze nastavit časové intervaly měření a počet naměřených hodnot, ty lze potom stáhnout do PC (naměřené teploty i vypočtené U). Nainstalované zařízení je na obr. 1 a 2. Toto měření jsme prováděli v panelovém domě, u kterého jsme zpracovávali energetický audit, a byly pochybnosti o skladbě obvodového panelu. Měřením se ověřoval výpočet součinitele prostupu tepla provedený např. v programu TEPLO. V tomto případě naměřená hodnota byla podobná vypočtené.
Obrázek 1: Měřicí přístroj testo 435-4 je cca 30 cm od měřené stěny panelového domu. Okamžitá hodnota U je 0,956 W/m2K. Na stěně jsou plastelínou přilepené tři sondy cca 10 cm vzájemně od sebe, teplota povrchu je 16,9 °C.
Obrázek 2:Vnější sonda s vysílačkou je na parapetu okna, její teplotní čidlo je umístěno do proudu vzduchu stoupající podél fasády nad místem měření.
Obrázek 4: Měření cihelného zdiva tl. 600 mm v budově nemocnice.
Další měření jsme prováděli například v budově nemocnice. Zde byla pro zdivo z cihel plných tloušťky 600 mm naměřena hodnota U okolo 0,85 W/m2K. To je hodnota, co se již dost liší od předpokládané vypočtené hodnoty U určené z normových hodnot, která vychází více než 1,0 W/m2K. Je to tím, že norma nepočítá s průměrnými hodnotami tepelných vodivostí materiálů, ale ještě s horšími.
Obrázek 5: Termosnímek okna s železobetonovým překladem.
Měřili jsme i velmi často používané zdivo z plných cihel tl. 450 mm na běžném rodinném domku z poloviny minulého století. Zde bylo naměřeno U = 1,11 W/m2K v obývacím pokoji a U = 1,2 W/m2K v kuchyni. I to je méně než by vyšlo výpočtem z normových hodnot, výpočet dává hodnotu ninimálně 1,32 W/m2K.
Změřili jsme zde i velký železobetonový překlad nad jedním širokým oknem, zde bylo U = 1,95 W/m2K. Překlad je vidět na termovizním obrázku č. 5. Ta teplá stěna pod oknem je způsobena radiátorem.
V některých případech jsme naměřili naopak i vyšší hodnoty součinitele U než nám vycházelo z výpočtu. Důvodem byla vysoká vlhkost v interiéru a tedy i ve zdivu. V objektu z 50. let po výměně oken za plastová bylo u cihelného zdiva tl. 450mm naměřeno v obývacím pokoji U = 1,57 W/m2K. Bylo to v bytě, kde bylo na konci otopné sezóny zdivo okolo oken vyloženě mokré, dokonce i u radiátorů (v bytě byl oproti ostatním bytům v objektu podezřele malý náměr odebraného tepla). Provedli jsme měření vlhkosti vzduchu v interiéru a hodnota byla nad 60 %. O trvale vysoké vlhkosti svědčila i zvlněná dřevěná podlaha. Pro zajímavost jsme provedli i měření součinitele U i u vlhkého ostění, výsledek byl 3,85 W/m2K, teplota rosného bodu byla podkročena už při venkovní teplotě 0 °C. Takže nebylo divu, že zdivo prakticky celou otopnou sezónu provlhalo. Obyvatel přílišným zavíráním vytápění a nedostatečným větráním ušetřil jen cca 6000 Kč ročně za cenu poničení malby a nekomfortního vnitřního prostředí.
Obrázek 6 a 7: Měření součinitele prostupu tepla U a vlhkosti vzduchu záznamníkem testo ve vlhkém interiéru
Obrázek 8: Provlhlé zdivo ve špatně větraném bytě s plastovými okny a bez zateplení vnějších stěn.
Další praktické poznatky z měření
Obrázek 10: Blízko vnitřní konstrukce spojené s měřenou obvodovou stěnou se naměří podstatně nižší součinitel U.
Obrázek 11: Měřicí přístroj testo 435-4 v nesprávném místě na pantu okna. Čidlo teploty vzduchu v tomto případě naměří nižší teplotu než by mělo.
Obrázek 9: Měření součinitele U nové meziokenní vložky v panelovém objektu. Součinitel U byl naměřen okolo 1,2 W/m2K. Zajímavé je, že dle normy má jít o stěnu (dokonce lehkou) takže U by měl být správně pod 0,3 W/m2K.
Samotné měření bývá někdy dost náchylné na měnící se podmínky. Z toho důvodu by se mělo měřit delší dobu, nejlépe přes noc nebo v době rovnoměrných podmínek bez slunečního svitu. Na obrázku 9 je nová lehká meziokenní vložka, která musela být měřena brzy ráno, po rozednění sluneční záření vložku rychle ohřálo a výsledek měření se výrazně změnil.
Příložná čidla je třeba umísťovat dále od nábytku, protože za nábytkem u obvodové zdi je povrch studenější, tudíž součinitel U vychází vyšší. Pokud se povrchová čidla naopak umístí poblíž stropu, podlah nebo vnitřní příčky, vychází U výrazně nižší, protože vnitřní konstrukce přivádí k čidlům teplo.
Při krátkodobějších měřeních práci zdržuje doba, po kterou se teplota plastelíny vyrovnává s teplotou povrchu konstrukce, hlavně proto, že plastelína je ohřátá od prstů. Proto je výhodné mít dvě sady příložných čidel a během měření na jednom místě si již připevnit tyto čidla na dalším místě, aby se do dalšího měření již teplotně ustálila.
Měřicí přístroj má být ve stejné výšce jako povrchová čidla, což zpravidla vyžaduje držení přístroje rukou. Vhodnou pomůckou by tedy byla svislá kovová tyč se stojanem, na kterou by se měřicí přístroj jednoduše připevnil (na přístroji je magnet). Tím se také vyloučí případné ovlivňování přístroje teplem od ruky.
Je možné měřit i prosklené konstrukce, ale pouze v noci, nebo pokud jsou orientovány do neosluněné strany. U oken starších domů je ale problém s chladným vzduchem prostupujícím spárami, ten ovlivňuje teplotu vzduchu měřenou přístrojem. Např. na obrázku 11 je přístroj uchycen magnetem na pant okna a naměřená hodnota je lepší, než když byl přístroj držen ve správné poloze oproti zasklení.
Na možné proudění vzduchu je třeba pamatovat vždy při měření v budovách v době provozu, například měření na schodišti ve škole, kde se o přestávce otevíraly dveře tříd a do chodby proto proudil chladnější vzduch od zádveří, nešlo ustálit měřené hodnoty. Nežádoucí proudění a tepelné ovlivňování také způsobují blízká otopná tělesa.
Další možné měřené konstrukce
Zařízení je konstruováno pouze na měření součinitelů prostupu tepla U svislých obvodových konstrukcí. Mělo by ale jít alternativně použít i pro vodorovné konstrukce jako jsou stropy a podlahy. Výsledek by se z důvodu jiné hodnoty αi musel zkorigovat vynásobením 0,769 v případě tepelného toku zdola nahoru (střecha, strop) nebo 1,307 v případě tepelného toku shora dolů (podlaha). Také je třeba si ale uvědomit, že se často již nejedná o měření součinitele prostupu U, nýbrž o měření součinu U a činitele teplotní redukce b, jsou to případy stropu pod půdou, podlahy nad nevytápěným prostorem či terénem. U podlahy na terénu je nutno vzít v úvahu tepelnou akumulaci podloží (měřit v období s málo proměnlivou venkovní teplotou) a samozřejmě vzdálenost měřeného místa od obvodu budovy. Komplikací může být dosah radiové venkovní sondy, ale venkovní teplota může být změřena jednorázově a do výsledků lze doplnit po jejich zkopírování do excelovské tabulky. Tato měření se chystáme vyzkoušet v následující otopné sezóně, protože se potýkáme s problémem určení skutečných tepelných toků podlahami, protože bývá problém určit skutečnou skladbu a vlastnosti podkladních vrstev a podloží. Také vyzkoušíme modifikovat metodu, aby bylo možno s uspokojivou přesností měřit i zateplené konstrukce.
When heat and energy assessment of existing buildings it is often a problem to determine the heat transfer coefficient U. In many cases it is possible to use a relatively simple measuring device. The device is designed only to measure heat transfer coefficients for vertical facade structures. It could be alternatively used for horizontal structures such as ceilings and floors as well.