Meranie vnútorných teplot materiálov drevostaveb počas letného obdobia
Príspevok prezentuje dlhodobé meranie vnútorných povrchových teplôt obvodových stien z rôznych konštrukčných materiálov. Výsledky týchto meraní sú zdrojom cenných poznatkov, ktoré je možné využiť pri návrhu optimálnej konštrukčnej skladby. Významné hľadisko predstavuje zníženie rizika prehrievania obalového plášťa drevostavby v letnom období. Meranie bolo realizované na výskumnom objekte rodinného domu postaveného v pobočke Holzforschung Austria – Stetten v Dolnom Rakúsku počas obdobia v rokoch 2011 až 2013. Vnútorne povrchové teploty boli merané na vzorkách konštrukčných skladieb obvodových stien na báze dreva, tehlového muriva a betónovej konštrukcie.
Úvod
V príspevku sú uvedené najvýznamnejšie výsledky z týchto meraní. Vzorky boli rozdelené podľa použitej: konštrukcie, izolácie, vnútorného obloženia a farby fasády. Hodnoty vnútorných povrchových teplôt po skončení merania boli spracované štatistickými metódami. Výsledky sú prezentované v závislosti od časového úseku merania vyjadrené ako teplota za rok, denná maximálna teplota a denná amplitúda teploty. Najprv sú uvádzané štatisticky významné usporiadané dvojice vzoriek. Pre znázornenie rozloženia a polohy vnútorných povrchových teplôt konštrukcií bola použitá metóda lineárnej regresia. Posledným vyjadrením je denný priebeh vnútornej povrchovej teploty konštrukcie znázornený v hodinových intervaloch. Použité metódy spracovania výsledkov preukázali najvýznamnejšie vlastnosti meraných vzoriek. Na základe uskutočnených dlhodobých meraní je zrejmý vplyv objemovej hmotnosti, mernej tepelnej kapacity konštrukčných materiálov a globálneho slnečného žiarenia na vnútornú povrchovú teplotu konštrukcie v letnom období. Podľa týchto výsledkov sa je možné rozhodnúť pre výber správnych materiálov použitých v konštrukčnej skladbe obalového plášťa drevostavby.
Obalový plášť drevostavieb dosahuje výnimočné tepelné vlastnosti, ktoré významné prispievajú k zníženiu spotreby energie na vykurovanie alebo chladenie. Na druhej strane negatívnou vlastnosťou je riziko prehrievania konštrukcie počas letného obdobia. Poznatky o konštrukčných materiáloch používaných v drevostavbách sú významné v oblasti navrhovania obalových plášťov drevostavieb. Problematikou prehrievania stavebných konštrukcií v letnom období sa už zaoberalo niekoľko výskumných projektov v minulosti. Výsledky týchto výskumných projektov prezentujú možnosti zníženia rizika prehrievania konštrukcie. Taktiež poukazujú na význam niektorých fyzikálnych vplyvov na správanie konštrukcie z hľadiska prenosu tepla medzi, ktoré patrí objemová hmotnosť, merná tepelná kapacitaa globálne slnečné žiarenie.
Cieľom príspevku je prezentovať meranie vnútorných povrchových teplôt rôznych vzoriek konštrukčných skladieb v letnom období. Výsledky sú cenným zdrojom poznatkov a sú užitočné pre návrh energetický efektívnej konštrukčnej skladby obalového plášťa drevostavby z hľadiska zníženia rizika prehrievania v letnom období.
Materiál a metódy
Obr. 1 Model rodinného domu, Holzforschung Austria, pobočka Dolné Rakúsko
Obr. 2 Konštrukčná skladba vzoriek
Experimentálne merania prebiehali na reálnom modely budovy obr. 1 predstavujúceho rodinný dvojpodlažný dom s pôdorysnými rozmermi 10,7 m × 8,7 m a výškou 8,3 m. Budova bola umiestnená v pobočke Holzforschung Austria v regióne Dolné Rakúsko. Vnútorné povrchové teploty boli merané počas letného obdobia v rokoch 2011 až 2013. Vonkajšie steny pozostávali s rôznych vzoriek konštrukčných skladieb obvodových stien. V tomto príspevku je prezentovaná a diskutovaná najvýznamnejšia časť výsledkov. Ďalšie podrobné informácie a výsledky budú zverejnené v publikácií, ktorá bude vydaná v Holzforschung Austria.
V experimentálnych meraniach vnútornej povrchovej teploty bolo meraných celkovo 44 vzoriek konštrukčných skladieb širokých 625 mm a dlhých v rozmedzí 1400 až 2950 mm v závislosti od umiestnenia. Vzorky umiestnené na južnej a severnej strane tvorili vzájomný zrkadlový obraz. Merania pre túto geografickú orientáciu boli zamerané na vplyv použitého konštrukčného systému, druhu izolácie a farby fasády. Na západnej a východnej strane boli vzorky merané z hľadiska použitého vnútorného obloženia konštrukčnej skladby obalového plášťa drevostavby. Konštrukčnú skladbu vzoriek znázorňuje obr. 2.
Vnútorná povrchová teplota vzoriek bola meraná NTC-snímačmi počas celého obdobia. Merané údaje boli zaznamenávané v minútových intervaloch transformovaných do 10 minútových priemerov. Po ukončení bola potrebná ich úprava a výpočet neistoty merania, ktorá predstavovala hodnotu Uc = ±0,115 °C. Pre stanovenie štatistickej významnosti usporiadaných vzoriek konštrukčných skladieb bol použitý dvojvýberový t-test. Pomocou lineárnej regresie bolo možné vyjadriť polohu vnútornej povrchovej teploty a jej priebeh. Sledovanie dennej teploty v hodinových intervaloch znázorňuje graf s rôznymi konštrukčnými skladbami .
Výsledky a diskusia
Najvýznamnejšie výsledky prezentujú usporiadané dvojice konštrukčných skladieb tab. 1 rozdelených podľa použitého:
- konštrukčného systému,
- druhu tepelnej izolácie,
- vnútorného obloženia konštrukcie,
- farby fasády.
V riadkoch sú uvedené názvy konštrukčnej skladby legenda avýznam použitých skratieksa nachádza pod tab. 1. Stĺpce pozostávajú zo štatisticky významných hodnôt najmenších povrchových teplôt usporiadaných dvojíc konštrukčných skladieb. Tmavšia šedá farba znázorňuje štatistickú významnosť merania a zmenu povrchovej teploty. Hodnotenie prebiehalo v závislosti od času merania, ktorá je vyjadrené ako:
- teplota (celé časové obdobie merania počas meraného letného obdobia),
- maximálna denná teplota (maximálna denná teplota počas meraného letného obdobia),
- denná amplitúda teploty (rozdiel medzi maximálnou a minimálnou dennou teplotou počas meraného letného obdobia).
| Teplota | Denná maximálna teplota | Denná amplitúda teploty | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| << | < | = | << | < | = | << | < | = | |||
| Konštrukčný systém | |||||||||||
| 1.1 | Konštrukčný systém – CLT (MV_J_1 SDK_0,25_s_bIP) | Konštrukčný systém – SK (MV_J_1 SDK_0,25_s_bIP) | |||||||||
| 1.2 | Konštrukčný systém – CLT (MV_S_1 SDK_0,25_s_bIP) | Konštrukčný systém – SK (MV_S_1 SDK_0,25_s_bIP) | |||||||||
| Druh tepelnej izolácie | |||||||||||
| 2.1 | Konštrukčný systém – CLT (CE_J_1 SDK_0,13_s_bIP) | Konštrukčný systém – CLT (MV_J_1 SDK_0,13_s_bIP) | |||||||||
| 2.2 | Konštrukčný systém – SK (CE_S_1 SDK_0,13_s_sIP) | Konštrukčný systém – SK (MV_S_1 SDK_0,13_s_sIP) | |||||||||
| Vnútorné obloženie konštrukcie | |||||||||||
| 3.1 | Konštrukčný systém – CLT (MV_Z_1 PCM_0,13_t_bIP) | Konštrukčný systém – CLT (MV_Z_1 SDK_0,13_t_bIP) | |||||||||
| 3.2 | Konštrukčný systém – SK (MV_Z_1 PCM_0,13_t_sIP) | Konštrukčný systém – SK (MV_Z_1 SDK_0,13_t_sIP) | |||||||||
| Farba fasády | |||||||||||
| 4.1 | Konštrukčný systém – CLT (MV_J_1 SDK_0,25_s_bIP) | Konštrukčný systém – CLT (MV_J_1 SDK_0,25_t_bIP) | |||||||||
| Štatistická významnosť merania | Zmena povrchovej teploty konštrukcie | |
|---|---|---|
| << | najvýznamnejší výsledok 0,000 < p < 0,025 | najvýraznejšia zmena |
| < | významný výsledok 0,025 < p < 0,050 | výrazná zmena |
| = | nevýznamný výsledok p < 0,050 | nevýrazná zmena |
| CLT | Krížom lepené drevo | 1 PCM | Phase change material |
| SK | Stĺpiková konštrukcia | 0,13 | U = 0,13 W/(m2.K) |
| MV | Minerálna vlna | 0,25 | U = 0,25 W/(m2.K) |
| CE | Celulóza | s | Svetlá farba fasády |
| J | Južná svetová orientácia | t | Tmavá farba fasády |
| S | Severná svetová orientácia | bIP | Bez inštalačnej predsteny |
| Z | Západná svetová orientácia | sIP | S inštalačnou predstenou |
| 1 SDK | Sadrokartón jedna vrstva |
Lineárna regresia
Metóda lineárnej regresie znázorňuje polohu vnútornej povrchovej teploty a priebeh usporiadanej dvojice konštrukčnej skladby. Pre lepšie znázornenie bola použitá rozdielna mierka osí grafov. Plná čiara oranžovej farby rozdeľuje graf na dve polovice a čiarkovaná čiara oranžovej farby ohraničuje plochu s neistotou chyby merania Uc. Nasledujúce grafy prezentujú najvýznamnejšie usporiadané dvojice konštrukčných skladieb s ich špecifickými vlastnosťami.
Konštrukčný systém
Obr. 3 Vplyv konštrukčného systému na vnútornú povrchovú teplotuNa obr. 3 je znázornené porovnanie konštrukčného systému z krížom lepeného dreva (CLT) a stĺpikovej konštrukcie (SK). Rozloženie povrchových teplôt konštrukcie v prípade teploty a maximálnej dennej teploty je rovnomerné. Najvýraznejšia zmena teploty je v prípade dennej amplitúdy. Z toho vyplýva, že konštrukčný systém z krížom lepeného dreva (CLT) je odolnejší voči riziku prehrievania konštrukcie v letnom období.
Druh tepelnej izolácie
Obr. 4 Vplyv tepelnej izolácie na vnútornú povrchovú teplotu
Použitie tepelnej izolácie v konštrukčnej skladbe obvodovej steny na báze celulózy a minerálnej vlny má zásadný vplyv na vnútornú povrchovú teplotu konštrukcie, ktorý je možné vidieť na obr. 4. Nižšia vnútorná povrchová teplota je dosahovanáv prípade použitia tepelnej izolácie na báze celulózy v konštrukčnom systéme z krížom lepeného dreva (CLT). Významný výsledok je spôsobený rozdielnou mernou tepelnou kapacitou izolačných materiálov, ktorá pre celulózu predstavuje hodnotu C = 1800 J/(kg.K) a minerálnu vlnu C = 1000 J/(kg.K).
Vnútorné obloženie konštrukcie
Obr. 5 Vplyv vnútorného obloženia konštrukcie na vnútornú povrchovú teplotuVplyv vnútorného obloženia na povrchovú teplotu konštrukcie tvoreného z konštrukčného materiálu PCM (Phase Change Material) a sadrokartónových dosiek v stĺpikovom konštrukčnom systéme znázorňuje obr. 5. Priebeh teploty a maximálnej dennej teploty nepotvrdil významnosť porovnávanej usporiadanej dvojice konštrukčnej skladby počas letného obdobia. Najviditeľnejšia zmena vnútornej povrchovej teploty konštrukcie je pri teplote 23 °C kedy dosahuje konštrukčný materiál PCM najväčšiu účinnosť.
Farba fasády
Obr. 6 Vplyv farby fasády na vnútornú povrchovú teplotuVnútornú povrchovú teplotu významné ovplyvňuje farba fasády ako je možné vidieť na obr. 6. Najmenší vplyv je zreteľný pre svetlú farbu fasády. Výsledok je spôsobený globálnym slnečným žiarením a absorpčným koeficientom vonkajšieho povrchu omietky s hodnotou 0,24 pre bielu farbu a 0,83 pre hnedú farbu fasády. Z toho vyplýva, že hnedá farba fasády je schopná prijať viac globálneho slnečného žiarenia.
Priebeh dennej teploty
Priebeh dennej teploty v hodinových intervaloch prezentuje zmenu tepelného správania konštrukcie obvodovej steny počas dňa. Na nasledujúcich obrázkoch sú porovnávané konštrukčné skladby v závislosti od druhu použitého konštrukčného systému, tepelnej izolácie, vnútorného obloženia konštrukcie a farby fasády. Znázornené sú aj priebehy vnútornej a vonkajšej teploty vzduchu.
Obr. 7 Priebeh dennej teploty rôznych konštrukčných systémovPoužitie rozdielnych konštrukčných systémov znázorňuje obr. 7. Z ich priebehov dennej teploty je zrejmý vplyv mernej tepelnej kapacity konštrukčných materiálov. Globálne slnečné žiarenie spôsobuje výrazne zvýšenie povrchovej teploty pri južnej orientácii meraných vzoriek.
Obr. 8 Priebeh dennej teploty pri použití rozdielnych tepelných izoláciíVplyv rozdielnej mernej tepelnej kapacity tepelnej izolácie na báze celulózy a minerálnej vlny je možné vidieť z priebehu dennej teploty na obr. 8. Pri tepelnej izolácií na báze minerálnej vlny dochádza k miernemu zvýšeniu teploty počas poludňajších hodín. Tepelná izolácia na báze celulózy môže prispieť k zníženiu rizika prehrievania pri stĺpikovom konštrukčnom systéme v letnom období.
Obr. 9 Priebeh dennej teploty pri rozdielnom vnútornom obložení konštrukcieNa obr. 9 je znázornený denný priebeh teploty pre vnútorné obloženie konštrukcie tvorené konštrukčným materiálom PCM (Phase Change Material) a sadrokartónovou doskou. Vplyvkonštrukčných materiálov na vnútornú povrchovú teplotu bol posudzovaný pri konštrukčnom systéme z krížom lepeného dreva (CLT) a stĺpikovej konštrukcie (SK). Z priebehu dennej teploty konštrukcie vyplýva konštrukčný materiál PCM je schopný vplyvom fázovej zmeny z pevného skupenstva na kvapalné uchovávať tepelnú energiu. Uvedený jav nastáva pri teplote 23 °C. Použitie tohto materiálu je výhodné pre stĺpikový konštrukčný systém.
Obr. 10 Priebeh dennej teploty pre rozdielne farbe fasádyFarba fasády významne ovplyvňuje vnútornú povrchovú teplotu konštrukčnej skladby. Na obr. 10 je znázornený priebeh dennej teploty stĺpikového konštrukčného systému v závislosti od geografickej orientácie. Tmavá farba fasády spôsobovala väčšiu vnútornú povrchovú teplotu, ktorá je výrazná pri južnej orientácii vzorky.
Záver
Hlavným výsledkom príspevku sú výsledky usporiadaných dvojíc konštrukčných skladieb obalového plášťa drevostavieb, ktoré prezentujú najvýznamnejšie vplyvy na vnútornú povrchovú teplotu v závislosti od:
- objemovej hmotnosti použitých konštrukčných materiálov,
- mernej tepelnej kapacity izolačných materiálov na báze celulózy a minerálnej vlny,
- fyzikálnych vlastností a štruktúry konštrukčných materiálov používaných na vnútorné obloženie stien,
- globálneho slnečného žiarenia a geografickej orientácie pri tmavom alebo svetlom povrchu fasády.
Pre získanie odpovede, ktorá konštrukcia obalového plášťa drevostavby z pohľadu energetickej efektívnosti je najlepšia sa bude potrebné venovať problematike merania povrchových teplôt naďalej. Veríme, že tento príspevok poskytol čiastočne odpoveď na túto náročnú otázku.
Poďakovanie
Článok bol napísaný vďaka finančnej podpore realizovaného projektu COMET – program v kontexte energetickej efektívnosti budov rakúskym ministerstvom BMVIT a BMWFJ. Ďalej projekt bol podporený obchodnými partnermi Griffner, Homatherm, Isocell, KLH a Knauf. Odborná úroveň projektu bola garantovaná Technische Universität Wien.
Literatúra
- Beizaee, A., Lomas, K. J., Firth, S. K. (2013): National survey of summertime temperatures and overheating in English homes risk. In: Building and Environment 65, p. 1–17.
- Coley, D., Kershaw, T. (2010): Changes in internal temperatures within the built environmentas a aresponse to a changing climate. In: Building and Environment 45, p. 89–93.
- David, S. K. (2011): Materials for Energy Efficiency and Thermal Comfort in Buildings. In: International Journal of Environmental Studies, 68:6, p. 983–993.
- Gowreesunker, B. L., Tassou, S. A. (2013): Effectiveness of CFD simulation for the performance prediction of phase change building boards in the thermal environment control of indoor spaces. In: Building and Environment 59, p. 612–625.
- Heathcote, K. (2008): Comparison of the Summer Thermal Performance of Three Test Buildings with that Predicted by the Admittance Procedure. In: Architectural Science Review 51:1, p. 31–38.
- Joščák, M., Niemz, P. (2008): Vergleichende Untersuchungen zum optimierten Wärmeschutz in unterschiedlichen Holzbausystemen. Forschungsprojekt Nr. 2-71114-07. Unter Mitarbeit von Fritz Bächle, Walter Sonderegger und Rudolph Plagge. ETH Zürich, Institut für Baustoffe.
- Kendrick, Ch., Ogden, R., Wang, X., Baiche, B. (2012):Thermalmass in new build UK housing: A comparison of structural systems in a future weather scenario. In: Energy and Buildings 48, p. 40–49.
- Kendrick, Ch., Walliman, N. (2007): Removing unwanted Heat in Lightweight Buildings Using Phase Change Materials in Building Components: Simulation Modelling for PCM Plasterboard. In: Architectural Science Review 50: 3, p. 265–273.
- Krüger, E., Givoni, B. (2008): Thermal monitoring and indoor temperature predictions in a passive solar building in an arid environment. In: Building and Environment 43, p. 1792–1804.
- Leskovar, V. Z., Premrov, M. (2011): Anapproach in architectural design of energy-efficient timber buildings with a focus on the optimal glazing size in the south-oriented facade. In: Energy and Building 43, p. 3410–3418.
- Lindberg, R. W., Binamu, A., Teikari, M. (2004): Five-year data of measured weather, energy consumption, and time-dependent temperature variations within different exterior wall structures. In: Energy and Buildings 36 (6), p. 495–501.
- Lindberg, R. W., Rantala, J. V., Leivo, V. M., Kiviste, M. (2012): Effect of massive outer leaf of an insulated cavity brickwall on heatloss. In: Journal of Building Physics 36 (2), p. 198–211.
- Manioglu, G., Zerrin, Y. (2008): A Comparative Evaluation of the Importance of Thermal Mass of Traditional Architecture in Hot and Dry Region in Turkey. Istanbul Technical University. Istanbul.
- Rossi, M., Rocco, V. M. (2012):External walls design: The role of periodic thermal transmittance and internal areal heat capacity. In: Energy and Buildings, p. 9.
- Shi, X., Burnett, E. (2009): Uncertainty Analysis in Hygrothermal Measurements and Its Effect on Experimental Conclusions, In: J. ATM Intl., Vol. 6, No. 4
- Ubinasa, E. R., Valeroa, L. R., Vegaa, S., Neilab, J. (2012): Applications of Phase Change Material in highly energy-efficient houses. In. Energy and Buildings 50, p. 49–62.
This paper discusses a long time measurements inner surface temperatures of different construction methods during summer season. The investigation was carried out on test building location at branch Holzforschung Austria in Stetten – Lower Austria in years 2011 to 2013. Inner surface temperatures were measured for different used construction methods of timber and masonry houses in quantity 44 samples. In this paper are presented the most significance results of measurement. The samples of construction methods were divided by specific characteristics: construction, core insulation, internal cladding and colour of facade. The measurement values inner surface temperatures were processed by statistical methods.