Faktory ovlivňující vnitřní povrchovou teplotu a kondenzaci na povrchu konstrukcí – Díl 2.
Chování skutečné konstrukce se v určitých případech odlišuje od konstrukce modelované ve výpočtovém programu. Článek pojednává o faktorech, které můžou ovlivnit vlastnosti konstrukce tak, že mají vliv na povrchovou teplotu konstrukce. Jedná se zejména o působení vlhkosti uvnitř materiálu a vzdušné vlhkosti.
1. Úvod
V minulém dílu článku jsme se zabývali vlivem hmotnostní vlhkosti materiálu na povrchovou teplotu konstrukce. V dnešním díle porovnáme kondenzační oblasti detailu při modelovaní ve výpočtovém programu u idealizovaného detailu a detailu modelovaného podle skutečného materiálového složení. V poslední části si pak uvedeme příklady tepelně-vlhkostního chování reálných vnitřních prostor.
2. Komparace kondenzačních oblastí u idealizovaného detailu a detailu modelovaného podle skutečného materiálového složení
Pro tuto problematiku je řešeno teplotní pole s polem tlaků vodní páry pro kout zdiva z příčně děrovaných zdicích prvků.
Vzhledem k tomu, že děrované zdicí prvky se skládají z cihelného střepu a ze vzduchových dutin, lze předpokládat, že simulované šíření vlhkosti se může lišit od šíření vlhkosti v idealizovaném materiálu. Ve vzduchových dutinách může dokonce docházet k hromadění vlhkosti a k jinému druhu jejího šíření, které se u idealizovaných materiálů neobjevuje. Idealizace se však provádí pro výrazné zjednodušení výpočtu.
2.1. Geometrie modelu
Teplotní pole s polem tlaků vodní páry bude řešeno v programu Area 2009 firmy Svoboda software, který umožňuje zadání 200 obdélníkových oblastí. Vzhledem k tomuto omezenému počtu bylo pro zhodnocení rozdílu hranic kondenzačních oblastí voleno zdivo o menší tloušťce, které bylo z důvodu posouzení jako obvodové konstrukce opatřeno izolačním materiálem. Model byl pro potřeby výpočtu zjednodušen pouze v místech spojů jednotlivých tvárnic. Uvedeným omezením bylo možné vymodelovat konstrukci s množstvím obdélníkových oblastí vyhovujícímu omezením programu Area.
Obr. 2.1 Geometrie idealizovaného detailu
Obr. 2.2 Detail modelovaný podle skutečného materiálového složení a úprava na obdélníkové oblasti
2.2. Vstupní data
Skladba S5 bude uvažována jako obvodová zeď s dodatečným zateplením, kde zdicí tvarovky budou uvažovány jako idealizovaný materiál s materiálovými charakteristikami uváděnými výrobcem.
| Vrstva | d [m] | λ [W.m−1.K−1] | μ [-] | ρ [kg.m−3] |
|---|---|---|---|---|
| Silikátová omítka | 0,003 | 0,7 | 37 | 1700 |
| Lepicí stěrka | 0,005 | 0,8 | 50 | 1300 |
| Pěnový polystyren EPS 70F | 0,10 | 0,044 | 21 | 15 |
| Keramické zdivo Therm 30 P+D | 0,30 | 0,26 | 8 | 900 |
| Vápenocementová omítka | 0,01 | 0,8 | 14 | 1450 |
Ve skladbě S6 bude vrstva keramického zdiva modelována jako keramické tvarovky s dutinami. Pro keramický střep bude předpokládán součinitel tepelné vodivosti λ = 0,5 W.m−1.K−1 a faktor difuzního odporu μ = 8. Hodnota součinitele tepelné vodivosti vzduchových dutin byla určena tak, aby u obou modelů docházelo přibližně ke stejnému rozložení teplot, a to λ = 0,13 W.m−1.K−1. Difuzní odpor byl stanoven dle čl. 4.1 ČSN EN ISO 13788 [4] tak, aby ekvivalentní difuzní tloušťka byla 0,01 m. Zde byla zanedbána poloha vzduchové dutiny vzhledem ke směru tepelného toku a hodnota faktoru difuzního odporu μ = 0,63 byla stanovena pro jednotnou tloušťku vzduchové mezery 0,016 m.
| Vrstva | d [m] | λ [W.m−1.K−1] | μ [-] | ρ [kg.m−3] | |
|---|---|---|---|---|---|
| Silikátová omítka | 0,003 | 0,7 | 37 | 1700 | |
| Lepící stěrka | 0,005 | 0,8 | 50 | 1300 | |
| Pěnový polystyren EPS 70F | 0,10 | 0,044 | 21 | 15 | |
| Keramické zdivo Therm 30 P+D | Keramický střep | 0,006 | 0,5 | 8 | 900 |
| Vzduchová dutina | 0,016 | 0,13 | 0,63 | ||
| Vápenocementová omítka | 0,01 | 0,8 | 14 | 1450 | |
2.3. Řešení a výsledky pole teplot a tlaků vodní páry
Výchozí okrajové podmínky byly voleny následovně:
| teplota vnitřního vzduchu | θai = 20 ˚C |
| teplota venkovního vzduchu | θe = −15 ˚C |
| relativní vlhkost vnitřního vzduchu | φi = 50 % |
| relativní vlhkost vnějšího vzduchu | φe = 84 % |
| odpor při přestupu tepla na vnitřní straně konstrukce | Rsi = 0,25 m2.K.W−1 |
| součinitel při přestupu tepla na vnitřní straně konstrukce | hpi = 10.10−9 s.m−1 |
| odpor při přestupu tepla na vnější straně konstrukce | Rse = 0,04 m2.K.W−1 |
| součinitel při přestupu tepla na vnější straně konstrukce | hpe = 20.10−9 s.m−1 |
Generování sítě bylo provedeno automatickým generováním programu s požadovaným limitem maximálního počtu neznámých 5000.
Výsledky řešení budou znázorněny grafickým výstupem programu, na kterém bude vyznačena oblast s relativní vlhkostí 100 % tj. kondenzační oblasti detailu. Výsledky kvůli četným zjednodušením a idealizacím nelze uvažovat jako reálné chování konstrukce. Jedná se pouze o zhodnocení rozdílnosti chování konstrukce při různém pojetí úrovně zjednodušení modelu.
Oblasti kondenzace pro θai = 20 ˚C a φi = 50 % a dutinové zdivo vymodelované jako idealizovaný materiál jsou patrné na obr. 2.3, pro dutinové zdivo modelované podle skutečného materiálového složení na obr. 2.4.
Obr. 2.3 Oblast kondenzace u obvodové konstrukce se zdivem modelovaným jako idealizovaný materiál (zdroj: Area 2009)
Oblast kondenzace u obvodové konstrukce se zdivem modelovaným podle skutečného materiálového složení (zdroj: Area 2009)
Z důvodu vzniku kondenzační oblasti v modelu se zdivem modelovaným jako idealizovaný materiál pouze ve vrstvě vnější izolace byl proveden výpočet pro okrajové podmínky θai = 22 ˚C a φi = 60 %, kde vznikne druhá kondenzační oblast ve vrstvě idealizovaně modelovaného zdiva.
Oblasti kondenzace pro uvedenou změnu a dutinové zdivo vymodelované jako idealizovaný materiál jsou viditelné na obr. 2.5, pro dutinové modelované podle skutečného materiálového složení na obr. 2.6.
Obr. 2.5 Oblast kondenzace u obvodové konstrukce se zdivem modelovaným jako idealizovaný materiál (zdroj: Area 2009)
Obr. 2.6 Oblast kondenzace u obvodové konstrukce se zdivem modelovaným podle skutečného materiálového složení (zdroj: Area 2009)
2.4. Vyhodnocení výsledků
Výsledky mají přes četná zjednodušení a idealizace pouze hrubě zhodnotit rozdíly vzniku kondenzačních oblastí při různém pojetí při modelování konstrukce. Nelze je proto brát jako přesné chování konstrukce a konstrukce se může při dalším výzkumu chovat zcela odlišně.
V případě výpočtu s uvedenými okrajovými podmínkami u zdiva modelovaného jako idealizovaný materiál vzniká kondenzační oblast v izolačním materiálu před vrstvou omítky s vyšším faktorem difuzního odporu.
Při modelování detailu jako konstrukce se zdivem modelovaným podle skutečného materiálového složení taktéž vzniká oblast kondenzace v izolačním materiálu, ale navíc se kondenzační oblasti vyskytují také na vnitřním povrchu dutin ve vrstvách umístěných nejblíže k exteriéru. Při orosování vnitřního povrchu dutin může docházet k pohlcení vlhkosti materiálem nebo v případě, že povrch nedokáže vzniklou vlhkost pohltit, může docházet ke stékání zkondenzované vlhkosti po povrchu a k hromadění vlhkosti v dutině.
V případě výpočtu s upravenými hodnotami θai = 22 ˚C a φi = 60 % dochází v konstrukci se zdivem modelovaném jako idealizovaný materiál ke vzniku dvou kondenzačních oblastí. Jedna z oblastí se vyskytuje v izolačním materiálu a druhá ve vrstvě zdiva.
Při modelování zdiva jako konstrukce se zdivem modelovaným podle skutečného materiálového složení se však kondenzační oblast od předchozí varianty liší pouze v rozšíření kondenzačních oblastí do dalších dutin blíž k interiéru. Z obr. 2.5 a obr. 2.6 je zřejmé, že oblast kondenzace je výrazně odlišná a oblast kondenzace v idealizovaném materiálu se vyskytuje v oblasti s teplotou vyšší než 0 ˚C a část kondenzační oblasti u obou variant v konstrukci se zdivem modelovaným podle skutečného materiálového složení se vyskytuje v oblasti s teplotou pod bodem mrazu, co může mít vliv na správnou funkci konstrukce.
3. Tepelně-vlhkostní chování vnitřního prostředí
Kapitola pojednává o tepelně-vlhkostním chování vnitřního prostředí. Je zde provedeno srovnání dlouhodobého tepelně&vlhkostního chování pobytových prostor s normovou hodnotou.
Vnitřní prostředí se při návrhu objektu uvažuje jako prostředí s určitými konstantními, případně průměrnými parametry. Ve skutečnosti se však může chovat výrazně jinak vlivem různého užívání prostor podle preferencí uživatele. Tepelná pohoda jednotlivých uživatelů se může lišit, a proto by se konstrukce měla navrhovat s ohledem na preference uživatele a uvážením možného krátkodobého výkyvu teploty a vlhkosti.
Jednotlivá měření probíhala v prostorech určených k pobytu osob. Pro vyhodnocení chování vnitřního prostředí s hodnotou udávanou v normě, je srovnáno měření ze třech různých objektů.
3.1. Popis jednotlivých objektů
Referenční objekt č. 1 a referenční objekt č. 2 jsou objekty současné bytové výstavby, kde byly dodrženy požadavky norem platných v době výstavby. Obvodové konstrukce zděné, s dodatečným zateplením, zastřešení dřevěným krovem s izolací mezi a pod krokvemi. Okna plastová, těsná, bez možnosti vzduchové infiltrace mimo cílené větrání.
Referenční objekt č. 3 je objekt panelové výstavby 80. let. Objekt byl v době prováděného měření bez vnějšího zateplení s původními výplněmi otvorů.
3.2. Tepelně-vlhkostní chování pobytových prostor objektu
Z uvedených grafů je zřejmé, že hodnoty jednotlivých parametrů se mohou výrazně měnit v průběhu času vlivem různých událostí.
Návrhové parametry vnitřního prostředí pro pobytové prostory podle ČSN 73 0540-3 jsou:
| návrhová vnitřní teplota v zimním období | θi = 20 ˚C |
| relativní vlhkost vnitřního vzduchu | φi = 50 % |
Obr. 3.1 Průběh vnitřní teploty a relativní vlhkosti vzduchu v Referenčním objektu č. 1 (zdroj: archiv autora)
Měření v referenčním objektu č. 1 prokázalo, že parametry vnitřního prostředí se výrazně liší od návrhových hodnot. Teplota vnitřního vzduchu se po většinu času měření pohybovala kolem hodnoty 23 ˚C, což převyšuje návrhovou hodnotu o přibližně 3 ˚C. Relativní vlhkost se pohybovala v nejvyšších hodnotách ze tří referenčních objektů, přibližně 60%. Hodnota rosného bodu vnitřního vzduchu stoupla vzhledem k hodnotě rosného bodu návrhových parametrů o 5,5 ˚C. Vzestup povrchové teploty konstrukce vlivem vyšší vnitřní teploty bude vždy menší než vzestup teploty rosného bodu. Toto relativně výrazné navýšení může výrazně ovlivnit chování obvodových konstrukcí z hlediska povrchové kondenzace.
Obr. 3.2 Průběh vnitřní teploty a relativní vlhkosti vzduchu v Referenčním objektu č. 2 (zdroj: archiv autora)
Referenční objekt č. 2 vykazuje v průměru zvýšenou relativní vlhkost v řádu několika jednotek, což pokrývá bezpečnostní přirážka 5 % podle ČSN EN ISO 13788 [4]. Teplota vnitřního vzduchu se v době těsně po ukončení zátopu pohybuje kolem hodnoty 23 ˚C s následným poklesem pod hodnotu 20 ˚C. Na hodnotu rosného bodu tento výkyv teplot nemá výrazný vliv, protože ve výsledku se stoupající teplotou klesá relativní vlhkost vzduchu. V objektu se hodnoty pohybovaly těsně nad návrhovými parametry vnitřního prostředí.
Obr. 3.3 Průběh vnitřní teploty a relativní vlhkosti vzduchu v Referenčním objektu č. 3 (zdroj: archiv autora)
Referenční objekt č. 3 byl pravděpodobně ovlivněn přetápěním okolních bytů v nezatepleném panelovém domě. Poukazuje na to téměř konstantní hodnota vnitřního vzduchu 24 ˚C, která byla dosažena i přes nastavení termoregulační hlavice na hodnotu odpovídající 20 ˚C. Při nastavení hodnoty 4 na termoregulační hlavici s maximální hodnotou 5 bylo dosaženo teploty vnitřního vzduchu až kolem 27 ˚C, což výrazně převyšuje návrhové hodnoty. Při těchto teplotách, i přes dodrženou návrhovou relativní vlhkost, vzduch zadrží mnohem více vodní páry, což se negativně projeví na hodnotě rosného bodu vzduchu. Relativní vlhkost vzduchu zde vykazovala výrazné odchylky v průběhu měření (30 %), ale v průměru se relativní vlhkost pohybovala okolo hodnoty 50 %. Hodnota rosného bodu se vlivem zvýšené teploty vnitřního prostředí na hodnotu 24 ˚C s relativní vlhkostí 50 % zvýšila vzhledem k hodnotě rosného bodu určené z návrhových hodnot vnitřního prostředí o přibližně 3,5 ˚C.
3.3. Závěr
Na povrchovou kondenzaci má vliv v menší nebo větší míře velké množství faktorů. Při návrhu konstrukce by měl projektant nejen naplňovat požadavky, ale také do určité míry předvídat možné komplikace, které můžou v konstrukci nastat a zohlednit je v návrhu konstrukce.
Uživatel by měl zejména udržovat zdravé vnitřní prostředí zejména dostatečnou výměnou vzduchu v místnosti. Výměna vzduchu je taky klíčem k udržování požadovaných parametrů vnitřního prostředí. V případě problémů s povrchovou kondenzací na konstrukcích by měl uživatel jako první posoudit, zda právě nesprávné užívání vnitřních prostor není důvodem obtíží. Zejména nedostatečná výměna vzduchu má vliv na zvýšení relativní vlhkosti v interiéru a může mít také vliv na hromadění škodlivých látek ve vzduchu. Pokud je užívání správné a problémy přetrvávají, nezbývá než se obrátit na odborníka.
4. Poděkování
Tento článek vznikl za podpory projektu specifického výzkumu FAST-S-11-64/1435 na Fakultě stavební VUT v Brně.
Použitá literatura
- [1] PAPRANEC, Michal. Vliv parametrů vnitřního prostředí na vznik kondenzačních oblastí. Brno, 2011. 77 s., Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemního stavitelství.
- [2] ČSN 73 0540-2. Tepellná ochrana budov: Část 2: Požadavky. Praha: Český normalizační institut, 2011. 53 s.
- [3] ČSN 73 0540-3. Tepelná ochrana budov: Část 3: Návrhové hodnoty veličin. Praha: Český normalizační institut, 2005. 95 s.
- [4] ČSN EN ISO 13788 (73 0544). Tepelně vlhkostní chování stavebních dílců a stavebních prvků: Vnitřní povrchová teplota pro vyloučení kritické povrchové vlhkosti a kondenzace uvnitř konstrukce – Výpočtové metody. Praha: Český normalizační institut, 2002. 38 s.
The behaviour of real structures in some cases differs from the structure modeled in computational program. Article deals with the influences that can affect the characteristics of the structure, so that they affect the surface temperature of the structure. In particular, the moisture inside the material and air humidity.