K124 SF1 Tepelná ochrana budov Zbyněk Svoboda K124, A529

Stavební fyzika Obecné součásti: Obecné cíle: stavební akustika přirozené osvětlení a oslunění (požární bezpečnost a ochrana proti škodlivinám) tepelná ochrana budov Obecné cíle: zajistit optimální vnitřní prostředí s minimální environmentální zátěží zajistit dlouhodobou funkčnost konstrukcí a budov

Stavební fyzika SF1 Obsah přednášek: Nízkoenergetické a pasivní budovy Energetická náročnost budov Obecné principy šíření tepla Součinitel prostupu tepla konstrukcí Nejnižší vnitřní povrchová teplota Šíření vlhkosti a kondenzace vodní páry Hodnocení podlah a tep. stabilit Lineární a bodový činitel prostupu tepla Tepelná akumulace a tepelná jímavost Tepelná stabilita místností Šíření vzduchu Měřící metody 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. K124 SFA

Stavební fyzika SF1 Podklady pro přednášky a použité symboly: Prezentace k samostatnému prostudování Symboly: doplňující informace důležitá informace nutná ke zkoušce materiály pro samostudium definiční přestávka

Stavební fyzika SF1 Návaznost na ostatní výuku: Organizace výuky: ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov TNI 73 0329 Zjednodušené výp. hodnocení RD TNI 73 0330 Zjednodušené výp. hodnocení BD Vyhláška 78/2013 Sb. Evropské normy: EN ISO 6946, 10077, 10211, 13790, 13370, 13789…. Návaznost na ostatní výuku: Navrhování konstrukcí a detailů Technická zařízení budov Teorie udržitelného rozvoje Organizace výuky: přednášky a cvičení 1+1 (učebna A534) podklady: web K124 časopisy blogy (knihy) (skripta) normy Na okraj: Normy jsou jen model reality. Podstata práce stav. fyzika: analýza / model / data / výpočet / interpretace

Energetická náročnost budov

Energetická náročnost budov EU 2004 USA 2007 Jedno ze zásadních témat dneška. Spotřeba energie v budovách tvoří až 40 % z celkové spotřeby energie ve vyspělých státech. Stavebnictví: výrazné úspory jsou realizovatelné, řešení existují, lze provést okamžitě.

Energetická náročnost budov Měrná potřeba tepla na vytápění „Nulový dům“: pod 5 kWh/m2 „Energ. aktivní (energy plus) dům”: pod 0 kWh/m2 : čistá produkce energie Stavebnictví: výrazné úspory jsou realizovatelné, řešení existují, lze provést okamžitě.

Nízkoenergetické budovy Energetická náročnost budov Nízkoenergetické budovy

Nízkoenergetické budovy dříve kontroverzní, dnes až módní téma, v budoucnosti běžný standard nijak výrazné omezení architektonických záměrů

Nízkoenergetické budovy Podmínka: pečlivý, promyšlený projekt ! s dávkou realismu… a nebo sofistikované řešení první pasivní administrativní budova v ČR Ostrava (arch. R. Václavík)

Nízkoenergetické budovy Strategie řešení: navrhovat jako celek od začátku se specialisty minimalizace potřeby energie (vytápění/chlazení) návrhem stavby: nadstandardní izolace dokonalé detaily dokonalé provedení vzduchotěsnost

Nízkoenergetické budovy Strategie řešení: zónování stavby zohlednění světových stran a lokality budovy

Nízkoenergetické budovy Strategie řešení: zónování stavby zohlednění světových stran a lokality budovy Energetická bilance okna 1,5 m2: U = 1,1 m2K/W & g = 0,5 optimum pro režim vytápění: nízké U, vysoké g pro režim chlazení: nutné stínění!

Nízkoenergetické budovy Strategie řešení: promyšlený návrh TZB: účinné zdroje tepla účinné osvětlení a spotřebiče regulace! využití OZE (kolektory, TČ, zemní výměníky…) vše provázat a promyslet provozní režimy

Nízkoenergetické budovy Strategie řešení: využití už přítomné energie (ZZT, zisky) např. Trombeho stěny

Nízkoenergetické budovy Strategie řešení: využití akumulace budovy pro ukládání zisků optimální hmotné konstrukce v dřevostavbách např. příčky z nepálené hlíny ukládání tepla ze solárního kolektoru do podloží (štěrkové lože)

Nízkoenergetické budovy Strategie řešení: využití recyklovaných a přírodních materiálů

Nízkoenergetické budovy Strategie řešení: výroba elektrické energie v budově FV systémy kogenerace

Energetická náročnost budov EK: podpora nízkoenerg. výstavby pomocí legislativy, demonstračních a pilotních projektů a strukturálních fondů. EPBD I a II: evropské směrnice o energetické náročnosti budov Národní zákony a vyhlášky: zákon č. 318/2012 Sb. a vyhláška č. 78/2013 Sb. prům. souč. prostupu tepla, energ. štítek Ostatní předpisy: ČSN 73 0540 TNI 73 0329 TNI 73 0330 zjednodušená metoda pro výpočet energ. náročnosti NERD a NEBD

Energetická náročnost budov Principy výpočtu

Principy výpočtu ENB Základní principy výpočtu šíření tepla v budovách Newtonův zákon (law of cooling) tep. ztráta tělesa plocha rozdíl teplot povrch-prostředí Publikován 1701 (Newton podruhé zastupitelem v parlamentu. Málo aktivním. Zaznamenány pouze stížnosti na průvan a žádosti o zavření oken). Historická vsuvka Zač. 18. stol.: všechny materiály mají stejnou vodivost. Rozdíly v teplotách způsobuje rozdílná tepelná kapacita. 1777: objev přenosu tepla sáláním (C. W. Scheele) 1780-90: první měření tepelné vodivosti. I. Newton dle W. Blakea

Definiční přestávka Součinitel přestupu tepla (heat transfer coefficient) [W/(m2K)] Součinitel úměrnosti mezi hustotou tepelného toku a teplotním rozdílem, který tepelný tok způsobuje. Udává, kolik tepla ve W přestoupí z 1 m2 povrchu do okolní tekutiny (např. vzduchu) nebo naopak při teplotním rozdílu mezi povrchem a okolím 1 K. Velmi nestálá veličina, závisí na rychlosti vzduchu, drsnosti povrchu, tvaru a velikosti tělesa, barvě, teplotě… Přesné hodnoty se zjišťují experimentálně. Existuje více empirických vztahů. hustota tepelného toku Obecně se skládá z 2 částí: Definiční vztah, pro praxi nepoužitelný. Používané vztahy a hodnoty v dalších přednáškách. prouděním souč. přestupu tepla: sáláním Použití: kdekoli, kde se odehrává výměna tepla mezi pevnou látkou a tekutinou (hodnocení konstrukcí i energetické náročnosti budov) Typické hodnoty hi = 8 W/(m2K) (vnitřní povrch stěn), he = 25 W/(m2K) (vnější povrch stěn).

Definiční přestávka Tepelný odpor při přestupu tepla (surface thermal resistance) [m2K/W] Obrácená hodnota součinitele přestupu tepla na povrchu konstrukce: Použití: kdekoli, kde se odehrává výměna tepla mezi pevnou látkou a tekutinou (hodnocení konstrukcí i energetické náročnosti budov) Typické hodnoty Rsi = 0,13 m2K/W (vnitřní povrch stěn), Rse = 0,04 m2K/W (vnější povrch stěn). Součinitel prostupu tepla (thermal transmittance, U-value) [W/(m2K)] Základní parametr vyjadřující tepelně izolační kvalitu konstrukce. Udává, kolik tepla ve W prochází skrz 1 m2 plochy konstrukce (kolmo na povrch) při teplotním rozdílu mezi interiérem a exteriérem 1 K. Požadavky stanoveny v ČSN 730540-2 (podrobnosti v dalších přednáškách). Výpočet definován v EN ISO 6946 (podrobnosti v dalších přednáškách).

Principy výpočtu ENB Základní principy výpočtu šíření tepla v budovách 1. Teplo prostupující konstrukcí (upravený Newtonův zákon): tep. ztráta či zisk přes kci rozdíl teplot prostředí na obou stranách konstrukce součinitel prostupu tepla konstrukce čas (délka hodnoceného období) plocha výsledek: teplo v J = Ws (obvykle se používají Wh) lze i bez času: pak ztráta/výkon ve W Alternativní zápis: měrný tepelný tok prostupem [W/K]

Definiční přestávka Měrný tok prostupem tepla (transmission heat transfer coefficient) [W/K] Tepelný tok prostupem tepla obálkou budovy (nebo jen dílčí konstrukcí) vztažený na jednotkový teplotní rozdíl. Udává, kolik tepla ve W (tj. v J/s) prochází obálkou budovy (nebo jen dílčí konstrukcí) při teplotním rozdílu mezi interiérem a exteriérem 1 K. Výpočet definován v EN ISO 13789, v EN ISO 13370 a ČSN 730540 (podrobnosti dále). Obecně se skládá ze 3 částí: konstrukcemi mezi interiérem a venkovním vzduchem měrný tok prostupem tepla: zeminou (tj. konstrukcemi v kontaktu se zeminou) nevytápěnými prostory v kontaktu s nevytápěnými prostory) Alternativní definice podle ČSN 730540: plocha konstrukce souč. prostupu tepla činitel teplotní redukce (vliv teplotního rozdílu působícího na konstrukci)

Principy výpočtu ENB Vv Základní principy výpočtu šíření tepla v budovách 2. Teplo na výměnu vzduchu : hustota vzduchu měrná tep. kapacita vzduchu čas rozdíl teplot interiér-exteriér objemový tok větracího (čerstvého) vzduchu Vv Výjimka potvrzující pravidlo: Kancléř Marie Terezie Václav Antonín Kounic (1711-1794) osobní skleněný pokoj (1790) Nezbytný pro zdravý pobyt člověka v budovách. Zajištěn: přirozeným větráním okny nuceným větráním (VZT). diplomat evropského významu, nicméně svérázná osobnost: čerstvý vzduch ohrožuje zdraví

Principy výpočtu ENB Základní principy výpočtu šíření tepla v budovách 2. Teplo na výměnu vzduchu : hustota vzduchu měrná tep. kapacita vzduchu čas rozdíl teplot interiér-exteriér Alternativní zápis: měrný tepelný tok větráním [W/K]

Definiční přestávka Měrný tepelný tok větráním (ventilation heat transfer coefficient) [W/K] Teplo nutné k ohřátí venkovního vzduchu vstupujícího do interiéru větráním nebo netěsnostmi vztažené na jednotkový teplotní rozdíl mezi vnitřním a venkovním vzduchem. Udává, kolik tepla ve W (tj. v J/s) je potřeba na ohřátí celkového objemu větracího vzduchu při teplotním rozdílu mezi interiérem a exteriérem 1 K. Výpočet definován v EN ISO 13789 (podrobnosti dále). Obecně se vypočte: objemový tok větracího vzduchu [m3/s] hustota vzduchu [kg/m3] měrná tepelná kapacita vzduchu [J/(kg.K)]

Principy výpočtu ENB Základní principy výpočtu šíření tepla v budovách 3. Energetická bilance prostoru: ztráta prostupem ztráta větráním vnitřní zisk měrný tok prostupem přes tep. vazby mezi konstrukcemi

zahrnují se do součinitelů prostupu tepla konstrukcí U Principy výpočtu ENB Základní principy výpočtu šíření tepla v budovách Tepelné mosty a vazby: místa v konstrukci se zvýšeným tepelným tokem způsobeným nehomogenitami či geometrií (tvarem detailu) součásti plošných kcí styky konstrukcí zahrnují se do součinitelů prostupu tepla konstrukcí U zohledňují se jako samostatný faktor

Principy výpočtu ENB Základní principy výpočtu šíření tepla v budovách Tepelné mosty a vazby: místa v konstrukci se zvýšeným tepelným tokem způsobeným nehomogenitami či geometrií (tvarem detailu) přirážka na vliv tepelných vazeb (0 až 0,2 W/(m2K)) přibližně: přesně: bodový činitel prostupu tepla (3D detaily) délka 2D tep. vazby lineární činitel prostupu tepla (EN ISO 10211)

Definiční přestávka Lineární činitel prostupu tepla (linear thermal transmittance) [W/(m.K)] Základní parametr vyjadřující tepelně izolační kvalitu lineární (2D) tepelné vazby (tj. styku plošných konstrukcí). Udává, kolik tepla ve W (tj. v J/s) prochází skrz 1 m délky tepelné vazby mezi konstrukcemi při teplotním rozdílu mezi interiérem a exteriérem 1 K. Požadavky stanoveny v ČSN 730540-2 (podrobnosti v dalších přednáškách). Výpočet definován v EN ISO 10211 (podrobnosti v dalších přednáškách). Bodový činitel prostupu tepla (point thermal transmittance) [W/K] Základní parametr vyjadřující tepelně izolační kvalitu bodového (3D) tepelného mostu. Udává, kolik tepla ve W (tj. v J/s) prochází skrz bodový tepelný most při teplotním rozdílu mezi interiérem a exteriérem 1 K. Požadavky stanoveny v ČSN 730540-2 (podrobnosti v dalších přednáškách). Výpočet definován v EN ISO 10211 (podrobnosti v dalších přednáškách).

Principy výpočtu ENB Základní principy výpočtu šíření tepla v budovách 3. Energetická bilance prostoru: zisky = ztráty (z.z.e.) 2 základní úlohy: a) stanovení potřebného výkonu vytápění (chlazení) pro udržení zvolené teploty θi b) výpočet teploty θi při známé velikosti tepelných zisků Qg (osoby, kotel, Slunce…)

Energetická náročnost budov Model budovy

Model budovy Hodnotí se pouze vytápěná (chlazená) část budovy. Může být rozdělená na zóny. Do zóny se zahrnují všechny sousedící prostory, které mají: návrhovou vnitřní teplotu odlišnou o maximálně 4 C shodný systém vytápění (a chlazení) shodný systém větrání (přirozené/nucené/ZZT) alespoň na 80 % podlahové plochy výměnu vzduchu nejvýše 4x odlišnou v rámci min. 80 % podlahové plochy

Model budovy Typické 1 zónové budovy: Typické vícezónové budovy: rodinné domy, bytové domy řada občanských staveb (kanceláře, školy) Typické vícezónové budovy: polyfunkční stavby výrobní budovy s administrativní částí Hranice mezi zónami: 1. zanedbána ve výpočtu - pokud mají zóny stejný zdroj tepla/chladu - pokud je cílem hodnocení budovy jako celku 2. uvažována ve výpočtu - v opačných případech

Model budovy systémová hranice zóny (budovy) Hranice zóny: obecně podle EN ISO lze stanovit: z vnitřních celkových vnitřních a vnějších rozměrů - podle (nejen) českých předpisů: vnější rozměry systémová hranice zóny (budovy) - atiky: dle střešní konstrukce hranice zóny vedou po vnějším líci obal. kcí speciální případy: dvouplášťové konstrukce (vnější líc tep. izolace) podlahy na terénu (dtto) - podlahy nad suterénem (dle typu suterénu)

V případě pochybností: Model budovy Malé vnitřní nevytáp. prostory (schodiště, chodby) : záleží na umístění možnosti: nevytápěný prostor (mimo zónu) součást zóny mezní případy: Systém. hranice: příklady (TNI 730329): V případě pochybností: nevytápěný prostor (+ detailní výpočet) Plochy konstrukcí na hranici se vypočítají: ze skladebných rozměrů u výplní otvorů z vnějších rozměrů u ostatních konstrukcí

Průměrný součinitel prostupu tepla Energetická náročnost budov Průměrný součinitel prostupu tepla

Definiční přestávka Průměrný součinitel prostupu tepla budovy (mean thermal transmittance of the building) [W/(m2K)] Základní parametr vyjadřující tepelně izolační kvalitu obálky budovy. Udává, kolik tepla ve W prochází skrz 1 m2 obálky budovy (tj. obálky vytápěné části budovy) při teplotním rozdílu mezi interiérem a exteriérem 1 K. Požadavky stanoveny v ČSN 730540-2 (podrobnosti dále). Výpočet definován v ČSN 730540-4 (podrobnosti dále). Vyjadřuje pouze vliv samotného stavebního řešení budovy.

Prům. součinitel prostupu Požadavek ČSN 730540-2: Pro novostavby a pro nově vzniklé ucelené části budov při rekonstrukcích musí platit: Hodnotí se jen vytápěná část (zóna) budovy. Požadavek se stanoví výpočtem referenční budovy. Ta je shodná s hodnocenou budovou s určitými rozdíly: obalové konstrukce mají souč. prostupu tepla odpovídající normovým požadavkům plocha výplní otvorů se uvažuje max. 50% plochy stěn (je-li větší, nahradí se přebývající výplně stěnou)

Prům. součinitel prostupu Požadavky ČSN 730540-2: konkrétní výpočet: požad. souč. prostupu tepla pro j-tou kci (detaily v dalších přednáškách) činitel teplotní redukce (viz dále) součet přes obalové kce poměr celk. plochy obal. kcí a objemu zóny přípustné hodnoty: od 0,2 do 1,0 přirážka na vliv tep. vazeb plocha j-té obalové konstrukce výsledek nesmí přesáhnout: pro nové bytové budovy: 0,5 W/(m2.K) pro ostatní budovy:

Prům. součinitel prostupu Požadavky ČSN 730540-2: konkrétní výpočet: Požadavek pro budovy s převažující návrhovou vnitřní teplotou θim pod 18 C nebo nad 22 C: kde Uem,N,20 je základní požad. hodnota podle vztahu na tomto snímku. požad. souč. prostupu tepla pro j-tou kci (detaily v dalších přednáškách) činitel teplotní redukce (viz dále) součet přes obalové kce přirážka na vliv tep. vazeb plocha j-té obalové konstrukce výsledek nesmí přesáhnout: pro nové bytové budovy: 0,5 W/(m2.K) pro ostatní budovy:

Definiční přestávka Návrhová vnitřní teplota (set-point temperature) [ ̊C] Požadovaná vnitřní teplota zajišťovaná vytápěním či chlazením (obecně různá pro oba režimy). Zhruba ar. průměr teploty vzduchu a střední radiační teploty. Většinou nižší než teplota vzduchu. Použití: hodnocení energetické náročnosti budov Zdroj: ČSN 730540-3, ČSN EN 12831, investor. Typická hodnota pro režim vytápění θi = 20 C. Převažující návrhová vnitřní teplota (prevailing set-point temperature) [ ̊C] Návrhová vnitřní teplota většiny prostor v hodnocené budově nebo její části (zóně). Typická hodnota pro režim vytápění θi = 20 C.

Prům. součinitel prostupu Požadavky ČSN 730540-2: splnění požadavků vyjádřeno s pomocí energetického štítku: hranice odpovídající přesnému splnění požadavku, tj. Uem = Uem,N podíl Uem / Uem,N (procentní podíl Uem z Uem,N) požadovaná hodnota Uem,N

Prům. součinitel prostupu Výpočet (podle ČSN 730540-4): vychází se z principů evropských norem měrný tok prostupem tepla celk. plocha obal. kcí smluvní hodnoty: 0,1 (standard); 0,02 (optimalizované řešení); 0,2 (zanedbané řešení) činitel teplotní redukce [-] hrubší výpočet: přesný výpočet: lineární činitel prostupu tepla [W/(mK)] bodový činitel prostupu tepla [W/K]

Prům. součinitel prostupu Výpočet (podle ČSN 730540-4): činitel teplotní redukce b: vyjadřuje vliv skutečného rozdílu teplot působícího na kci tabulky v ČSN 730540-3 – nepříliš vhodné, částečně zastaralé, pro NED zcela nepoužitelné výpočet pro kce v kontaktu s vnějším vzduchem: návrhová vnitřní teplota působící na konstrukci návrhová teplota venkovního vzduchu v zimním období převažující návrhová vnitřní teplota

Definiční přestávka Návrhová teplota venkovního vzduchu v zimním období (design outdoor air temperature in winter period) [ ̊C] Maximální hodnota z nejnižších dvoudenních průměrů stanovených z minimálních denních teplot za 20 let. Definována v ČSN 730540-3: Zaokrouhluje se dolů na CELÉ číslo (např. -13,1 na -14 C)! Použití: hodnocení konstrukcí, stanovení požadavků na konstrukce a budovy Typické hodnoty θe od -13 C (např. Praha) do -17 C (např. Bruntál), extrém -21 C (Sněžka). nadmořská výška 1. NP budovy základní návrh. venkovní teplota ve 100 m n.m. ČR rozdělena na 4 oblasti s hodnotami: -12/-14/-16/-18 C výškový teplotní gradient Pro 4 oblasti: -0,5/-0,2/-0,2/-0,2 C

Prům. součinitel prostupu Výpočet (ČSN 730540-4): činitel teplotní redukce: tabulky v ČSN 730540-3 – nepříliš vhodné, částečně zastaralé, pro NED zcela nepoužitelné Výpočet (podle ČSN 730540-4): činitel teplotní redukce: kce v kontaktu s nevyt. prostorem teplota v nevyt. prostoru EN ISO 13789 nevyt. prostor

Prům. součinitel prostupu Výpočet (podle ČSN 730540-4): činitel teplotní redukce: kce v kontaktu se zeminou teplota v zemině EN ISO 13370 ustálený měrný tepelný tok zeminou bez vlivu zeminy s vlivem zeminy

Prům. součinitel prostupu Výpočet (podle EN ISO 13789): obdobný přístup, jen bez činitelů b Měrný tok prostupem tepla měrný tep. tok prostupem tepla konstrukcemi mezi interiérem a vnějším vzduchem výpočet podle EN ISO 13789: ustál. měrný tep. tok prostupem zeminou výpočet podle EN ISO 13370: plocha kce u zeminy obvod podlahy souč. prostupu tepla s vlivem zeminy lineární činitel prostupu tepla ve styku mezi stěnou a podlahou konst-rukce 2D tep. vazby 3D tep. vazby tep. tok přes:

Prům. součinitel prostupu Výpočet (podle EN ISO 13789): obdobný přístup, jen bez činitelů b Měrný tok prostupem tepla měrný tep. tok prostupem tepla konstrukcemi mezi interiérem a vnějším vzduchem výpočet podle EN ISO 13789: měrný tep. tok prostupem nevyt. prostory výpočet podle EN ISO 13789: konst-rukce 2D tep. vazby 3D tep. vazby tep. tok přes: celk. tep. tok z interiéru do nevyt. prostoru celk. tep. tok z nevyt. prostoru do exteriéru