Stavební fyzika 2 Zbyněk Svoboda K124, A529.

Prezentace na téma: "Stavební fyzika 2 Zbyněk Svoboda K124, A529."— Transkript prezentace:

1 Stavební fyzika 2 Zbyněk Svoboda K124, A529

2 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 budov

3 Stavební fyzika 2 Obsah přednášek: Nízkoenergetické a pasivní budovy
Prostup tepla obálkou budovy Energetická náročnost budov Obecné principy šíření tepla Součinitel prostupu tepla konstrukcí Nejnižší vnitřní povrchová teplota Šíření vlhkosti a kondenzace vodní páry Lineární a bodový činitel prostupu tepla Tepelná akumulace a tepelná jímavost Tepelná stabilita místností Šíření vzduchu Měřící metody 1. 2. 3. 4. 5. 6. od 2012 (aktual. 2014) web K124

4 Stavební fyzika 2 Podklady pro přednášky a použité symboly:
PDF k vytištění + dopisování Prezentace k samostatnému prostudování Symboly: doplňující informace důležitá informace nutná ke zkoušce materiály pro samostudium definiční přestávka

5 Energetická náročnost budov

6 Energetická náročnost budov
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.

7 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.

8 Nízkoenergetické budovy
Energetická náročnost budov Nízkoenergetické budovy

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

10 Nízkoenergetické budovy
Podmínka: pečlivý, promyšlený projekt ! s dávkou realismu… a nebo sofistikované řešení

11 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

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

13 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

14 Nízkoenergetické budovy
Strategie řešení: využití už přítomné energie (ZZT, zisky)

15 Nízkoenergetické budovy
Strategie řešení: využití akumulace budovy

16 Nízkoenergetické budovy
Strategie řešení: využití recyklovaných a přírodních materiálů

17 Nízkoenergetické budovy
Strategie řešení: výroba elektrické energie v budově

18 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 TNI TNI zjednodušená metoda pro výpočet energ. náročnosti NERD a NEBD

19 Energetická náročnost budov
Principy výpočtu

20 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) : první měření tepelné vodivosti.

21 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).

22 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 (podrobnosti v dalších přednáškách). Výpočet definován v EN ISO 6946 (podrobnosti v dalších přednáškách).

23 Principy výpočtu ENB Základní principy výpočtu šíření tepla v budovách
1. Prostup tepla přes konstrukci (upravený Newtonův zákon): tep. ztráta či zisk přes kci rozdíl teplot prostředí na obou stranách konstrukce součinitel prostupu tepla konstrukce 2. Teplo na výměnu vzduchu: parametry vzduchu v prostředí 1

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

25 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

26 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: délka 2D tep. vazby lineární činitel prostupu tepla (EN ISO 10211) bodový činitel prostupu tepla (3D detaily)

27 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 prochází skrz 1 m délky tepelné vazby mezi konstrukcemi při teplotním rozdílu mezi interiérem a exteriérem 1 K. Požadavky stanoveny v ČSN (podrobnosti v magisterském studiu). Výpočet definován v EN ISO (podrobnosti v magisterském studiu). Bodový činitel prostupu tepla (point thermal transmittance) [W/K] Základní parametr vyjadřující tepelně izolační kvalitu bodového (3D) tepelného mostu. Udává, kolik tepla ve W prochází skrz bodový tepelný most při teplotním rozdílu mezi interiérem a exteriérem 1 K. Požadavky stanoveny v ČSN (podrobnosti v magisterském studiu). Výpočet definován v EN ISO (podrobnosti v magisterském studiu).

28 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) Φi pro udržení zvolené teploty θi b) výpočet teploty θi při známém výkonu vytápění (chlazení) Φi

29 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 , 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.

30 Definiční přestávka Návrhová teplota vnitřního vzduchu (design indoor air temperature) [ ̊C] Teplota vzduchu v interiéru. Orientační výpočet (ČSN ): Použití: hodnocení konstrukcí z hlediska šíření tepla a vlhkosti Typická hodnota θai = 20,6 C (běžná novostavba s vytápěním tělesy), resp. 20 C (nízkoenergetický a pasivní dům). přirážka na vliv způsobu vytápění a kvality obalových kcí (0 až 2 C)

31 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 : 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

32 Definiční přestávka Návrhová průměrná měsíční teplota venkovního vzduchu (design monthly mean oudoor air temperature) [ ̊C] Průměrná teplota venkovního vzduchu v daném měsíci. Definována v ČSN , TNI , TNI , TNI … (použije se zdroj podle účelu výpočtu). Použití: hodnocení energetické náročnosti budov Typické hodnoty (např. podle TNI … používají se pro zpracování energetického průkazu):

33 Energetická náročnost budov
Model budovy

34 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

35 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

36 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)

37 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 ): 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

38 Průměrný součinitel prostupu tepla
Energetická náročnost budov Průměrný součinitel prostupu tepla

39 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 (podrobnosti dále). Výpočet definován v ČSN (podrobnosti dále). Vyjadřuje pouze vliv samotného stavebního řešení budovy.

40 Prům. součinitel prostupu
Požadavek ČSN : 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)

41 Prům. součinitel prostupu
Požadavky ČSN : 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:

42 Prům. součinitel prostupu
Požadavky ČSN : 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:

43 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 prochází obálkou budovy (nebo jen dílčí konstrukcí) při teplotním rozdílu mezi interiérem a exteriérem 1 K. Výpočet definován v EN ISO a v EN ISO (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)

44 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 je potřeba na ohřátí celkového objemu větracího vzduchu při teplotním rozdílu mezi interiérem a exteriérem 1 K. Výpočet definován v EN ISO (podrobnosti dále). Obecně se vypočte: objemový tok větracího vzduchu [m3/s] hustota vzduchu [kg/m3] měrná tepelná kapacita vzduchu [J/(kg.K)]

45 Prům. součinitel prostupu
Výpočet (podle ČSN ): 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]

46 Prům. součinitel prostupu
Výpočet (podle ČSN ): činitel teplotní redukce b: vyjadřuje vliv skutečného rozdílu teplot působícího na kci tabulky v ČSN – 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

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

48 Prům. součinitel prostupu
Výpočet (podle ČSN ): 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

49 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:

50 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