Domy, které drží teplo
Odborníci i širší veřejnost vědí, že některé domy mají schopnost velmi dobře držet vnitřní teplo. Jde o domy z těžkých stavebních materiálů, jejichž obvodové stěny mají zároveň vysokou tepelnou izolaci, blížící se „čistým“ tepelným izolacím. Příkladem jsou domy z cihelných bloků českého výrobce HELUZ. Zastavme se u nich.
Tento příspěvek volně navazuje na článek Tepelně akumulační vlastnosti zdiva HELUZ, který byl uveřejněn v časopise Stavebnictví a interiér č. 9/2015. Těžký stavební materiál ve stěnách, stropech a podlaze dokáže jímat obrovské množství tepla. Přibližme si to na jednoduchém příkladě.
Postavme z cihelných prvků rodinný bungalov. Pro obvodové zdivo vybereme špičkový produkt, termoizolační cihlu HELUZ FAMILY 2in1 tloušťky 500 mm. Tepelně dobře izolovaná podlaha je betonová, vnitřní nosné zdi jsou z bloků HELUZ FAMILY 25 a strop typu Miako je včetně ztužujícího věnce zalit nadbetonávkou. Hmotnost domu se tím vyšplhá na cca 150 tun.
Význam akumulační hmoty
Ohřátím či zchlazením této hmoty o pouhý 1 °C dům získá, resp. ztratí přes 41 kWh energie. V případě našeho bungalovu počítáme jen s 35 kWh, protože u obvodových stěn díky teplotnímu spádu využíváme jen polovinu jejich tepelné kapacity.
Nyní vyvětráme celý objem vzduchu domu, který může zaujímat cca 300 m2. Venku je –15 °C a my veškerý vydýchaný vzduch o teplotě 23 °C vyměníme za venkovní, studený. S využitím trojčlenky zjistíme, že jen vzájemným sdílením tepla čerstvého vzduchu a obklopujících konstrukcí se ustálí nová společná teplota (vzduchu a vnitřních povrchů konstrukcí) na hodnotě 22,88 °C, aniž by musela otopná soustava jakkoli reagovat na příliv studeného vzduchu. Snížení o 0,12 °C nelze pocitově vůbec zaznamenat. Topení plynule topí, ale nemusí hned reagovat na každý podnět.
Útlum teplotní vlny
Současná stavební tepelně technická norma neklade na akumulační hmotu domu žádné konkrétní požadavky. Rozlišuje pouze těžké stavby (cihlové, kamenné a betonové ) a lehké (dřevostavby ap.) a stanovuje pro lehké stavby přísnější, tzn. nižší hodnoty součinitelů prostupu tepla podle tabulky 1.
| U ve W/(m2K) Typ konstrukce | požadavek | doporučení | požadavek pasivní dům | doporučení pasivní dům |
| Střecha plochá a šikmá do 45° včetně Strop nad venkovním prostorem, s podlahou | 0,24 | 0,16 | 0,11 | 0,07 |
| Vnější stěna – lehká (těžká) Střecha strmá se sklonem nad 45° – lehká (těžká) | 0,30 (0,38) | 0,20 (0,25) | 0,13 (0,17) | 0,09 (0,11) |
| Okno, dveře a jiná výplň ve vnější stěně | 1,70 | 1,20 | 0,80 | 0,55 |
Je tomu tak proto, že v lehkých stavbách s nízkou tepelnou akumulací je méně stálá teplota, a tudíž horší pobytové klima. To vede k častému přitápění nebo vypínání otopné soustavy a v konečném důsledku i k vyšší potřebě energie na vytápění, než u stejně zateplené těžké stavby. Naopak v těžkých stavbách teplota stěn, stropů, podlah, ale i prostorového sálání je stálejší a nevzniká taková potřeba přitápět.
Co je tepelná akumulace?
Tepelná akumulace vyjadřuje míru stavební konstrukce nebo stavby pojmout nebo vydat teplo při nárůstu, resp. poklesu její teploty. S tím souvisí pojmy teplotní setrvačnost nebo teplotní stabilita budovy, která je vystavena střídání venkovní teploty.
U těžkých zateplených staveb záleží na umístění tepelné izolace: Je-li izolace umístěna na venkovní straně, dochází ke stabilizaci vnitřní teploty. Naopak vnitřní tepelná izolace vede po vypnutí vytápění či chlazení k rychlému náběhu vnitřní teploty na úroveň teploty obvodové stěny za izolací.
Ukažme si, jak se projeví denní změny venkovní teploty na vnitřní povrchové teplotě zdiva z cihelných bloků HELUZ FAMILY 2in1 tloušťky 500 mm, což je z pohledu tepelněizolačních vlastností úplnou špičkou na našem trhu. Denní proměnlivost venkovní teploty lze přibližně modelovat sinusovým průběhem denních teplot s periodou 24 hodin; dejme tomu, že denní venkovní teploty oscilují kolem teploty 0 °C s amplitudou 5 °C podle obr. 1 (modrá křivka).
Při konstantní vstupní intenzitě tepelného toku do stěny na její vnitřní vytápěné straně, který při součiniteli prostupu tepla 0,11 W/(m2K) a průměrném rozdílu teplot mezi vnitřním a venkovním prostředím 18 °C dělá 2,53 W/m2, je chování této stěny HELUZ doslova pozoruhodné:
Cyklická změna venkovní povrchové teploty se uvnitř téměř neprojeví. Přesněji, teplotní amplituda na vnitřním povrchu nepřekročí ani 0,01 °C. Běžnými přístroji ji nenaměříme, natož aby ji zaznamenaly naše smysly. Tzv. útlum teplotní vlny (= podíl amplitud na venkovní a na vnitřní straně stěny) je více než 1000. Numerický výpočet podle algebraického vzorce v [2] dává dokonce na útlum až AEXT/AINT = 130 000. Útlum 1000 nebo 130 000 znamená pocitově totéž, v obou případech nic nezaznamenáme.
Vytápění domů s vysokou akumulací tepla
Jak vlastně vytápět domy s vysokou tepelnou ochranou a zároveň s vysokou tepelnou akumulací? Tradiční řešení reprezentují lokální topidla, od kterých stoupá horký vzduch vyvolávající cirkulaci, která roznáší teplo po místnosti. Řeč je o běžném ústředním vytápění, jehož radiátory částečně teplo i vyzařují (sálají). Je tu však problém zdlouhavého ustálení teplot, protože spontánní proudění nelze samo o sobě ustálit – zklidnění proudění totiž vytváří teplotní rozdíly, které proudění naopak vyvolávají. Ustálení teplot tedy „obstarává” jen sálání radiátorů, což kvůli jejich malým plochám dlouho trvá, nebo vůbec nenastane (v místnostech s malou tepelnou izolací). To se netýká teplovzdušného vytápění pomocí speciálních ventilátorů (fan coilů), které popisujeme jinde v tomto časopisu a které je také vhodné do domů s vysokou tepelnou akumulací.
Stropní vytápění
Efektivní a energeticky velmi účinný je sálavý typ vytápění, kdy vyhříváme velkou plochu (podlahu, stěny, strop) na relativně nízkou teplotu. Vedle známého podlahového vytápění je to i stropní vytápění.
Sálavému vytápění nás učí sama příroda, která vytápí naši planetu výhradně slunečním zářením. Zářením, neboli sálaním se šíří teplo a energie rychlostí světla. V historii ale pro sálavé vytápění nebyly podmínky, pro stropní zejména. Realizovatelná byla jen lokání ohniště a topidla umístěná na zemi či podlaze. Ohřívat přímo zem pod nohama, stěny a strop bylo nemožné.
Navzdory historii je ideálním nosičem sálavého vytápění strop. Bývá většinou prázdný a může být takřka celý využit k vytápění. Velká otopná plocha umožňuje nízkou provozní povrchovou teplotu stropu cca do 30 °C. Sálavý povrch stropu by měl být co nejvíce spojen teplovodivými můstky či jinými vazbami ke zdroji tepla. Tím je nejčastěji topná elektrická rohož nebo fólie, jiným řešením je teplovodní trubkový rozvod, nejlépe v mědi. Vysokou účinnost nízkoteplotního vodního stropního vytápění zvýšíme tepelným čerpadlem.
Těžké zdivo, stropy a podlahy reprezentují vysokou akumulační hmotu s vysokou teplotní setrvačností. Ta umožňuje plynulý chod otopné soustavy bez špiček či vypínání, zkrátka reakcí na každý podnět. Tento režim je nejúčinnější a nejúspornější a přináší také nejvyšší pocit tepelné pohody.
Princip krok po kroku
Na počátku máme chladnou místnost (pro jednoduchost bez oken a dveří) o teplotě stěn, podlahy, stropu, vzduchu a prostorového tepelného záření na úrovni 0 °C. Strop a podlaha nechť mají plochu 25 m2, čtyři stěny pak po 15 m2; celá obálka místnosti dohromady 110 m2. V čase t = 0 spustíme stropní vytápění:
- Ohřátý strop (startovací teplotu zvolme 30 °C) září nízkoteplotní sálání do místnosti.
- Sálaní stropu o teplotě 30 °C okamžitě zvýší teplotu prostorového záření z 0 °C na 7,7 °C.
Sálání stropu a vyšší teplota prostorového záření ohřívá podlahu a stěny.
při teplotě stěn a podlahy 5 °C stoupne teplota prostorového záření na 11,3 °C, při teplotě stěn a podlahy 10 °C stoupne teplota prostorového záření na 14,9 °C, při teplotě stěn a podlahy 15 °C stoupne teplota prostorového záření na 18,6 °C.V dalších krocích již snižujeme teplotu stropu, abychom nepřekročili požadovanou teplotu prostorového sálání (PS) na úrovni 20 °C:
- Při teplotě stěn a podlahy 17 °C a teplotě PS 20 °C snížíme teplotu stropu na
29,6 °C. - Při teplotě stěn a podlahy 18 °C a teplotě PS 20 °C snížíme teplotu stropu na
26,5 °C. - Při teplotě stěn a podlahy 19 °C a teplotě PS 20 °C snížíme teplotu stropu na
23,3 °C.
Okamžik, kdy již nezvyšujeme teplotu stěn a podlahy, abychom udrželi teplotu PS na žádané úrovni 20 °C, rozhodnou tepelné ztráty stěnami a podlahou.
Co se týče teploty vzduchu, tak ta – s výjimkou cca decimetrové vrstvy podél chladných stěn – se s několikaminutovým zpožděním dorovnává na teplotu prostorového tepelného záření.
Situace, kdy je teplota prostorového sálání 20 °C a kdy se na tuto teplotu dorovná i teplota vzduchu, je vnímána jako tepelná pohoda. Tato teplota je subjektivní a může se lišit pro různé osoby a pracovní činnosti.
Závěr
Článek ukazuje na vysokou tepelněakumulační schopnost tepelněizolačních zdicích tvárnic HELUZ, zejména cihel s integrovanou tepelnou izolací řady HELUZ FAMILY 2in1, které jsou určeny k rychlému a jednoduchému jednovrstvému zdění. Podstatné funkční výhody těchto cihel, což je vedle jejich vysoké tepelné izolace i schopnost akumulovat velké množství tepla, je vhodné kombinovat s rychlou a pohotovou otopnou soustavou, což může být nízkoteplotní stropní sálavé vytápění, které napodobuje přírodu.
Literatura a zdroje
[1] Hejhálek, Jiří: Tepelně akumulační vlastnosti zdiva HELUZ, Stavebnictví a interiér č. 9/2015, str. 23, www.stavebnictvi3000.cz
[2] Kučera, Petr: Studie tepelně akumulační vlastnosti vlastnosti zdiva HELUZ (ukazatel UTA). CSI a.s. Praha, 2015.
