Domy s celoročně příjemnou vnitřní teplotou (část 1.)

Dům z termoizolačních cihel použitých i na vnitřní stěny, podlahy, stropy a střechu pod obytným podkrovím si v průběhu roku drží stabilní a příjemnou vnitřní teplotu. V zimě v něm spotřebujeme minimum energie na vytápění a v létě se obejdeme bez chlazení. Tentýž dům v lehkém provedení je teplotně méně stabilní, v zimě v něm více protopíme a v létě se dům bez aktivního chlazení přehřívá.

To je závěr Studie akumulačního potenciálu cihelného zdiva ke zmenšení energetické náročnosti rodinného domu a zajištění tepelného komfortu jako výhody ve srovnání s lehkou konstrukcí (dřevostavbou totožného rodinného domu) [1], kterou vydalo v červnu 2016 Centrum stavebního inženýrství a.s. Praha. V dalším textu ji budeme zkráceně nazývat Studie.

Přínosy Studie

Studie počítá tepelněakumulační účinek celého domu se všemi obvodovými stěnami, podlahou, stropem (střechou), okny a s rozdělujícími vnitřními stěnami, nosnými i nenosnými. V tom je její jedinečnost a významný přínos.

Další přínos je také důležitý. Čtyři tvarově a velikostně totožné domy, dva z cihel značky Porotherm o různých velikostech tepelné izolace a jim z pohledu tepelné izolace odpovídající dvě dřevostavby, jsou testovány v rozsahu celé zimní a letní sezóny. Srovnávacím kriteriem je celoroční spotřeba tepla na vytápění, resp. počet dnů, kdy vnitřní teplota vystoupí nad úroveň 27 °C, od které začíná podle návrhové normy stav nepohodlí.

Vzorem pro tuto studii je typový rodinný dům Wienerberger Pýthie, podle kterého byly navrženy oba cihlové domy, a dvě k nim přirovnávané dřevostavby z konstrukčního dřeva, tepelné izolace a záklopů ze sádrovláknových či OSB desek.

Hlavní sdělení Studie

Příjemné celoroční vnitřní prostředí při minimálních výdajích za zimní vytápění a bez potřeby letního chlazení lze realizovat jen v domech, které souběžně splňují tyto podmínky:

a) jsou dobře tepelně izolovány vůči působení vnějšího prostředí, čímž se myslí i působení zeminy pod stavbou;

b) jejich obvodové i vnitřní zdi, strop, střecha a podlaha mají vysokou schopnost akumulovat teplo a tudíž stabilizovat vnitřní teplotu.

Stabilní vnitřní teplota cihlových domů

Tím myslíme stabilní vnitřní teplotu při denní periodické změně venkovní teploty v zimním období. V této části Studie konstatuje, že: „ze zjištěných hodnot teplotních amplitud platných pro cihelné zdivo je vidět, že jsou prakticky neměřitelné. Jinými slovy, akumulační schopnost cihelného zdiva je tak velká, že se vliv periodicky kolísající venkovní teploty při nepřetržitém vytápění uvnitř vůbec neprojeví. Naproti tomu u lehkých konstrukcí a v porovnání s cihelným zdivem, i když mají stejný tepelný odpor,” říká dále Studie, „se na vnitřním povrchu dosahuje už měřitelných teplotních amplitud. Otázka je, jaké vlastnosti by měly mít lehké konstrukce, aby se u nich dosahovalo stejných teplotních amplitud na vnitřním povrchu, jako u cihelného zdiva? Odpověď je: musí mít nejen dobrou tepelnou izolaci, ale musí také velmi dobře akumulovat teplo.”

To znamená, že se všechny stavební konstrukce domu ze strany, která sousedí s vnitřním vytápěným prostorem, přes den ohřejí a v noci pak dlouho zásobují interiér teplem i po tom, když se venku silně ochladí. To vše při ztlumeném nebo dokonce vypnutém vytápění během noci.

Ukazatel tepelné akumulace

Jde o veličinu, která má ve Studii ústřední roli. Když u staveb nezkombinujeme správně tepelnou akumulaci s izolací, dostaneme neuspokojivé řešení, říká Studie a zavádí ústřední parametr, totiž ukazatel tepelné akumulace UTA v jednotkách času (vyjádřený většinou v hod.), který je pro jednovrstvou konstrukci definován vztahem:

kde d je tloušťka konstrukce v m, λ je součinitel tepelné vodivosti ve W/(mK), c je měrná tepelná kapacita v J/(kgK), ρ je hustota v kg/m³, R = d/λ je tepelný odpor v m²K/W a b je tepelná jímavost konstrukce ve W²s/(m⁴K²).

UTA je tepelnětechnická veličina, pomocí níž hodnotíme teplotní odezvu vnitřních povrchů konstrukce (stěny, střechy, podlahy atp.) na změnu venkovní teploty. UTA roste s hustotou a tloušťkou konstrukce a klesá s její rostoucí tepelnou vodivostí, respektive s klesajícím tepelným odporem konstrukce R. Čím větší je UTA vnitřních i obvodových konstrukcí, tím stabilnější vnitřní teplotu dům získá.

Příklad: Zdivo z tradičních plných cihel o tloušťce 45 cm má UTA = 496 h. To znamená velmi dobrý tepelněakumulační účinek. Jeho U hodnota je ale nevyhovující: 1,23 W/(m²K).

• Kdybychom s plnou cihlou chtěli postavit obvodovou zeď na úrovni normového doporučení U = 0,25 W/(m²K), musela by být její tloušťka přes 3,7 m s ukazatelem UTA = 3 700 h. Očividně nevhodné řešení.
• Kdybychom naopak stavěli zeď z tepelněizolační vaty, aby její tepelněakumulační schopnost odpovídala cihlové zdi, její tloušťka by byla 1,26 m se zbytečně výbornou hodnotou U = 0,03 W/(m²K). Podobná zeď z fasádního polystyrénu by byla dokonce 1,82 m tlustá s U = 0,02 W/(m²K).

Příklady napovídají, že chceme-li mít doma stálou a příjemnou teplotu, je vhodné kombinovat vysokou tepelnou izolaci a vysokou tepelnou akumulaci. Odpovědí jsou cihly, které zároveň izolují a akumulují teplo.

Tepelněizolační cihly Porotherm

Wienerberger v ČR nabízí bohatý sortiment tepelněizolačních cihel pro obvodové zdění, cihel pro vnitřní zdění vč. akustických, dále cihlových stropů a překladů, lícových cihel apod.

Vznik lehčené broušené cihly s dutinami vyplněnými tepelnou izolací, kterou Wienerberger také nabízí, je z pohledu optimální kombinace tepelné izolace a akumulace až geniální. Ukazuje to tab. 1. V jediném výrobku byly účelně zkombinovány tradiční tuhost a nosnost cihly se stejně tradiční tepelnou akumulací a nově i tepelnou izolací. To umožňuje stavět domy s nejvyššími požadavky na tepelnou ochranu technikou rychlého a přesného (s milimetrovou přesností) jednovrstvého zdění.

Tab. 1: Tepelně technické vlastnosti vybraných cihelných zdících tvárnic značky Porotherm z pohledu tepelné izolace a akumulace (λ – součinitel tepelné vodivosti, d – tloušťka, U – součinitel prostupu tepla, ρ – objemová hmotnost, c – měrná tepelná kapacita, UTA – ukazatel tepelné akumulace).

Cihla	λ [W/(mK)]	d [m]	U [W/(m2K)]	ρ [kg/m3]	c [J/(kgK)]	UTA [h]
PTH 44	0,115	0,44	0,25	750	1 000	351
PTH 44 EKO	0,094	0,44	0,21	640	1 000	366
PTH 44 T Profi	0,072	0,44	0,16	740	1 000	553
PTH 50 T Profi	0,071	0,50	0,14	730	1 000	714

Testované domy

Jako příklad těžkého domu s akumulačním potenciálem byl ve Studii zvolen typový RD Wienerberger Pýthie, navržený ze dvou typů termoizolačního obvodového zdiva Porotherm: PTH 44 (označovaný v následujících tabulkách jako CZ P44), a PTH 44 EKO +Profi (označovaný jako CZ EKO). Jde o prvé dvě cihly v tab. 1 zobrazené tučným písmem.

Pokud jde o stropy, byl zvolen typ POROTHERM SB s nadbetonávkou, tedy strop tvořený cihelnými vložkami MIAKO a keramobetonovými stropními nosníky vyztuženými svařovanou prostorovou výztuží. Jinou možností je keramobetonový strop POROTHERM BN, aplikovaný bez nadbetonávky.

Dělicí vnitřní stěny byly navrženy z nosných a nenosných akustických cihel POROTHERM AKU Profi – (AKU – NS), resp. (AKU – NNS). Plus vápenocementové omítky o síle 1 cm.

Co se týče omítek, z venkovní strany byla zvolena tepelněizolační omítka POROTHERM TO o tloušťce 3 cm s povrchovou vrstvou POROTHERM UNIVERZAL o síle 5 mm.

Odpovídající lehké domy typu Pýthie byly navrženy tak, aby měly stejný tepelněizolační efekt (velký tepelný odpor ve W/K), jako jmenované cihlové stavby. Stavbě z obvodových cihel CZ P44 tedy odpovídá stavba z lehkých konstrukcí označená jako LK P44, která má tentýž velký tepelný odpor. Podobně stavbě z obvodových cihel CZ EKO odpovídá lehká stavba LK EKO. Ostatní parametry lehké konstrukce (tloušťka, měrná tepelná kapacita, objemová hmotnost ap.) se pak odvíjejí od materiality lehkých domů (tepelná izolace, konstrukční řezivo, sádrovláknité desky, OSB desky apod.).

Co Studie zkoumá

Na dvou těžkých cihlových a dvou lehkých dřevostavbách Pýthia počítá Studie zimní potřebu energie na vytápění, a sice v režimu nepřetržitého nebo přerušovaného vytápění. Přerušovaný režim se uplatní jen do venkovní teploty –5 °C, při nižších teplotách následuje vytápění nepřetržité.

Dále řeší letní podmínky červen až srpen. Přitom předpokládá absenci strojního chlazení domu a uzavřená okna bez spuštěných venkovních rolet.

Měření teploty se týká čtyř obytných místností, které jsou v typovém projektu přízemního rodinného domu PÝTHIE označeny M04 až M07. Údaje o spotřebě tepla se týkají celého domu.

V dalším textu přinášíme hlavní výsledky Studie, podrobné výsledky čtenář v [1].

Přerušované vytápění

Přerušovaný způsob vytápění, podle něhož jsou odvozeny spotřeby tepla v tab. 2 a tab. 3, je definován v [3]. Bez ohledu na to, že uživatel si zvolí svůj režim přerušovaného vytápění, tkví význam normy v tom, že lze porovnávat domy s různou tepelněakumulační schopností, vyjádřenou přes UTA. Údaje se vztahují ke klimatickým oblastem s nejnižší návrhovou venkovní teplotou –12 °C, –15 °C, a –21 °C.

Z tab. 2 a 3 lze vyvodit, že přerušované vytápění domu Pýthie z cihel P44 umožňuje úsporu energie na vytápění v porovnání s odpovídajícími lehkými konstrukcemi LK zhruba 19 %. V případě srovnání CZ EKO a LK EKO je úspora cca 15 %.

Tab. 2: Souhrn spotřeby tepla pro RD v cihlovém systému CZ P44, lehkém LK P44 se stejnou izolační obálkou a rozdíl obou spotřeb.

Celá budova P44	E (kWh/rok) při θe (°C)
	–12	–15	–21
CZ	9 695	9 906	10 021
LK	11 580	11 886	11 960
CZ – LK	–1 885	–1 960	–1 931
Úspora v kWh/rok domu CZ proti LK
E	1 885	1 980	1 931
E [%]	19,4	20,0	19,3

Tab. 3: Souhrn spotřeby tepla pro RD v cihlovém systému CZ EKO, lehkém LK EKO a rozdíl obou spotřeb.

Celá budova EKO	E (kWh/rok) při θe (°C)
	–12	–15	–21
CZ	9 402	9 619	9 651
LK	10 783	11 115	11 246
CZ – LK	–1 381	–1 496	–1 595
Úspora v kWh/rok domu CZ proti LK
E	1 381	1 496	1 595
E [%]	14,7	15,6	16,5

Doba poklesu teploty na kritickou hodnotu

Kritickou teplotou se rozumí vnitřní teplota 2 °C, při které ještě nehrozí zamrznutí vody v technických zařízeních. Výsledky přehledně ukazuje tab. 4.

Výsledek lze komentovat tak, že dům z tepelněizolačních cihel nabízí v porovnání s domem z lehkých konstrukcí zhruba dvojnásobnou časovou záruku k překonání kritické situace v důsledku poruchy dodávky tepla. Může se to zdát málo, ale v těchto hodnotách hraje převažující roli tepelná kapacita podlahy na zemině, která za nízkých vnitřních teplot přízemní místnosti ohřívá.

Tab. 4: Doba poklesu teploty na kritickou hodnotu pro místnosti RD Pýthia v cihlovém systému CZ EKO a lehkém LK EKO.

Místnost	Konstrukce
	P44	LK P44	EKO	LK EKO
10,16	5,8 dne	3,1 dne	6 dnů	3,25 dne
1,04–1,05	3,1 dne	1,1 dne	3,3 dne	1,2 dne
1,07	5,4 dne	2,5 dne	5,75 dne	2,75 dne

Zimní využití sluneční energie a vnitřních zdrojů tepla

Pomocí parametru UTAM (ukazatel tepelné akumulace místnosti v jednotkách času, což je tepelná kapacita konstrukcí ohraničujících místnost vydělená tepelnou ztrátou místnosti), dále z průměrné míry osluněnosti, která plyne z dlouhodobé statistiky, a konečně při započítání vnitřních zdrojů energie (elektrické spotřebiče, vařiče apod.) lze vyčíslit využitelné tepelné zisky v závislosti na orientaci ke světovým stranám. To ukazuje tab. 5, která rozlišuje místnost s velkou tepelnou akumulací (VA, UTAM = 200 h) a místnost s malou tepelnou akumulací (MA, UTAM = 10 h) a při různém stupni regulace otopné soustavy (1 – dokonalá regulace, 2 – regulace s citlivostí ±0,5, 3 – regulace s citlivostí ±1 °C). Velikost oken je součástí výpočtu UTAM.

Tab. 5: Využitelné tepelné zisky v kWh ze slunečního záření a vnitřních zdrojů tepla v závislosti na orientaci ke světovým stranám a na citlivosti regulace otopné soustavy.

REG	Zisk tepla v kWh/r pro místnost s VA					Zisk tepla v kWh/r pro místnost s MA
	V/Z	S	J	SV/SZ	JV/JZ	V/Z	S	J	SV/SZ	JV/JZ
1	49	30	82	32	70	208	126	353	136	304
2	44	19	77	26	66	206	123	350	135	302
3	39	14	74	17	63	201	116	344	130	297

Z tab. 5 je patrný podstatný rozdíl ve využitelnosti slunečního záření a vnitřních zdrojů tepla v místnostech s malou a velkou tepelnou akumulací. Malá tepelněakumulační schopnost domu umožňuje jeho rychlejší ohřátí nebo naopak jeho rychlé chladnutí ve srovnání s domem s velkou tepelnou akumulací.

Studie neříká, jestli mezi sluneční energetické zisky počítá také tepelný vliv sluncem rozpálené fasády a energii rozptýleného denního slunečního světla (ve stínu nebo za mrakem), které dosahuje hodnoty až 100 W/m².

Závěr 1. části

Vytápění domu Pýthie z cihel P44 v přerušovaném režimu umožňuje úsporu tepla na vytápění zhruba o 19 % ve srovnání s domem v provedení s lehkými konstrukcemi o stejném tepelném odporu. V případě srovnání téhož domu postaveného z CZ EKO a LK EKO je úspora cca 15 %.

Těžký dům nabízí také zhruba dvojnásobek času k překonání hrozby zmrznutí vodovodních a teplovodních rozvodů v případě výpadku dodávky tepla ve srovnání s domem z lehkých konstrukcí.

Lehký dům naopak dokáže efektivněji využívat pasivních slunečních zisků vhodně orientovanými okny, což se hodí v chladném období, ale může vadit v horkých letních dnech.

Pokračování naleznete v únorovém čísle roku 2017 tohoto časopisu.

Literatura:

[1] Řehánek, J. – Kučera V – Novotný A.: Studie akumulačního potenciálu cihelného zdiva ke zmenšení energetické náročnosti a zajištění tepelného komfortu jako výhody ve srovnání s lehkou konstrukcí, Praha, Centrum stavebního inženýrství a.s. Praha, červen 2016.
[2] ČSN 73 0540 – 3: Tepelná ochrana budov – Část 3: Návrhové hodnoty veličin.
[3] ČSN EN 12831 – Tepelné soustavy v budovách.
[4] Hejhálek Jiří: Setrvačnost vnitřní povrchové teploty obvodových konstrukcí. Stavebnictví a interiér 12/2000, str. 46, www.stavebnictvi3000.cz.