HELUZ FAMILY 2in1 nabídl nový pohled na stavební fyziku
Odborná i širší veřejnost spontánně a rychle zareagovala na nabídku cihelných bloků pro obvodové zdivo s dutinami vyplněnými tepelnou izolací. Příkladem je cihla Wienerberger POROTHERM T Profi a zejména HELUZ FAMILY 2in1 s pozoruhodnou lambdou 0,058 W/(mK). Zlepšení po vyplnění svislých dutin izolací bylo takové, že to mnohé zaskočilo.
Není asi náhodou, že tento objev učinil soukromý podnikatelský subjekt rodinného typu a nikoliv aplikovaná věda, zakoukaná do norem, vzorců, algoritmů a programů.
Nápad vyplnit dutiny běžné stávající cihly tepelnou izolací je geniální. V případě cihly HELUZ FAMILY 50 broušená s velkým počtem úzkých svislých dutin došlo ke zlepšení ekvivalentní tepelné vodivosti z hodnoty 0,082 W/(mK) na hodnotu 0,058 W/(mK). Tepelný odpor cihly se tak zvýšil o 41 %. Jak to, že si tohoto potenciálu teoretici nevšimli?
Český výrobce Heluz cihlářský průmysl v.o.s. ve zprávě, ve které je nový produkt popsán, říká: „Vyplněním dutin cihelného bloku polystyrenem došlo k potlačení sálavé složky tepelného toku a zvýšení tepelněizolačních parametrů o 40 %." Zastavme se u toho podrobněji.
Spor o průvan v dutinách
V článku Tepelná vodivost dutinových keramických tvarovek uveřejněném na portálu www.lopin.cz se autor Zbyněk Svoboda zabývá šířením tepla ve vertikálním směru, tzn. ve směru dutin, shodou okolností u takřka stejných cihel HELUZ, ovšem bez výplně dutin:
„V ČR se diskutovanou problematikou zabývala zatím pouze průkopnická práce [7] (ŠUBRT R., Anizotropie stavebních materiálů a její vliv na tepelné mosty, www.tzb-info.cz). Šíření tepla ve vzduchových dutinách se v ní ale modelovalo jen orientačně prostřednictvím ekvivalentní tepelné vodivosti odvozené metodikou ČSN EN ISO 6946. ... Výsledné vlastnosti vzduchové dutiny (vyjádřené s pomocí součinitelů přestupu tepla sáláním, vedením a prouděním) jsou tedy podle ČSN EN ISO 6946 nezávislé na rozměrech dutiny kolmo na směr tepelného toku.” Zbyněk Svoboda s tímto průkopnickým řešením, jak mu sám říká, nesouhlasí: „To ovšem neplatí zcela obecně a již vůbec ne v úzkých vysokých dutinách, které se vyskytují v diskutovaných dutinových tvarovkách. Pokud přes podobné dutiny prochází tepelný tok orientovaný svisle nahoru, ukazují dosud provedené analýzy, že vliv proudění se ztrácí, jakmile je výška dutiny větší než 20 násobek šířky dutiny ..."
Zbyněk Svoboda pokračuje: „Protože je tepelný tok prouděním v obou svislých směrech velmi blízký či rovný nule, teplo se šíří hlavně vedením. ... V případě extrémně perforovaných cihel (počet dutin 70 a více) je pak ekvivalentní tepelná vodivost prakticky shodná pro tepelný tok orientovaný dolů i nahoru. Poměr λeq,v / λeq,h se pro podobné zdivo ustálí kolem hodnoty 2,2 – což jinými slovy znamená, že toto zdivo má více než dvojnásobnou ekvivalentní tepelnou vodivost ve svislém směru než ve směru vodorovném. Rozložení teplot v příčném řezu ... zřetelně ukazuje, že vedení je převažujícím mechanismem šíření tepla. ... Většina tepla se ve svislém směru šíří keramickým střepem a nikoli vzduchovými dutinami ..."
Opravdu, dosazovat do normového vzorečku různé rychlosti proudění vzduchu, abychom dostali to, co právě potřebujeme, není průkopnické. Něco jiného je objev sálání v dutinách cihel, které ovšem učinil až výrobce cihel.
Šíření sálavého tepla dutinami cihel
V dalším textu budeme stejně jako Zbyněk Svoboda předpokládat, že v těsných, subtilních dutinách cihel je vliv proudění mizivý. Z toho pak plynou důležité závěry:
1) Zlepšení tepelného odporu po vyplnění těchto dutin tepelnou izolací lze vysvětlit jen podstatným potlačením sálavého šíření tepla, které jinak nutně musí probíhat v prázdných dutinách. Jen tak docílíme toho, že když místo vzduchu (se součinitelem čisté tepelné vodivosti 0,025 W/m/K) vpravíme do dutiny izolaci (s horším součinitelem cca 0,038 W/m/K), zlepšíme „paradoxně” tepelný odpor cihly o 40 %.
2) Sálání v prázdné dutině ve vodorovném směru je srovnatelné s vedením tepla nebo je dokonce dominantní. A to i přesto, že zde sálání překonává nejkratší možnou cestu, na níž se jeho vliv projevuje nejméně.
3) Vliv sálání při svislém šíření tepla, tzn. ve směru dlouhého rozměru dutin, může být, ve srovnání s vedením, dokonce výrazně dominantní. I přes dalekodosahovou podstatu sálání však toto tvrzení není triviální, a proto se ho pokusme zdůvodnit.
Tepelné záření v dutině
Ukažme si, jak se na sálání v dutinách vůbec dívat. Sálání je elektromagnetické polychromatické záření, jehož nejsilněji zastoupená vlnová délka je v běžných podmínkách asi 10 mikrometrů. Vzduchem a ve vakuu se sálání šíří na dlouhé vzdálenosti a stejně dobře, jako světlo, tzn. rychlostí 300 000 km/s. Záření od různých tepelných zdrojů se mezi sebou dokonale mísí. Tepelné záření je nositelem energie (tzn. i tepla), hybnosti, momentu hybnosti a také má svou teplotu.
Teplota záření je přesně definovaná v uzavřené dutině: je-li teplota (všech) stěn dutiny θ (° C), je teplota záření v dutině také θ. Toto záření je tvořeno vlnovým klubkem, jehož prostorová hustota energie a spektrální složení závisí podle Planckova zákona [1] pouze na termodynamické teplotě. Tedy nikoliv na geometrii a velikosti dutiny. Tepelné záření o termodynamické teplotě T = 273,15 + θ má nejsilnější složku s délkou vlny podle Wienova posunovacího zákona:
kde λmax je nejvíce zastoupená vlnová délka v metrech a T je termodynamická teplota záření v K.
Energetická hustota tohoto záření je podle Planckova zákona
kde u je hustota zářivé energie v dutině v J/m3 a α = 7,57·10–16 J/(m3K4) je konstanta. Hustoty zářivé energie v dutinách dosahují zdánlivě bezvýznamného množství. Při teplotě 10 °C je „jen” u = 4,86·10–6 J/m3.
Sálání otvoru v dutině
Když kamkoliv do ohraničení uzavřené dutiny vyvrtáme malý otvor, bude z dutiny vyzařovat (sálat) energie o hustotě toku, který popisuje Stefanův - Boltzmannův zákon:
kde I je hustota zářivého toku ve W/m2 a σ = 5,67·10–8 W/(m2K4) je Stefanova-Boltz mannova konstanta.
Poznámka 1: Podstatné pro pochopení principů sálání je, že z otvoru nesálá „jen”nějaká část vnitřního povrchu dutiny, viditelná zvenčí skrze otvor. Jde o prostorové sálání celého vnitřku dutiny! Zářivá energie uvnitř dutiny tvoří tzv. fotonový plyn (tento název je exaktní fyzikální pojem už ze začátku 20. století), který otvorem „vytéká” ven. Zároveň do otvoru vtéká fotonový plyn zvenčí.
Výpočtem podle (3) zjistíme, že při teplotě 10 °C je hustota toku energie, vyzařovaného z otvoru dutiny, doslova obrovská, 365 W/m2. Je to dáno vysokou rychlostí světla, kterým se záření šíří. Přesnost zákona (3) o mnoho řádů převyšuje přesnost dnešních tepelných stavebních výpočtů.
Poznámka 2: Pevné látky – přesněji prostor mezi molekulami a atomy – jsou rovněž prostředím, uvnitř kterého existuje tepelné záření (přestože je zde neustále a s vysokou frekvencí absorbováno a emitováno). Proto i z povrchů těles uniká tepelné záření se spektrálním složením podle Planckova zákona a s intenzitou podle zákona (3), v němž je však Stefanova-Boltzmannova konstanta vynásobena bezrozměrným číslem ε, které nabývá hodnot z otevřeného intervalu (0;1). Číslo ε je poměrná emisivita (sálavost) povrchu, přičemž číslo r = 1– ε vyjadřuje odrazivost povrchu pro dopadající tepelné záření. Odrazivost může být jak čistá (jako na zrcadle) tak difúzní (do všech stran). To samozřejmě platí i pro cihelný povrch dutiny cihelného bloku, který má emisivitu ε ≈ 0,9 a který tak odráží asi desetinu dopadajícího fotonového plynu a také přímého tepelného záření sousedních stěn.
Kdyby z vyvrtaného otvoru cihlové dutiny unikala ven zářivá energie (aniž by se zvenčí stejné množství energie vracelo), obrovské intenzity sálání z vnitřního povrchu dutiny do prostoru dutiny by tuto ztrátu rychle téměř vyrovnávaly. Až na to, že cihelný střep kolem dutiny by pomalu chladl, stejně jako záření v dutině.
Šíření tepla sáláním cihelnou dutinou ve svislém směru
Nyní lze udělat věrný obraz toho, jak bude sálání ve svislé dutině „pracovat”.
Má-li vnitřní povrch dutiny v cihlovém střepu různé teploty (např. dole je vyšší teplota než nahoře) bude každý povrchový element sálat do dutiny zářivou energii o hustotě εσT4. Sálání ze všech míst povrchu dutiny se v dutině rychle, tzn. rychlostí světla, promísí. Teplota fotonového plynu uvnitř dutiny tak bude v každém okamžiku někde uprostřed mezi krajními teplotami. A tento fotonový plyn bude (interakcí se stěnami) chladnější povrch dutiny ohřívat a teplý ochlazovat. Jinými slovy: chladná a studená místa cihly jsou „spojena” vzduchovou dutinou, která má přibližně všude stejnou radiační teplotu (na úrovni teplotního středu) a která (přesněji její fotonový plyn) odebírá teplo teplému okraji a předává chladnému.
Závěr
Objev cihelného bloku HELUZ FAMILY 50 2in1 ukázal, že přenos sálavého tepla dutinami cihel, a to i jemnými, je významnější, než se předpokládalo. Je také velmi pravděpodobné, i když podrobný rozbor zatím není k dispozici, že sdílení sálavého tepla v uzavřených dutinách se děje nejen přímým sdílením vzájemného sálání mezi dvěma plochami, které se v dutině vzájemně „vidí”. Dalším významným mechanismem je transport sálavého tepla na větší vzdálenosti prostřednictvím tzv. fotonového plynu.
Literatura a zdroje:
[1] Webové strany časopisu Stavebnictví a interiér, http://www.stavebnictvi3000.cz/vypocty/planckuv-zakon-integral/
Téma: Cihly Heluz
