Sálání ve stavbách a tepelných izolacích

Na únorovém setkání asociace ATRI se diskutovalo o tepelném záření a jeho vlivu na tepelnou ochranu a pobytovou pohodu. ATRI založili výrobci, dodavatelé a realizátoři povrchových materiálů, ovlivňujících tepelné záření a zářivé toky energie ve stavbách. Asociace se mj. chce věnovat měřicím metodám, účastnit se diskuse o tepelné účinnosti staveb a také spoluvytvářet související předpisy a normy.

ATRI je zkrácený zápis názvu Asociace tenkostěnných a reflexních izolací, která v době psaní tohoto článku (6. února 2015) sdružovala firmy HEAT ENERGY s.r.o., XNERGIE s.r.o. a AVIDUZ s.r.o. Přidruženými členy pak byly firmy PROHEAT MONT s.r.o. a TEPORA GROUP s.r.o. Prezidentem asociace byl Filip Mucha, zástupci Michal Bílek a Pavel Přikryl. Technickými poradci pak doc. Ing. Zdeněk Toman, CSc. a RNDr. Jiří Hejhálek. V současnosti tato asociace již nepůsobí.

Povrchové materiály

Zájmovou oblastí sdružení ATRI byly povrchové materiály, kterých na stavbách obecně nalezneme velké množství. Svým způsobem výjimečné jsou pak reflexní fólie a pásy. Jiným příkladem jsou termoizolační stěrky a reflexní screenové rolety, které jsou cílevědomě navrženy na „práci” s prostorovým tepelným a světelným zářením. Dále sem patří malířské nátěry, lícové zdivo, pohledový beton, fasády domu, střešní krytina, sklo v oknech atd. Zkrátka vše co na stavbách sousedí se vzduchem.

Zvláštní podkategorií jsou reflexní, neboli termoreflexní materiály. Nebývají aplikovány pohledově na fasádách a stěnách místností, nýbrž v uzavřených funkčních vzduchových mezerách ve střechách a obvodových stěnách, kde vytvářejí vysoký tepelný odpor. Ten je při správném návrhu vyšší, než tepelný odpor běžných izolací stejné tloušťky. Reflexní, velmi tenkou a většinou hliníkovou vrstvu nese bublinový nebo pěnový nosič (pás), a to buď z jedné nebo z obou stran. Známé jsou také vícevrstvé reflexní fólie, které obsahují více takových nosičů, oddělených reflexními vrstvami.

Přirozenou oblastí zájmu sdružení ATRI jsou také zdroje tepelného záření. To jsou v podstatě všechny povrchy; každý totiž vyzařuje tepelné záření, jehož energetickou intenzitu přesně a zároveň jednoduše popisuje Stefanův – Boltzmannův zákon z roku 1879. ATRI se zaměřuje také na temperované povrchy, které jsou součástí plošného, tzn. stěnového, podlahového nebo stropního vytápění či chlazení. S tím souvisejí také zdroje tepla či chladu a zejména principy a postupy správného navrhování plošné temperace, čímž se myslí udržování konstantní teploty místnosti na požadované hodnotě.

Téma: sálavé vytápění a chlazení

Cíle asociace ATRI

Byla to v prvé řadě popularizace a osvěta principů sálání, sálavých toků tepla a tepelného záření vůbec v návaznosti na praktické aplikace ve stavebnictví. Bez nich nelze pochopit účinnost reflexních tepelných izolací, ani principy a návrh plošného vytápění či chlazení, a dokonce ani subjektivní vnímání tepelné či teplotní pohody či nepohody.

1. V oblasti reflexních tepelných izolací bylo cílem asociace ukázat široké a odborné veřejnosti, že při správném návrhu a provedení to jsou plnohodnotné izolace, které se vyrovnají jiným typům tepelných izolací. Jejich nenapodobitelnou výhodou je, že z velké části izolují vzduchem, za který nic neplatíme.

2. V oblastí plošného vytápění (podlahové a stropní) reagují reflexní izolace nejúčinněji a nejrychleji na "topný" podnět. Pro návrh plošného vytápění je podstatné, aby aktivní, tzn. teplonosné (otopné a chladicí) stěny či povrchy byly vysoce sálavé (o emisivitě = 1) a rychle reagovaly. Tzn. aby měly vysokou tepelnou vodivost a nízkou tepelnou kapacitu. Ostatní, tedy ohřívané či ochlazované stěny, by měly mít co nejnižší tepelnou vodivost a nejlépe i nízkou emisivitu, tzn. vysokou odrazivost (např. bílé vápenné stěny). V takovém případě rychle nastartujeme tepelnou pohodu.

3. Samostatnou kapitolou je měření a testování. Jako sdružení, které se mělo zabývat tepelným zářením a materiály, které s tímto zářením pracují, cítilo sdružení ATRI nutnost navrhovat, vyvíjet a prosazovat mezi odbornou veřejností měření a měřicí postupy, které dávají odpověď na otázky kladené zhotoviteli a investory.

Dále se zastavíme u třech témat, která bytostně týkají reflexních izolací.

1. Prostorové tepelné záření

Pojem prostorové tepelné záření je ve stavební tepelné technice v podstatě neznámý. Většina lidí, často i odborníků, vnímá záření jen jako paprsky, které si předává jedno těleso od druhého a které do prostoru vlastně nepatří. Když ale fyzikové bádali nad tzv. černým tělesem, definovali ho jako dutinu v nějaké pevné látce. Teplota dutiny odpovídala teplotě pevné látky, která ji obklopovala ze všech stran až na jeden malý inspekční otvor. Ten umožňoval pozorování toho, co je a co se děje v dutině.

Vědci předpokládali, že v dutině existují jen stojaté elektromagnetické vlny, jejichž uzly (místa, kde elektrické a magnetické střídavého pole je nulové) jsou nutně na stěnách dutiny, ale (ne nutně) i v prostoru dutiny. Každá stojatá vlna má při termodynamické teplotě T v souladu s ekvipartičním teorémem střední energii ½kT (k = 1,38062×10^–23 J/K je Boltzmannova konstanta) na jeden stupeň volnosti. A protože má vlna dva stupně volnosti (obsahuje elektrickou a magnetickou složku), je její střední energie kT. Pak stačí už jen spočítat počet všech stojatých vln o různých vlnových délkách, které se do dutiny vejdou, vynásobit je energií kT a výsledek pak vydělit objemem dutiny. Tím získáme hustotu zářivé energie v dutině (Rayleighův-Jeansův zákon).

Planck tento zákon ještě doplnil o poznatek, že energie stojatých vln v dutině je kvantována, tzn., že pro vlny s frekvencí ν může nabývat jen celého násobku hodnoty ν, kde h = 6,62607×10^–34 Js je Planckova konstanta. Výsledkem byl zákon, který byl po něm pojmenován a za který Planck dostal Nobelovu cenu „za objev energetických kvant” ještě v době (rok 1918), kdy tato cena nebyla politicky ovlivňována a měla tudíž skutečnou hodnotu. Planckův zákon zní:

kde u je spektrální hustota energie a c = 299 792 458 m/s je rychlost světla.

Planckův zákon dodnes, kdy jsou mnohem přesnější měřicí metody, plně souhlasí se skutečností. Zákon si není třeba pamatovat, důležité je, co říká. Především říká, že tepelné záření existuje v dutině nezávisle na materiálu a povrchu dutiny a o jeho rovnovážném složení rozhoduje jen teplota. I kdyby stěny dutiny tvořilo dokonalé zrcadlo, na rovnovážné složení tepelného záření to nemá vliv. Tepelné záření tedy ke své existenci nepotřebuje stěny dutiny; ty potřebuje člověk, aby mohl od stěn přesně odměřil teplotu dutiny.

Záření v dutině při dané teplotě netvoří jediná vlna, nýbrž celý balík či klubko vln s různými vlnovými délkami, které popisuje funkce u(ν,T). Zvýšíme-li teplotu dutiny, celý balík se jakoby posune ke kratším vlnovým délkám a zvýší se jeho výška, tzn. hustota zářivé energie nejvíce zastoupených vln. Ukazuje to graf na obr. 4.

Integrací Planckova zákona dostaneme:

kde a = 7,55×10^–16 J/(m³K⁴) je univerzální konstanta. Celková hustota energie je úměrná čtvrté mocnině termodynamické teploty stěn dutiny a tedy i tepelného záření. Očekáváme, že energie, vyzařovaná černým tělesem za vteřinu na jednotkovou plochu, je také úměrná T⁴, což říká Stefanovův-Boltzmannův zákon.

Zbývá otázka, jaká je teplota prostorového záření v místnosti, jejíž stěny mají různou teplotu. Místnost tedy představuje dutinu, která není v tepelné rovnováze. Očekáváme, že teplota T_R tohoto nerovnovážného záření, tedy fotonového plynu, jak ho nazval Planck, bude jakýmsi váženým průměrem teplot stěn. Protože si záření předává energii úměrně 4. mocnině teploty, nabízí se vzorec:

Jestliže se vyrovnají teploty všech stěn, podlahy a stropu na stejnou hodnotu T_i = T pro všechna i, potom vzorec dává výsledek T_R = T. To znamená, že rovnovážná teplota prostorového záření je podle očekávání stejná jako teplota ohraničujících stěn. Pomocí prostorového záření se podstatně zjednoduší výpočty sdílení sálavého tepla mezi povrchy o různých teplotách.

2. Měření reflexních fólií v tzv. hotboxu

Hlavním problémem dnes uznávaných měřicích metod je, že měří pouze tepelné odpory izolací a konstrukčních sestav, které jsou kontaktně uzavřeny mezi teplou a chladnou měřicí deskou. Není to špatně, ale tato metoda nezachycuje vliv tzv. přestupů tepla při sálání a při vedení s prouděním, které se bagatelizují dvěma univerzálními harmonizovanými konstantami 0,04 a 0,13 m²K/W. To vše bez ohledu na teplotu prostorového sálání, které se může podstatně lišit od teploty vzduchu a bez ohledu na emisivity povrchů, které významně ovlivňují tzv. přestupové odpory sáláním. Podobným problémem je „měření” tepelněizolačních vlastností vzduchových mezer, které bylo nahrazeno nesprávným, harmonizovaným (!) výpočtem.

Další otazník nabízí harmonizované měření v tzv. hotboxu. Ne snad proto, že by na rozdíl od harmonizovaného výpočtu s konstantami 0,04 a 0,13 m²K/W poskytovalo chybný výsledek. Ale proto, že dává triviální výsledek, který je dosažitelný klasickým postupem měření tepelného odporu běžné izolační desky.

Hotbox je měřicí aparatura o dvou komorách (studené a chladné), ve kterých intenzivně cirkuluje vzduch. Komory jsou rozděleny měřenou reflexní fólií. Intenzivní proudění logicky ohřívá všechny povrchy dané komory na stejnou teplotu. Jakmile k tomu dojde (cca po několika hodinách!), začínají se vyhodnocovat data. Vedle teploty ve studené a teplé komoře se měří tok tepla, který si komory vyměňují skrze měřenou fólii.

Na první pohled je zřejmé, že z výsledků musíme získat totožné výsledky, jako při klasickém měření, kde je fólie kontaktně (bez mezery) vložena mezi tuhá čela o různých teplotách. Hlavní problém, to je přesné měření tzv. přestupových odporů, zůstal nevyřešen.

Jeden z klíčových cílů asociace ATRI je zaměřen právě na metody a metodiku stanovení přestupových odporů při sálání, vedení a proudění tepla při různých okrajových podmínkách. Na místě je i změna názvosloví: Vzduchovými mezerami teplo nepřestupuje ani nepřeskakuje, ale postupuje podobně jako tuhou deskou. Až na to, že se tu uplatňuje i sálavý transport tepla. Běžný zkušební měřící hotbox naopak prezentuje podmínky, při kterých se nemůže projevit odraz sálání ani nízká sálavost "vnějších" reflexních povrchů, které ohraničují termoizolační souvrství.

Reflexní fólie účinkují ve skutečnosti tak, že vytvářejí z přilehlého vzduchu izolační vrstvu, jejíž tloušťka může mnohonásobně překročit tloušťku reflexní fólie. Omezují až o 90 % sálavé tepelné toky, čímž snižují energii pro proudění vzduchu. Citujme Michala Bílka ve věci mohutného proudění vzduchu v mezerách: „Není možné, když vpustíme do betonového korýtka slabý proud vody, aby se z něj stala řeka.”

Nejdůležitější pro funkci reflexní folie je vzduchová mezera, ve které neproudí vzduch. Teplo se zde šíří vedením a sáláním. Sálání však reflexní fólie minimalizuje téměř k nule.

3. Termoaktivní stěrka

Tato stěrka má nízký součinitel tepelné vodivosti, tzn. vysokou schopnost tepelně izolovat. Je vhodné, aby měla malou difúzní propustnost. Plošné, např. stropní vytápění rychle zvýší teplotu prostorového záření, od kterého se stěrka, ať už je sálavá nebo odrazivá, na povrchu rychle ohřeje, rychleji, než vzduch. Tím přispívá k růstu teploty prostorového záření. Jinými slovy, stěrka urychluje náběh ustálené vnitřní teploty a zvyšuje její úroveň. Očividně nejvíc účinkuje v dynamických, to znamená neustálených podmínkách. Zvýšené povrchové teploty pak logicky vedou k odstranění kondenzace na dříve chladných površích.

Závěr

Cílem a úkolem tohoto příspěvku bylo technicky dobře popsat funkce sálavého vytápění, reflexních fólií, stěrek a dalších povrchově účinných materiálů, které řídí tepelné záření. Dále pak rozvíjet metodiku testování termoreflexních materiálů a pracovat na postupech jejich navrhování do staveb. Asociace ATRI již neexistuje, avšak v tomto časopise jsou stále otevřené dveře příznivcům celistvé energetiky domů bez vytěsňování tepelného záření a materiálů, které s ním pracují. Bez tepelného záření nelze řešit dobře tepelnou účinnost staveb, ani problematiku tepelné pohody.