Tepelně akumulační vlastnosti zdiva HELUZ
Pod tímto názvem vydalo CSI a.s. zajímavou práci, v níž studuje chování silných obvodových zdiv ze čtyř modelových řad HELUZ z pohledu stability vnitřní teploty. To pak porovnává s chováním tenčích zdiv s dodatečným zateplením a lehkých stěn z čisté tepelné izolace, jejichž tepelné odpory jsou dorovnány na úroveň referenčních silných zdiv. Ze studie plynou zajímavé závěry pro praxi.
Studie je čistě teoretická, opřená o normové anebo tradiční předpoklady a početní postupy.
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.
Studované cihly
Studovány byly cihelné bloky čtyř modelových řad HELUZ pro obvodové zdění. Jako referenční byly z každé modelové řady vybrány jeden či dva zástupci s nejvyšší stavební šířkou. Celkem jich bylo sedm:
- HELUZ FAMILY 2in1 o tloušťce 0,5 m a 0,44 m,
- HELUZ STI o tloušťce 0,49 m 0,44 m,
- HELUZ FAMILY o tloušťce 0,5 m a 0,44 m a konečně
- HELUZ PLUS o tloušťce 0,44 m.
Pro každý referenční blok, přesněji zdivo z něho postavené, byl spočítán ukazatel tepelné akumulace UTA a dále útlum venkovní teplotní vlny na vnitřním povrchu. Totéž se stanovilo pro bloky s menší šířkou stěny, doplněnými tepelnou izolací přesně na hodnotu tepelného odporu příslušného referenčního zástupce. A konečně se počítal útlum teplotní vlny pro projití vrstvou čisté tepelné izolace s odpovídající referenční hodnotou tepelného odporu.
Přehled všech studovaných cihelných bloků včetně jejich podstatných materiálových a konstrukčních vlastností uvádějí tabulky 1 až 4.
Zajímavé bylo už první zjištění, že tloušťka dodatečné tepelné izolace z EPS, nebo MW, kterou byl dorovnán tepelný odpor tenčích cihel na úroveň referenčního zástupce téže modelové řady, zvýšila tloušťku zdi cca na tloušťku referenčního zástupce. Odchylky byly do 2 cm. Naznačuje to, že je lepší volit cihlu s nejvyšší vyráběnou tloušťkou, než zateplovat tenčí cihlu stejné modelové řady.
V tabulkách 1 až 4 jsou vyčísleny všechny podstatné veličiny pro účely studie – součinitel tepelné vodivosti λ, měrná tepelná kapacita c, hustota ρ, tepelný odpor R, normový součinitel prostupu tepla UN a konečně ukazatel tepelné akumulace UTA vyjádřený v hodinách.
Tab. 1: Souhrn základních tepelných vlastností cihelných bloků HELUZ FAMILY 2in1
| tloušťka d v m | 0,25 | 0,30 | 0,38 | 0,44 | 0,50 |
| λ, W/(mK) | 0,083 | 0,077 | 0,066 | 0,061 | 0,058 |
| c, J/(kgK) | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| ρ, kg/m2 | 628 | 823 | 763 | 736 | 736 |
| R, m2K/W | 3,01 | 3,90 | 5,76 | 7,21 | 8,62 |
| UN, W/(m2K) | 0,314 | 0,246 | 0,169 | 0,135 | 0,114 |
| UTA = 2τ0, h | 131 | 267 | 464 | 649 | 881 |
Tab. 2: Souhrn základních tepelných vlastností cihelných bloků HELUZ STI
| tloušťka d v m | 0,38 | 0,40 | 0,44 | 0,49 |
| λ, W/(mK) | 0,101 | 0,093 | 0,095 | 0,096 |
| c, J/(kgK) | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| ρ, kg/m2 | 705 | 690 | 682 | 692 |
| R, m2K/W | 3,76 | 4,30 | 4,63 | 5,10 |
| UN, W/(m2K) | 0,254 | 0,224 | 0,208 | 0,190 |
| UTA = 2τ0, h | 280 | 330 | 386 | 481 |
Tab. 3: Souhrn základních tepelných vlastností cihelných bloků HELUZ FAMILY
| tloušťka d v m | 0,25 | 0,30 | 0,38 | 0,44 | 0,50 |
| λ, W/(mK) | 0,093 | 0,093 | 0,093 | 0,084 | 0,095 |
| c, J/(kgK) | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| ρ, kg/m2 | 812 | 803 | 753 | 748 | 728 |
| R, m2K/W | 2,69 | 3,23 | 4,09 | 5,24 | 5,26 |
| UN, W/(m2K) | 0,350 | 0,295 | 0,235 | 0,185 | 0,184 |
| UTA = 2τ0, h | 131 | 267 | 464 | 649 | 881 |
Tab. 4: Souhrn základních tepelných vlastností cihelných bloků HELUZ PLUS
| tloušťka d v m | 0,365 | 0,38 | 0,40 | 0,44 |
| λ, W/(mK) | 0,107 | 0,112 | 0,107 | 0,105 |
| c, J/(kgK) | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| ρ, kg/m2 | 721 | 732 | 710 | 700 |
| R, m2K/W | 3,41 | 3,39 | 3,74 | 3,19 |
| UN, W/(m2K) | 0,279 | 0,281 | 0,256 | 0,229 |
| UTA = 2τ0, h | 131 | 267 | 464 | 649 |
Relaxační doba
Ve [2] je dále definována relaxační doba τ0 = d2ρc/(2λ), která je pro jednovrstvou konstrukci polovičkou UTA. To naznačuje, že obě veličiny popisují totéž, totiž ustálení (relaxaci) nového teplotního pole v konstrukci po změně okrajových podmínek. Faktor 2 jen vyjadřuje, že reálná homogenní stěna, ve které je ustálený teplotní spád, není teplem „nabita” celá, ale jen zčásti (u homogenní jednovrstvé stěny přesně z poloviny).
Relaxační doba τ0 je ve [2] definována i pro vícevrstvé konstrukce, což umožní doplnit hodnoty UTA i do níže uvedených tabulek studie, kde se popisuje vícevrstvé zateplené zdivo. Fyzikálně je relaxační doba τ0 mírou chladnutí vnitřní povrchové teploty po vypnutí vytápění (při stále venkovní teplotě):
Jde „jen” o přiblížení, které předpokládá stacionární režim chladnutí, kdy je v každém okamžiku stěna v ustálených teplotních podmínkách. Přesnější odhad vyžaduje řešit rovnici vedení tepla.
První výsledky
Ukažme si nyní vnitřní parametry čtyř modelových řad zdiv zn. HELUZ, když je zateplíme na úroveň tepelného odporu referenčního reprezentanta dané modelové řady. K nim byly redakčně dopočítány hodnoty UTA, jako dvojnásobek relaxační doby τ0:
Diskuse
Zateplením tenčí cihly na úroveň tepelného odporu nejsilnější cihly v rámci téhož modelu vede k tomu, že snížíme akumulační hmotu, což vede ke snížení tepelné setrvačnosti. To je nejnápadnější u nejslabších zateplených cihel tl. 250 mm. Např. u cihly FAMILY 25 2in1 po jejím zateplení na úroveň FAMILY 50 2in1 poklesl UTA o 261 hodin, tj. téměř na polovinu.
Venkovní zateplení má ještě druhý, opačný efekt. Substituovaný izolant má vyšší tepelný odpor, než cihla, zpomaluje tak únik tepla ven a zvyšuje tak relaxační dobu (a také UTA). U silnějších zateplených stěn může tento efekt převážit. Např. cihla FAMILY 30 2in1 se zateplením tloušťky 180 mm na hodnotu tepelného odporu cihly FAMILY 50 2in1 má hodnotu UTA o 51 hodin vyšší. Roli zde hrají i parametrické odlišnosti cihel (jejich různé hustoty, lambdy, rozměrové nepodobnosti apod.).
Relaxační doby jsou z definice podle [2] nesymetrické. Jinými slovy, fázový posun a také amplituda vnitřní teplotní odezvy na venkovní změny závisí na umístění zateplení. V případě cihly FAMILY 25 2in1 s tepelnou izolací na vnitřní straně klesne relaxační doba na pouhých 13,1 h, což reprezentuje UTA = 26,2 h. Přitom stejná cihla zateplená zvenku má UTA = 620 h.
Velmi malé relaxační doby vykazují stěny čisté tepelné izolace, cca na od 2 do 8 hodin (UTA = 4 až 16).
Porovnání izolací
Z porovnání hodnot tlouštěk dodatečné tepelné izolace z EPS a MW, potřebné na dorovnání tepelného odporu na úroveň referenčního reprezentanta, je zřejmé, konstatuje studie, že se tloušťky obou izolací příliš neliší, a pokud ano, pak je to jen o 1 cm (závěr platí pro hodnoty součinitele tepelné vodivosti EPS = 0,038 W/(mK) a MW = 0,041 W/(mK).
Tab. 5: Základní tepelné veličiny modelové řady HELUZ FAMILY 2in1 po zateplení na úroveň nejsilnější cihly tloušťky 500 mm. V posledním sloupci jsou údaje pro vrstvu tepelné izolace s tepelným odporem na referenční úrovni.
| Family 2in1 | ||||||
| tloušťka d v m | 0,25 | 0,30 | 0,38 | 0,44 | 0,50 | 0,00 |
| R (cihla), m2K/W | 3,01 | 3,9 | 5,76 | 7,21 | 8,62 | – |
| R (izolace), m2K/W | 5,61 | 4,72 | 2,86 | 1,41 | 0 | 8,62 |
| d (izolace), m | 0,210 | 0,180 | 0,110 | 0,050 | 0,000 | 0,194 |
| 2τ0 = UTA, h | 620 | 932 | 932 | 886 | 881 | 5,4 |
| 2τ0 bez zateplení | (131) | (267) | (464) | (649) | ||
Tab. 6: Základní tepelné veličiny modelové řady HELUZ STI po zateplení na úroveň nejsilnější cihly tloušťky 490 mm. V posledním sloupci jsou údaje pro vrstvu tepelné izolace s tepelným odporem na referenční úrovni.
| HELUZ STI | |||||
| tloušťka d v m | 0,38 | 0,4 | 0,44 | 0,49 | 0,00 |
| R (cihla), m2K/W | 3,76 | 4,3 | 4,63 | 5,1 | – |
| R (izolace), m2K/W | 1,34 | 0,8 | 0,47 | 0 | 5,1 |
| d (izolace), m | 0,050 | 0,030 | 0,020 | 0,000 | 0,194 |
| 2τ0 = UTA, h | 476 | 451 | 474 | 481 | 5,4 |
| 2τ0 bez zateplení | (280) | (330) | (386) | ||
Tab. 7: Základní tepelné veličiny modelové řady HELUZ FAMILY po zateplení na úroveň nejsilnější cihly tloušťky 500 mm. V posledním sloupci jsou údaje pro vrstvu tepelné izolace s tepelným odporem na referenční úrovni.
| HELUZ FAMILY | ||||||
| tloušťka d v m | 0,25 | 0,30 | 0,38 | 0,44 | 0,50 | 0,00 |
| R (cihla), m2K/W | 2,69 | 3,23 | 4,09 | 5,24 | 5,26 | – |
| R (izolace), m2K/W | 2,57 | 2,03 | 1,17 | 0,02 | 0 | 5,26 |
| d (izolace), m | 0,098 | 0,077 | 0,044 | 0,001 | 0,000 | 0,200 |
| 2τ0 = UTA, h | 444 | 488 | 509 | 484 | 532 | 5,8 |
| 2τ0 bez zateplení | (152) | (216) | (325) | (479) | ||
Tab. 8: Základní tepelné veličiny modelové řady HELUZ PLUS po zateplení na úroveň nejsilnější cihly tloušťky 440 mm. V posledním sloupci jsou údaje pro vrstvu tepelné izolace s tepelným odporem na referenční úrovni.
| HELUZ PLUS | |||||
| tloušťka d v m | 0,365 | 0,38 | 0,4 | 0,44 | 0,00 |
| R (cihla), m2K/W | 3,41 | 3,39 | 3,74 | 4,19 | – |
| R (izolace), m2K/W | 0,78 | 0,8 | 0,45 | 0 | 4,19 |
| d (izolace), m | 0,030 | 0,030 | 0,017 | 0,000 | 0,159 |
| 2τ0 = UTA, h | 365 | 384 | 366 | 359 | 3,6 |
| 2τ0 bez zateplení | (249) | (262) | (295) | ||
Závěr
V článku je ukázáno, že optimální cestou výstavby z cihelných systémů HELUZ, určených pro termoizolační obvodové zdění, je jednovrstvé zdivo bez zateplení. Zateplení, kromě vyšší pracnosti a nákladů, žádnou podstatnou hodnotu nepřináší. To platí i pro rychlost odezvy vnitřní povrchové teploty obvodové stěny na změnu venkovní teploty (vyjádřenou fázovým posunem) a také pro útlum teplotní vlny, což je poměr venkovní teplotní amplitudy a amplitudy jí vyvolané teplotní vlny na vnitřní straně stěny. Čím vyšší je relaxační doba nebo UTA, tím utlumenější je amplituda teplotních změn na vnitřním povrchu, vyvolaných střídáním venkovních teplot. V případě obvodových cihelných bloků s izolační výplní dutin se tento útlum blíží nekonečnu, což znamená, že není už patrný. Zároveň to také znamená, že když se venku mění průměrná denní teplota, následuje ji – byť s dlouhým zpožděním – i vnitřní povrchová teplota stěn.
Tomuto tématu se budeme věnovat i v dalším vydání tohoto časopisu.
Literatura a zdroje:
[1] Kučera, Petr: Studie tepelně akumulační vlastnosti vlastnosti zdiva HELUZ (ukazatel UTA). CSI a.s. Praha, 2015.
[2] Hejhálek, Jiří: Setrvačnost vnitřní povrchové teploty obvodových konstrukcí, Stavebnictví a interiér 3/2001, www.stavebnictvi3000.cz.
