Beton přispívá k vnitřní tepelné stabilitě objektů

5. září 2016

Partneři sekce:

Schopnost zadržovat teplo u staveb s dobrými tepelněakumulačními vlastnostmi je nadmíru známou technikou, která se používá ke zmírňování výkyvů teploty uvnitř budovy. Uložená energie se využije ve chvíli, kdy je to vhodné pro zvýšení komfortu bydlení v budově.

Co je tepelná akumulace

Hovoříme-li o tepelné akumulaci, míváme zpravidla na mysli nosnou konstrukci, která je schopna přijmout a s určitým prodlením vydat teplo nebo se podílet na ochlazení prostoru. Jinak formulováno, tyto prvky si udržují svou teplotu i poté, co se okolní teplota zásadně změní (ohřeje nebo ochladí), a následně postupně uvolňují tepelnou energii do prostoru, dokud existuje rozdíl v teplotě mezi stavebním prvkem a vzduchem. Často jsou to betonové, vápenopískové nebo cihlové zdi, podlahy, stropy. V určitých případech hovoříme o tepelně aktivovaných prvcích i tehdy, když jsou do konstrukcí umístěny potrubní rozvody s vodou, které ohřívají nebo ochlazují stavební prvky, popřípadě i jiné materiály.

Obr. 1 Během roku se účinek záření slunce na stavbu výrazně mění zejména co do množství energie, která pronikne do stavby. V létě přináší slunce do budovy výrazně více tepla než v zimě. Kolik tepla stavba pohltí, závisí mimo jiné na tom, jak je vyprojektovaná vzhledem ke své poloze, jak jsou koncipovány a nasměrovány různé fasádní struktury, jaké jsou materiály použité v interiéru, a na dalších parametrech.

Komfort bydlení

Dobrý pocit uživatelů budov je spojen s uspokojenou potřebou po tepelném a zvukovém komfortu, vhodné hladině, složení a rozdělení světla a odpovídající kvalitě vzduchu. V tepelné složce obytného komfortu je základní veličinou rozsah přijatelných teplot vzduchu, který se pohybuje mezi 20 a 26 °C. Je třeba zdůraznit, že teplota vzduchu není totožná s pocitovou teplotou pro uživatele, u níž hraje důležitou roli i povrchová teplota obvodových konstrukcí a relativní vlhkost vnitřního vzduchu. Vliv má i pohyb vzduchu – jeho vyšší rychlost obytný komfort snižuje. Pociťujeme jej jako nežádoucí průvan. Při zajišťování tepelného komfortu bydlení bereme v úvahu také tepelnou stabilitu, kde jsou důležitá dvě hlediska: potlačování amplitudy kolísání teplot a dále časový posun mezi maximální a minimální hodnotou (prodleva). Akumulace tepla tak přispívá k tepelné stabilitě, neboť výtečně tlumí tyto výkyvy.

Obr. 2 Slunce bohužel ne vždy přináší to správné množství světla a tepla, proto s nimi musíme dále pracovat. Kromě tepelné izolace, jíž omezujeme pronikání tepelné energie do stavby, používáme ještě řadu dalších opatření. Zpravidla je cílem udržení co nejstálejší pokojové teploty.

Mechanismy průchodu tepla

Přenášené teplo přechází z teplejších těles na chladnější, dokud se nevytvoří rovnovážný stav. To je jeden ze tří mechanismů přenosu tepla, které mají zásadní vliv na tepelný komfort člověka uvnitř staveb. Také záření má značný vliv, například u skleněných povrchů nebo topných těles. Pro sálání je typické, že nepotřebuje médium pro šíření tepla. Stranu tělesa, kterou nastavíme slunci, zahřeje sluneční záření. Totéž platí i pro topná tělesa, která například vysílají záření do prostoru a zahřívají konstrukce, jež jsou v jejich dosahu (jsou to tedy plochy natočené k topnému tělesu). Třetím mechanismem přenosu tepla je přenos prouděním (konvekcí).

Například teplo, které se nahromadilo ve zdi, prostupuje na studený vzduch, který zeď obklopuje. Ve stavbách obvykle pozorujeme komplexní jevy, kdy všechny tři nebo alespoň dva mechanismy přenosu tepla působí současně. Například u skleněných stěn má dominantní podíl na přenosu tepla sálání, ale vyskytují se zde i ostatní mechanismy. U cihlových stěn se na obou plochách, kde je zeď v kontaktu se vzduchem, odehrává konvekce, avšak uvnitř zdi teplo prochází vedením (kondukcí). Působí-li na zeď slunce, zahřívá se i sáláním.

Obr. 3 Využívání tepelné akumulace během roku není těžké, vyžaduje však zamyšlení již v úvodní fázi projektování, kdy se rozhodujeme pro tvar stavby, její orientaci, dispoziční řešení a použité materiály.

Fourierův zákon

Množství tepla, které prvek přenáší, určujeme Fourierovým zákonem, kde hraje roli gradient teploty a tepelná vodivost jako vlastnost materiálu. U tepelně aktivovaných konstrukcí nás zajímá tepelná difuzivita mezi různými plochami a tepelná absorpce. V místě kontaktu dvou materiálů, například mezi dřevěnou a kovovou plochou, sledujeme tepelnou difuzivitu, kde hraje roli tepelná vodivost dřeva a kovu, jejich objemová hmotnost a jejich měrná tepelná kapacita. Stejné parametry sledujeme i u tepelné absorpce, která představuje měřítko, kolik tepla musí proniknout do styčného materiálu, aby se tepelně vyrovnalo se zdrojem, tedy materiálem, odkud teplo vyšlo.

Z praxe víme, že tepelná absorpce betonu je dvakrát vyšší než tepelná absorpce cihel, a dokonce šestkrát vyšší než tepelná absorpce smrkového dřeva. Ve stavbách proto akumulační hmota zajišťuje potřebný objem, který dokáže pojmout a zadržet velké množství tepla. Tepelná izolace však na druhé straně brání průniku tepla a nemá schopnost akumulace. Ani ve vzduchu nedokážeme uchovat teplo, přesto je vzduch dobrým izolantem a brání teplu v průchodu konstrukčními celky. Přitom musíme brát v úvahu, že schopnost prvků uchovávat teplo není vázána pouze na jejich vlastnosti, jako je tepelná vodivost, ale i na jejich objem ve stavbě a samozřejmě i polohu, obklopení jinými prvky apod.

Některé materiály potřebují delší dobu na pohlcení tepla, ale také je dokáží déle zadržet. Například betonová podlaha absorbuje více tepla a dokáže je zadržet déle než podlaha dřevěná. Když však podlahu pokryjeme kobercem, lze očekávat diametrálně odlišnou tepelnou reakci. Musíme přitom odlišovat pocitové povrchové teploty materiálů. Správně koncipované tepelně aktivované komponenty staveb mohou vytvořit velké rozdíly v komfortu bydlení, ale i ve spotřebě energie na vytápění, respektive ochlazování staveb.

Obr. 4 Důsledný přístup ve fázi projektové přípravy zajišťuje hlavně lepší využití denního světla, dále využití tepelných zisků přes průsvitné i neprůsvitné části obálky budovy, lepší větrání a kvalitu vzduchu a v neposlední řadě využití tepelněakumulačních schopností konstrukcí objektu.

Denní a noční režim

Tepelnou akumulaci proto můžeme analogicky použít tak, že rozdíly mezi denními a nočními teplotami uložíme a využijeme je v okamžiku, kdy je to příznivé pro zvýšení tepelného komfortu ve stavbě. Například v zimě můžeme zachytit a uchovat sluneční energii ve dne a nechat ji vystupovat v noci při poklesu teploty. Takovým režimem dokážeme snížit spotřebu energie, a přesto zachováme kvalitní podmínky pro bydlení. V létě můžeme použít podobný přístup, pouze v opačném směru. Při tom musíme v nočních hodinách samozřejmě zajistit přirozené nebo mechanické větrání, aby se tepelně aktivované komponenty mohly znovu ochladit a připravit na pohlcování tepla další den.

Tímto způsobem dokážeme vyrovnat kolísání mezi denními a nočními teplotními skoky, které v některých klimatických podmínkách představují opravdovou výzvu. Čím větší jsou rozdíly, tím lepší je účinek takovéto konstrukce. Obecně platí, že přes den potřebujeme teplotní rozdíly alespoň 7 až 10 °C. Účinek závisí na podnebí a místu, kde stavba stojí. Při rozdílech větších než 10 °C je vysoká tepelná akumulace ve stavbách velmi žádoucí.

Koncepce staveb a stavebních prvků

Úspěšné použití tepelné akumulace ve stavbě z hlediska stavební fyziky se pojí s komplexem parametrů, které musí být ve vzájemném souladu. Například zachycování tepla přes sklo musí být v souladu s materiálem, který dokáže teplo přijmout, aby nedocházelo k přehřívání. Tento poměr je základem pro úspěšný projekt s využitím tepelné akumulace. Důležité je také vědět, že zdi sice mohou absorbovat a s prodlevou uvolňovat určité množství tepla, avšak úspěšně koncipovaný systém musí být kombinován vždy s tepelněizolačními materiály.

Při tom musíme brát v úvahu všechny ostatní parametry, tedy vlastnosti materiálů, jejich množství, orientaci, vzájemné propojení, ale i lokalitu a orientaci stavby, místní klimatické podmínky, vítr, sousední budovy apod. Myslet musíme také na fungování budovy po celý rok, což může představovat velkou výzvu zejména v těch zeměpisných oblastech, kde jsou rozdíly v průběhu roku výrazné. V takových případech musíme zajistit odpovídající ochranu určitých částí stavebního pláště před sluncem (zastínění), respektive zachycení nadbytečného slunečního záření pomocí architektonických prvků (přesahů apod.). Kromě toho musíme ve fázi projektování počítat samozřejmě i se srovnatelně menší absorpcí tepla, nejsou-li architektonické prvky mobilní.

Kontrolované uchovávání tepla (a chladu) můžeme používat k vytápění (a ochlazování) budov. Kromě celkové hmotnosti konstrukce, její objemové hmotnosti a tepelné vodivosti je důležité samozřejmě také odizolování a utěsnění budovy. Komfort bydlení se kromě tepelného pohodlí skládá také z akustického a světelného komfortu.
Převzato z časopisu Lafarge Cement Journal

TEXT: Dr. Katja Malovrh Rebec
FOTO: Ivan Bárta