O efektívnom tepelnom odpore obvodových stien budov (II)
V príspevku sa uvádzajú výsledky sady parametrických modelov, ktoré vedú k záveru, že dynamická hodnota tepelného odporu obalovej konštrukcie je vlastnosť závisiaca od konkrétneho riešenia samotnej budovy a jej prevádzky, od klímy a od ďalších faktorov.
Efektívny tepelný odpor obvodových stien a potreba energie na vykurovanie a chladenie modelovej miestnosti
Výsledky simulácií vplyvu extrémne ľahkých a masívnych obvodových stien na potrebu energie na vykurovanie a chladenie modelovej miestnosti v klimatických podmienkach Bratislavy a Štrbského Plesa sú sčasti dokumentované v obr. 1 až 3, kde sú uvedené aj špecifiká výpočtových podmienok. Ak porovnáme vypočítané potreby energie na vykurovanie modelovej miestnosti s obvodovými stenami z plných pálených tehál a s veľmi ľahkou obvodovou stenou z polystyrénu s rovnakým tepelným odporom ako má stena z plných pálených tehál (steny č. 3 a 1 v tab. 2), zistíme v klimatických podmienkach Bratislavy pri ľahkých vnútorných konštrukciách (drevené trámové stropy, sadrokartónové deliace steny) rozdiely v závislosti od orientácie stien na svetové strany 3,8 % (sever) až 9,4 % (juh). Miestnosť s masívnymi tehlovými stenami má menšiu výpočtovú potrebu tepla na vykurovanie. V klimatických podmienkach Štrbského Plesa sú tieto rozdiely 5,3 % (sever) resp. 10,7 % (juh).
Obr. 1 - Potreba energie na vykurovanie modelovej miestnosti s obvodovými stenami ľahkými (č. 1)
a ťažkými (č. 3) s rovnakým normalizovaným tepelným odporom v Bratislave a v Štrbskom Plese; ľahké vnútorné
konštrukcie; konštantné vnútorné zisky 150 W; stála výmena vzduchu n = 1,0/h; okno zasklené čírym dvojsklom
Ak má modelová miestnosť stropy a vnútorné deliace konštrukcie zo železobetónu ("ťažké konštrukcie"), potom sa pod inak rovnakými vyššie uvedenými výpočtovými podmienkami zníži potreba energie na "ideálne" vykurovanie miestnosti o 3,0 % (sever) až 6,0 % (juh) v Bratislave a v Štrbskom Plese o 3,7 % (sever) až 6,1 % (východ). Je potrebné podotknúť, že sa tu porovnávajú z hľadiska tepelnoakumulačných schopností extrémne odlišné a zároveň slabo tepelne izolované obvodové steny. V prípadoch, keď tepelnoakumulačná schopnosť obvodových stien sa podstatným spôsobom nelíši, budú rozdiely v simulovanej potrebe tepla na vykurovanie zanedbateľné.
Vplyv tepelnoakumulačnej schopnosti obvodových stien na zvýšenie energetickej efektívnosti vykurovania a chladenia modelovej miestnosti (zlepšenie ich efektívneho tepelného odporu) sa prejavuje aj vtedy, ak sú veľmi dobre tepelne izolované. Percentuálne je však toto zlepšenie menej výrazné ako u málo tepelne izolovaných stien. Napríklad, ak porovnáme potrebu tepla na vykurovanie v miestnosti obvodovými stenami č. 2 (tab. 2) pri uvažovaných relatívne ľahších vnútorných konštrukciách s potrebou tepla na vykurovanie miestnosti so zateplenými stenami z plných pálených tehál (stena č. 4 v tab. 2), bude v Bratislave potreba tepla na vykurovanie miestnosti s ľahkými obvodovými stenami vyššia od 2,2 % (sever) do 4,3 % (východ).
Vyššia tepelnoakumulačná schopnosť stien sa prejavuje aj v čiastočnom znížení špičkových výkonov vykurovacieho zariadenia (za vyššie uvedených výpočtových podmienok). V prípade veľmi dobre tepelne izolovaných stien v Bratislave v trvale užívanej miestnosti s ľahkými vnútornými konštrukciami je špičkový výkon vykurovacieho zariadenia v miestnosti s ľahkými stenami vyšší ako v miestnosti s masívnymi obvodovými stenami od 6,4 % (západ) do 9,3 % (juh).
Vplyv tepelnoakumulačných schopností obvodových stien na potrebu energie na chladenie je pomerne významný, ako to čiastočne dokumentujú údaje v obr. 2. Potreba energie na chladenie vnútorného vzduchu v prípadoch, keď jeho teplota má tendenciu prekročiť hodnotu 26 °C, je pri veľmi ľahkých obvodových stenách v Bratislave v porovnaní so stenami z plných pálených tehál vyššia o 55 % (sever) až 67 % (západ). V klimatických podmienkach Štrbského Plesa sú tieto rozdiely až niekoľkonásobné, ale pri podstatne nižších absolútnych hodnotách potrieb energie na chladenie.
V prípade dobre tepelne izolovaných obvodových stien (po ich zateplení) potreba energie na chladenie v klíme Bratislavy aj Štrbského Plesa vzrastie - pozri obr. 3. Percentuálny nárast potreby energie na chladenie je vyšší v Štrbskom Plese. Je to dôsledok toho, že nočný chladnejší vzduchu spôsobuje pasívne chladenie miestnosti aj obvodovými stenami. Cez dobre tepelne izolované obvodové steny sa do miestnosti dostáva počas teplých dní menej tepla, na druhej strane z miestnosti stenami aj menej tepla odchádza. V daných výpočtových okrajových podmienkach vysoký tepelný odpor obvodových stien zvyšuje prehrievanie vnútorného vzduchu. Táto tendencia je zrejmá aj v prípade ťažkého akumulačného jadra miestnosti, aj keď v tomto prípade sú absolútne hodnoty potreby energie na chladenie miestnosti citeľne nižšie. Napríklad v miestnosti s relatívne ľahšími vnútornými konštrukciami a s veľmi dobre tepelne izolovanými masívnymi stenami bude v Bratislave pri orientácii steny s oknom na západ potreba energie na chladenie 407 kWh, ale v Štrbskom Plese iba 47 kWh (obr. 3). V prípade masívnych betónových stropov a betónových deliacich stien v modelovej miestnosti bude potreba energie na chladenie v Bratislave 346 kWh a v Štrbskom Plese iba 24 kWh. Uvedené absolútne hodnoty potreby chladu výrazne ovplyvňuje režim vetrania.
Obr. 2 - Potreba energie na chladenie modelovej miestnosti s obvodovými stenami ľahkými (č. 1)
a ťažkými (č. 3), ktoré majú rovnaký normalizovaný tepelný odpor v Bratislave a v Štrbskom Plese; ľahké
vnútorné konštrukcie, stále vnútorné zisky 150 W; stála výmena vzduchu n = 1,0/h; okno zasklené čírym dvojsklom
Obr. 3 - Potreba energie na chladenie modelovej miestnosti sa po výraznom zateplení obvodových stien
z plných pálených tehál (PPT) z vonkajšej strany zvýši v Bratislave aj v Štrbskom Plese. V ľavej časti
diagramu je potreba tepla na chladenie miestnosti s obvodovými stenami z plných pálených tehál a vpravo je
zvýšená potreba tepla na chladenie tej istej steny veľmi dobre zateplenej z exteriéru.
ZÁVER
Extrémne rozdiely v tepelnoakumulačnej schopnosti obvodových stien s rovnakým normovým tepelným odporom sa prejavujú v nižšej potrebe tepla na "ideálne" vykurovanie modelovej miestnosti s obvodovými stenami, ktoré majú vysokú tepelnoakumulačnú schopnosť. Tento efekt sa niekedy formálne prisudzuje zvýšeniu tepelnoizolačnej schopnosti obvodových stien. Hovorí sa o efektívnom tepelnom odpore steny, o dynamickom tepelnom odpore, prípadne o zvýšenom tepelnom odpore vplyvom tepelnoakumulačnej schopnosti steny. V skutočnosti nie je efektívny tepelný odpor primárne funkciou materiálu a skladby samotnej obvodovej steny, ale je výrazne závislý od konkrétneho riešenia celej miestnosti a od spôsobu jej užívania. Medzi množstvom jednotlivých ovplyvňujúcich parametrov sú nelineárne väzby, ktoré sú funkciou architektonicko-stavebného riešenia budovy, jej osadenia v zástavbe a v teréne, konkrétnej klímy, prevádzky techniky prostredia, atď. a sú unikátne. Napríklad rôzne režimy vetrania budú spôsobovať výrazné zmeny tzv. efektívneho tepelného odporu steny. Ak sa obvodové steny miestnosti z hľadiska svojej tepelnoakumulačnej schopnosti nelíšia podstatne, budú rozdiely v potrebe tepla na jej vykurovanie zanedbateľné.
Tepelnoakumulačné vlastnosti obvodových stien citeľne znižujú potrebu energie na chladenie, znižujú tiež špičkové chladiace výkony resp. sa významne podieľajú na znížení špičkových teplôt vnútorného vzduchu.
REFERENCIE
[1] ESRU 2001: "Data Model Summary, ESP-r", Version 9 Series, ESRU Report, Glasgow, University of Strathclyde, Energy Systems Research Unit.
POĎAKOVANIE
Tento príspevok vznikol s podporou grantovej výskumnej úlohy VEGA 1/0308/03.
