Výpočty součinitelů prostupu tepla Ucw lehkých obvodových plášťů patří mezi složitější tepelnětechnické výpočty konstrukcí ve stavebnictví. Vzhledem k trendu stále se zvětšujících prosklených ploch na obálce budovy mají lehké obvodové pláště (LOP) výrazný vliv na tepelné chování budov a v neposlední řadě také na splňování požadavků na energetickou náročnost budov, zaváděných zákonem č. 406/2000 Sb., o hospodaření s energií a jeho prováděcí vyhláškou č. 78/2013 Sb., o energetické náročnosti budov. Toto jsou důvody, proč je nutné výpočtům jejich tepelněizolačních vlastností věnovat zvýšenou pozornost.
Předkládaný článek se věnuje míře vlivu různých druhů lokálních systematicky se opakujících bodových tepelných mostů na výslednou hodnotu součinitele prostupu tepla Ucw lehkého obvodového pláště.
LEGISLATIVA
K problematice stanovení součinitele prostupu tepla lehkých obvodových plášťů a jeho porovnávání s požadavky se dotýkají především ČSN EN ISO 12631 Tepelné chování lehkých obvodových plášťů – Výpočet součinitele prostupu tepla z roku 2013 a ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky z roku 2011. Přičemž první jmenovaná popisuje stanovení Ucw pomocí výpočtu a druhá stanovuje požadavek na součinitel prostupu tepla Ucw, resp. způsob jeho výpočtu. Požadavek na LOP není jasně stanovenou konstantní hodnotou, jako je tomu např. u výplní otvorů. Konečná hodnota požadavku, ať už se jedná o hodnotu požadovanou, doporučenou nebo doporučenou pro pasivní domy, závisí na poměru průsvitných a neprůsvitných částí.
Opomíjeným, avšak neméně důležitým zavázaným legislativním požadavkem, v současné době kontrolovaným Státní energetickou inspekcí České republiky, je požadavek vycházející ze zákona č. 406/2000 Sb., o hospodaření s energií a jeho prováděcí vyhlášky č. 78/2013 Sb., o energetické náročnosti budov. Jedná se
o tzv. splňování požadavků na energetickou náročnost budov na nákladově optimální úrovni pro výstavbu nové budovy nebo při její větší změně a v současné době začínajícího požadavku na energetickou náročnost budovy s téměř nulovou spotřebou energie pro výstavbu určitých typů nových budov. Konkrétně největší problémy vznikají při splňování požadavku na průměrný součinitel prostupu tepla obálky budovy, které LOP díky své zpravidla velké ploše značnou měrou ovlivňují. Pro splnění požadavku na energetickou náročnost budov na nákladově optimální úrovni pro nové budovy je nutné dosáhnout 0,8násobku referenční hodnoty a u budov s téměř nulovou spotřebou energie dokonce 0,7násobku. Dle ČSN 730540-2 je samozřejmě nutné Ucw LOP navrhovat maximálně na hodnotu požadovanou, zpravidla však pro splnění výše popsaných požadavků je nutné konstrukce navrhovat na hodnotu daleko nižší. V praxi však často, díky financím, bývá problém splnit i hodnotu požadovanou.
VLIV BODOVÝCH TEPELNÝCH MOSTŮ
Konstrukce LOP
Pro stanovení míry vlivu systematicky se opakujících bodových tepelných mostů na tepelné chování lehkého obvodového pláště byla zvolena konstrukce lehkého obvodového pláště, ze které dle pravidel ČSN EN ISO 12631 byl stanoven charakteristický element (výsek), jehož výsledná hodnota součinitele prostupu tepla Ucw reprezentuje hodnotu celého LOP. Element je zobrazen na obr. 1.
Konstrukce lehkého obvodového pláště se skládá z hliníkového systému rastrové fasády, ze zasklívacích jednotek o součiniteli prostupu tepla Ug = 1,0 W/m².K (izolační dvojsklo) s distančním rámečkem Swisspacer Ultimate a z neprůsvitných panelů z minerální izolace a XPS o celkovém součiniteli prostupu tepla Up = 0,184 W/m².K.
Výpočet Ucw
Výpočet součinitele prostupu tepla Ucw charakteristického elementu byl proveden dle ČSN EN ISO 12631 Tepelné chování lehkých obvodových plášťů – Výpočet součinitele prostupu tepla, kdy hustota tepelného toku Φ [W/m] mimo výplňové prvky byla stanovena pro jednotlivé detaily dle obr. 1 pomocí plošně závislého součinitele vazby UTJ, charakterizujícího tepelný tok skrz sloupek, resp. příčník, včetně vlivu působení zasklívací spáry. Výpočet byl proveden bez jakýchkoliv systematicky se opakujících bodových tepelných mostů ve dvourozměrném teplotním poli v programu Flixo, využívajícím metodu konečných prvků. Příklad výpočtu pro detail D3v spolu s normovým obecným příkladem je na obr. 2.
Výsledná hodnota součinitele prostupu tepla charakteristického elementu lehkého obvodového pláště bez vlivu systematicky se opakujících tepelných mostů je Ucw = 1,11 W/m².K. Procentuální zastoupení míry tepelného toku skrz jednotlivé části elementu zobrazuje graf 1.
Systematicky se opakující tepelné mosty v konstrukcích LOP
Lehké obvodové pláště v zásadě vždy obsahují konstrukční prvky, které tvoří tzv. systematicky se opakující teplené mosty. Jedná se o prvky, o kterých přesně víme, kde leží, a známe jejich počet i jejich geometrii i materiálové složení a především jsou nedílnou součástí konstrukce. Tyto prvky mají určitý vliv i na celkový součinitel prostupu tepla Ucw, který je dán jejich počtem a mírou přídavného tepelného toku, jejž tvoří. V případě bodových tepelných mostů se však jedná o tzv. trojrozměrné vedení tepla, jehož výpočet, oproti používanému dvojrozměrnému vedení tepla, je značně složitější.
Např. o šroubech se ČSN EN ISO 12631 vyjadřuje, že jejich tepelné efekty nelze zanedbat, a udává i metodiku, jak šrouby do výpočtu Ucw zahrnout pomocí výpočtu ve dvourozměrném teplotním poli. Šrouby však nejsou jedinými bodovými tepelnými mosty, které se v konstrukci LOP vyskytují. Dále nelze opomenout především nosiče výplňových prvků přenášejících váhu např. zasklívacích jednotek do paždíku, případně do sloupku, tak, aby váha nezatěžovala přerušení tepelného mostu daného profilového systému. V neposlední řadě je nutné také zmínit hliníkové U-profily sloužící pro uchycení zasklívacích jednotek v případě tzv. strukturálního (lepeného – pozn. red.) zasklení. O těchto tepelných mostech se však ČSN EN ISO 12631 nezmiňuje. Stavební praxe je proto velmi často ignoruje a ani v odborném tisku se o nich nediskutuje, mimo článku diplomanta Fakulty stavební
M. Matouše uveřejněném v roce 2013. Budeme se jimi zaobírat v následující analýze.
Následující text je věnován výpočtu bodových činitelů prostupu tepla vybraných typů systematicky se opakujících tepelných mostů a jejich vlivu na Ucw příkladného výše popsaného elementu LOP.
Typy systematicky se opakujících konstrukčních prvků
Pro výpočty byly zvoleny následující konstrukční prvky:
– šrouby pro zasklívací lišty,
– šrouby pro ukotvení výplňových prvků (panelů),
– nosiče výplňových prvků.
V případě nosičů výplňových prvků jsou v závislosti na váze prvku (zasklívací jednotky) používány tři typy nosičů:
a) jednoduchý standardní nosič skel (typ A), který nepřerušuje tzv. přerušení tepelného mostu ve středu profilu a je ho možné použít v závislosti na druhu sytému do cca 185 kg váhy zasklívací jednotky – viz obr. 3;
b) únosnější nosič (typ B), který přerušuje přerušení tepelného mostu a uchycuje se pomocí vrutů do profilu paždíků a je ho možné použit, opět v závislosti na druhu systému, do cca 445 kg – viz obr. 4;
c) nosič ve tvaru T (typ C), který se přichycuje šrouby jak do paždíku, tak do sloupku a slouží k přenášení váhy velkorozměrných zasklení s velkou hmotností – viz obr. 5.
Typy nosičů byly zvoleny jako příkladné pro účely článku. Každý profilový systém má své vlastní typy těchto konstrukčních prvků, a proto lze předpokládat i odlišné vlivy na tepelné chování lehkých obvodových plášťů.
Výpočet bodových činitelů prostupu tepla
Výpočty tepelných toků všech zvolených konstrukčních prvků byly provedeny v třírozměrném vedení tepla pomocí programu SolidWorks. Prvky byly osazeny do profilového systému použitého ve zvoleném charakteristickém elementu lehkého obvodového pláště. Výpočtový model byl namodelován a vypočten jak pro detail se zvoleným konstrukčním prvkem, tak bez něj. Rozdíl tepelných toků vztažený na rozdíl teplot 1 K je pak zmíněným bodovým činitelem prostupu tepla Χ [W/K]. Výsledné hodnoty zobrazuje tabulka 1.
Tabulka 1: Výsledné hodnoty bodových činitelů prostupu tepla
|
Bodový činitel prostupu tepla Χ [W/K] |
||||
|
Šrouby |
Nosiče výplňových prvků |
|||
|
Do zasklívacích lišt |
Do výplňových prvků |
Typ A |
Typ B |
Typ C |
|
0,00275 |
0,00315 |
0,0276 |
0,0336 |
0,0988 |
Tabulka 2: Výsledky s vlivy různých typů bodových tepelných mostů
|
Celkový součinitel prostupu tepla Ucw [W/m².K] |
||||
|
Bez vlivu |
Pouze se šrouby |
Šrouby + nosiče |
||
|
Typ A |
Typ B |
Typ C |
||
|
1,11 |
1,14 |
1,18 |
1,19 |
1,21 |
Pro větší přehlednost a vzájemné porovnání hodnot byly výsledky uvedené v tabulce 1 zaneseny do sloupcového grafu 2.
Na obrázcích jsou názorné grafické výstupy výpočtu jednotlivých řešených konstrukčních prvků ve trojrozměrném teplotním poli. Grafické výstupy zobrazují hustoty tepelných toků. Pro grafický výstup nosiče typu C byly skryty, pro větší přehlednost, zasklívací jednotky. Grafický výstup šroubu a podložky typu B je zúžen na rozsah toků, viz stupnice.
Vliv tepelných mostů na Ucw
Aby bylo možné porovnat působení systematicky se opakujících tepelných mostů na tepelné chování lehkých obvodových plášťů (Ucw), konkrétně na předem zvolený charakteristický výsek, je nutné jejich tepelné toky, dle počtu jejich výskytu, zahrnout do celkového tepelného toku elementu LOP. Vyjádření bude samozřejmě provedeno pomocí součinitele prostupu tepla Ucw.
Jak šrouby do zasklívacích lišt, tak i šrouby do výplňových prvků se v konstrukci zvoleného elementu vyskytují v osové vzdálenosti po 300 mm, nosiče skel, případně panelů, jsou vždy dva na jeden prvek výplně. V následujícím srovnání bude proměnnou pouze typ nosiče. Shrnuté výsledky celkového součinitele prostupu tepla Ucw zobrazuje tabulka 2. Pro informaci je nutné doplnit, že podle ČSN 730540-2 je pro zvolený element LOP požadovaná hodnota Ucw,N,20 = 1,13 W/m².K, doporučená hodnota Ucw,rec,20 = 0,92 W/m².K, doporučená hodnota pro pasivní domy Ucw,pas,20 = 0,76 W/m².K.
Je nutné však upozornit, že výsledky slouží pouze pro vzájemné rámcové srovnání vlivu jednotlivých konstrukčních prvků, tak aby bylo možné si o jejich působení udělat globální představu. Například použití nosiče typu C by ve zvoleném elementu bylo bezpředmětné, protože hmotnosti výplňových prvků samozřejmě nepřesahují hodnotu, pro kterou by takovýto nosič musel být použit. V případě použitých výplňových prvků s velikou hmotností by rastr konstrukce LOP byl řidší a bylo by zde použito menší množství nosičů a jejich vliv by byl samozřejmě mírnější.
Na koláčových grafech 3–5 je zobrazen hlavní výsledek, konkrétně procentuální zastoupení vlivu jednotlivých konstrukčních prvků na celkový součinitel prostupu tepla charakteristického elementu LOP v případě různých typů nosičů.
Z výsledků je patrný nezanedbatelný vliv systematicky se opakujících tepelných mostů na celkový součinitel prostupu tepla lehkých obvodových plášťů. Souhrnné působení všech řešených konstrukčních prvků (šroubů a nosičů) vždy překročilo hranici 5 %. Je nutné si také všimnout, že už v prvním případě (nosič typu A) je vliv nosičů výrazně vyšší než souhrnný vliv šroubů, o kterých ČSN EN ISO 12631 hovoří jako o prvcích, které nelze zanedbat. Lze tedy jednoznačně tvrdit, že nosiče, jako nedílná součást konstrukce LOP, mají nezanedbatelný vliv na tepelné chování těchto konstrukcí. Zajímavá je také skutečnost, že vliv samotných nosičů v případě zvoleného elementu se buď výrazně blíží vlivu panelů, anebo je dokonce převyšuje.
ZÁVĚR
Výše byl pomocí numerických analýz ve dvourozměrných a trojrozměrných tepelných polích analyzován vliv systematicky se opakujících bodových mostů, které tvoří prvky, jež jsou nedílnou součástí konstrukce lehkých obvodových plášťů. Z dosažených výsledků je jednoznačně patrný jejich nezanedbatelný vliv na celkovou hodnotu součinitele prostupu tepla Ucw, a tedy i vliv na splňování požadavků vycházejících z ČSN 730540-2 nebo ze zákona č. 406/2000 Sb., o hospodaření s energií, a to obzvláště se začínající platností požadavku na výstavbu budov s téměř nulovou spotřebou energie.
Byl také potvrzen výrazně vyšší vliv nosičů výplňových prvků než vliv samotných šroubů. Vzhledem k těmto závěrům je nutné konstatovat, že tyto druhy systematicky se opakujících tepelných mostů, o kterých máme potřebné informace, nelze při výpočtech Ucw zanedbat a také s nimi při navrhování lehkých obvodových plášťů musí být dopředu počítáno. Je však důležité upozornit, že se jedná pouze o příkladné srovnání, a je tedy nutné konkrétní vliv a hodnoty pro danou konstrukci LOP vždy pečlivě samostatně posoudit, protože výsledné hodnoty budou záviset na řešené konstrukci LOP.
Shrnutí:
– Vliv lehkých obvodových plášťů na průměrný součinitel prostupu tepla je zásadní, zvláště v případě posuzování budov s téměř nulovou spotřebou energii. Je tedy vhodné lehké obvodové pláště navrhovat na nižší hodnoty, než je požadovaná hodnota dle ČSN 730540-2.
– Vzhledem k postupnému vývoji technicky a konstrukčních systémů a snižování požadavků na TOB začíná být nutné využívat třírozměrných tepelných výpočtů.
– Vliv systematicky se opakujících tepelných mostů na Ucw je zásadní, a proto se musí do výpočtů zahrnovat, a to včetně nosičů výplňových prvků, které mají dokonce větší vliv, než je tomu u šroubů, o kterých se ČSN EN ISO 12631 vyjadřuje, že je nelze zanedbat.
ROMAN JIRÁK, PETR JAROŠ
Literatura:
1) ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov – Část 1: Terminologie, ÚNMZ 2005.
2) ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky, ÚNMZ 2011.
3) ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov – Část 3: Návrhové hodnoty veličin, ÚNMZ 2005.
4) ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov – Část 4: Výpočtové metody, ÚNMZ 2005.
5) ČSN EN ISO 12631 Tepelné chování lehkých obvodových plášťů – Výpočet součinitele prostupu tepla, 2013.
6) ČSN EN ISO 10077 Tepelné chování oken, dveří a okenic – Výpočet součinitele prostupu tepla – Část 1 Všeobecně, 2007.
7) ČSN EN ISO 10077 Tepelné chování oken, dveří a okenic – Výpočet součinitele prostupu tepla – Část 2 Výpočtová metoda pro rámy, 2012.
8) MATOUŠ, MILAN. Bodový činitel prostupu tepla v lehkých obvodových pláštích. Tepelná ochrana budov, č. 1, 2013.
Ing. Roman Jirák, Ph.D., (*1982) je soudním znalcem v oboru stavebnictví se specializací na otvorové výplně a tepelnou techniku lehkých obvodových plášťů. Je energetickým specialistou MPO. Absolvoval doktorské studium na ČVUT, Fakultě stavební. Dva roky pracoval jako tepelný technik ve společnosti Skanska v závodě lehkých obvodových plášťů. Poté strávil čtvrt roku na pracovní stáži v IFT Rosenheim v Německu, kde se soustředil na simulaci transportu tepla skrz LOP a otvorové výplně. V současné době spoluřídí firmu Decoen, v. o. s., a Decoen znalecký ústav, s. r. o., zaměřující se na tepelnou techniku, na snižování energetické náročnosti budov a projekční činnost.
Ing. Petr Jaroš, Ph.D., (*1982) je energetickým specialistou, autorizovaným inženýrem v oboru pozemní stavby a soudním znalcem v oboru stavebnictví se specializací na obalové konstrukce, střešní konstrukce a podlahy. Absolvoval doktorské studium na ČVUT, Fakultě stavební. V současné době spoluřídí firmu Decoen, v. o. s., a Decoen znalecký ústav, s. r. o.
