NPS. Nízkoenergetické a pasivní stavby. Přednáška č. 3. Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích

Transkript

1 Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích NPS Nízkoenergetické a pasivní stavby Přednáška č. 3 Přednášky: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Garant: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Katedra stavebnictví

2 Vývoj tepelně technických požadavků Přehled základních požadavků na stavební konstrukce, konstrukční detaily, spoje konstrukcí, části budov a budovy z pohledu tepelné ochrany budov podle ČSN Po oddělení ČR a SR v květnu 1994 vydána samostatná česká norma ČSN Tepelná ochrana budov, která byla rozdělena do 4 samostatných celků: ČSN : Tepelná ochrana budov. Část 1 Termíny a definice ČSN : Tepelná ochrana budov. Část 2 - Funkční požadavky ČSN : Tepelná ochrana budov. Část 3 Výpočtové hodnoty veličin pro navrhování a ověřování ČSN : Tepelná ochrana budov. Část 4 - Výpočtové metody pro navrhování a ověřování V roce 2002 byla vydána revize 2. části normy, které zapracovaly změny v souladu evropskými požadavky. Revize zpřísňuje požadavky na prostup tepla a přináší změny v oblasti hodnocení energetických požadavků pomocí měrné spotřeby tepla na vytápění. 2

3 Vývoj tepelně technických požadavků V roce 2005 proběhla další revize normy a zároveň došlo ke změně názvů: ČSN : Tepelná ochrana budov. Část 1 Terminologie ČSN : Tepelná ochrana budov. Část 2 - Požadavky ČSN : Tepelná ochrana budov. Část 3 Návrhové hodnoty veličin ČSN : Tepelná ochrana budov. Část 4 - Výpočtové metody V roce 2007 byla vydána revidovaná 2. část normy. Změny se týkaly požadavků na nejnižší povrchovou teplotu pomocí teplotního faktoru a pro prostup tepla obálkou budovy. 3

4 Vývoj tepelně technických požadavků Zatím poslední změna je novelizovaná 2. část (Požadavky) z roku 2011: Přehledněji formulovány požadavky na teplotu vnitřních povrchů s využitím teplotního faktoru vnitřního povrchu Upraveny a doplněny hodnoty součinitele prostupu tepla konstrukcí Úprava hodnocení prostupu tepla obálkou budovy pomocí metody referenční budovy Upravena kapitola na neprůvzdušnost konstrukcí a větrání V příloze A podrobně popsány nízkoenergetické, pasivní a orientačně u energeticky nulové budovy 4

5 Závaznost normy ČSN Závazná povinnost dodržet požadavky na budovy a jejich konstrukce z hlediska nízké spotřeby energie a tepelné ochrany. Požadavky tepelné ochrany budov jsou nyní závazně uvedeny ve dvou okruzích předpisů: V zákoně 183/2006 Sb., o územním plánování a stavebním řádu (stavební zákon) a jeho vyhláškách (např. o technických požadavcích na stavbu) V zákoně o hospodaření energií ve znění pozdějších předpisů Splnění požadavků nemusí být vždy snadné, zejména v kontextu požadavků z dalších oblastí (statika, akustika, denní osvětlení). 5

6 Tepelně technické požadavky Požadavky stavební tepelné techniky lze obecně rozdělit na: Ochrana uživatelů budov (požadavky na zdravé prostředí a komfort) Ochrana stavebních konstrukcí (prodloužení životností konstrukcí) Ekonomie provozu (zajištění nízkých provozních nákladů) Ochrana vnějšího prostředí (ochrana životního prostředí) Tepelně technická kritéria zohledňují fyzikální děje v konstrukcích: Šíření tepla konstrukcí Šíření vlhkosti konstrukcí (kondenzace vodní páry uvnitř k-ce) Šíření vzduchu konstrukcí (průvzdušnost, větrání) Tepelná stabilita místností (letní a zimní období) 6

7 Tepelně technické požadavky Šíření tepla konstrukcí: Součinitel prostupu tepla Nejnižší vnitřní povrchová teplota konstrukce Lineární činitel prostupu tepla Bodový činitel prostupu tepla Pokles dotykové teploty podlahy 7

8 Součinitel prostupu tepla Součinitel prostupu tepla se hodnotí dvěma způsoby: Součinitel prostupu tepla U [W/(m 2.K)] jednotlivých konstrukcí Průměrný součinitel prostupu tepla U em [W/(m 2.K)] budovy Oba požadavky musí být splněny současně Součinitel prostupu tepla vyjadřuje, kolik tepla unikne konstrukcí o ploše 1 m 2 při rozdílu teplot jejích povrchů 1 K. Dle zákonných požadavků je nutné splnit požadované hodnoty součinitele tepla konstrukcí Doporučené hodnoty se doporučuje splnit vždy, pokud tomu nebrání technické, ekonomické či legislativní překážky. Hodnoty označené jako doporučené pro pasivní budovy se použijí při návrhu konstrukcí pro pasivní a podobné objekty. Doporučené hodnoty pro pasivní domy mají široké rozpětí. Horní hranice intervalu je určena pro větší a kompaktní budovy. Z 8

9 Součinitel prostupu tepla konstrukcí Konstrukce vytápěných budov musí mít v prostorech s návrhovou relativní vlhkostí vnitřního vzduchu i 60% součinitel prostupu tepla U [W/(m 2.K)] takový, aby splňoval podmínku: kde U U N U N je požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla Požadovaná hodnota U N se stanoví: Pro budovy s převažující návrhovou vnitřní teplotou im v intervalu 18 až 22 C včetně a pro všechny návrhové venkovní teploty podle tabulky. Převažující návrhová vnitřní teplota im [ C] odpovídá návrhové vnitřní teploty i většiny prostorů v budově nebo zóně budovy. Za budovy s převažující návrhovou vnitřní teplotou i od 18 až 22 C včetně se považují všechny obytné, občanské budovy s převážně dlouhodobým pobytem lidí. 9

10 Součinitel prostupu tepla 10

11 Součinitel prostupu tepla Pro budovy s odlišnou převažující návrhovou vnitřní teplotou ze vztahu: U N = U N,20.e 1 kde U N,20 je součinitel prostupu tepla z tabulky e 1 je součinitel typu budovy, který se stanoví ze vztahu: e 1 = 16/( im -4) kde im je převažující návrhová vnitřní teplota im [ C] e 1 [-] 1,45 1,33 1,23 1,00 0,84 0,80 0,86 0,73 0,70 0,67 11

12 Součinitel prostupu tepla Pro budovy s relativní vlhkostí vnitřního vzduchu i 60% se požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla stanoví jako nejnižší z hodnot: dle tabulky U N = U N,20.e 1 U w,n = 0,6 θ ai θ w R si θ ai θ e kde ai návrhová teplota vnitřního vzduchu ve C w teplota rosného bodu ve C e návrhová venkovní teplota ve C R si odpor při přestupu tepla na vnitřní straně k-ce ve W/(m 2 K) 12

13 Součinitel prostupu tepla U budov s odlišnými vytápěnými zónami ve smyslu ČSN EN ISO se požadavky stanovují pro každou vytápěnou zónu samostatně podle převažující návrhové vnitřní teploty vytápěné zóny. Při návrhu a posuzování konstrukcí se doporučuje uvažovat i předvídatelné změny v užívání budovy, a tím i změny převažujících teplot. Součinitel prostupu tepla by měl zahrnovat i vliv lokálních, pravidelně opakujících zhoršení izolační kvality v důsledku nepravidelnosti jako jsou prostupující nosné prvky. Hodnoty doporučené pro pasivní budovy se dále použijí jak pro nové stavby a celkové změny staveb, tak v případě celkových nebo dílčích změn. 13

14 Součinitel prostupu tepla Výpočet součinitele prostupu tepla závisí na konstrukci: Plošně homogenní konstrukce bez tepelných mostů Konstrukce s tepelnými mosty Pro plošně homogenní konstrukce bez vlivu tepelných mostů se součinitel prostupu tepla U [W/(m 2.K)] vypočte podle vztahu: U = 1/R T kde R T je odpor při prostupu tepla [(m 2.K)/W] R T = R si + R + R se R = σ d j λ j kde R je tepelný odpor konstrukce [(m 2.K)/W] R si je odpor při přestupu tepla na vnitřní straně k-ce [(m 2.K)/W] R se je odpor při přestupu tepla na vnější straně k-ce [(m 2.K)/W] d je tloušťka vrstvy materiálu [m] je součinitel tepelné vodivosti dílčí vrstvy materiálu [W/(m.K)] 14

15 Součinitel prostupu tepla Konstrukce se systematickými tepelnými mosty Místa v konstrukci ve kterých dochází ke zvýšenému úniku tepla Vliv tepelných mostů v konstrukci je nutné zahrnout do výpočtu V případě, že je souhrnný vliv tepelných mostů 5% lze vliv tepelných mostů zanedbat. Kritickou chybou je stanovení součinitele prostupu tepla pouze v ideálním výseku konstrukce bez vlivu systematických tepelných mostů. 15

16 Požadavky tepelné ochrany budov Výpočet součinitele prostupu tepla U s vlivem tepelných mostů Nesystematické tepelné mosty Metody charakteristických TM Systematické tepelné mosty Metody charakteristického výseku Přibližná metoda výpočtu Přesná metoda výpočtu Metoda řešením teplotního pole Fokinova metoda Metoda ekv pro nehomogenní vrstvu Metoda horní a dolní meze 16

17 Průměrný součinitel prostupu tepla Průměrný součinitel prostupu tepla U em [W/(m 2.K)] budovy nebo vytápěné zóny budovy musí splňovat podmínku: U em U em,n kde U em,n je požadovaná hodnota průměrného součinitele prostupu tepla. Požadovaná hodnota U em,n návrhové vnitřní teplotě: se stanová v závislosti na převažující Pro budovy s převažující návrhovou vnitřní teplotou 18 až 22 C podle tabulky Pro budovy s odlišnou převažující návrhovou vnitřní teplotou ze vztahu: U em,n = U em,n,20.e 1 17

18 Průměrný součinitel prostupu tepla Požadovaná hodnota U em,n se stanoví výpočtem pro každý hodnocení případ metodou referenční budovy, nejvýše je však rovna tabulkové hodnotě. Referenční budova je virtuální budova, která: Má stejné rozměry a stejné prostorové uspořádání Plní stejný účel a má shodné umístění Plochy obálky budovy tvoří konstrukce s normovými požadovanými hodnotami součinitele prostupu tepla Doporučená hodnota U em,n se stanoví ze vztahu: U em,rec = 0,75.U em,n Doporučené hodnoty se uplatní tam, kde tomu nebrání technické ani ekonomické překážky. 18

19 Průměrný součinitel prostupu tepla Požadované hodnoty pro budovy s převažující návrhovou vnitřní teplotou 18 až 22 C včetně, kde tomu nebrání technické ani ekonomické překážky 19

20 Průměrný součinitel prostupu tepla Pro pasivní budovy se uplatní tabulka 20

21 Nejnižší povrchová teplota Hodnotí se v poměrném tvaru jako teplotní faktor vnitřního povrchu f Rsi [-] Splnění normového požadavku se zabrání povrchové kondenzaci i možnému riziku vzniku plísní, které se mohou objevit na konstrukci již při 80 % povrchové relativní vlhkosti. V zimním období musí konstrukce v prostorech s relativní vlhkostí vnitřního vzduchu i 60 % vykazovat v každém místě teplotní faktor vnitřního povrchu podle vztahu: f Rsi f Rsi,N = f Rsi,cr kde f Rsi,N je kritický teplotní faktor vnitřního povrchu [-] f Rsi,cr je požadovaná hodnota nejnižšího teplotního faktoru vnitřního povrchu [-] 21

22 Lineární a bodový činitel prostupu Obě veličiny vyjadřují navýšení tepelného toku v místě tepelné vazby (bodová nebo lineární) mezi konstrukcemi. Činitele vyjadřují kolek tepla ve W prochází při jednotkové teplotním rozdílu jednotkovou délkou tepelné vazby Význam hodnocení tepelných vazeb narůstá se snižování prostupu tepla jednotlivými konstrukcemi zejména u nízkoenergetických a pasivních domů. Pro tyto konstrukce je třeba optimalizované řešení detailů vzájemného spojení konstrukcí z hlediska prostupu tepla. Lineární a bodový činitel prostupu tepla musí splňovat: ψ k ψ k,n (W/(m.K) χ k χ k,n (W/K) 22

23 Lineární a bodový činitel prostupu Požadované a doporučené hodnoty lineárního a bodového činitele prostupu tepla tepelných vazeb mezi konstrukcemi: 23

24 Lineární a bodový činitel prostupu 24

25 Lineární a bodový činitel prostupu Pokud je návrhem i provedením zaručeno, že působení tepelných vazeb mezi konstrukcemi je menší než 5 % nejnižšího součinitele prostupu tepla navazujících konstrukcí, pak se splnění požadované normové hodnoty lineárního a bodového činitele prostupu tepla v těchto stycích nemusí hodnotit. Souhrnné působení tepelných vazeb je menší než 5 % obvykle v těch případech, kdy hlavní tepelněizolační vrstva ve stycích mezi konstrukcemi navazuje souvisle, nemá výrazná zeslabení tloušťky a neprochází jí vodivější prvky. 25

26 Hodnocení podlahových konstrukcí Hodnocení podlahových konstrukcí z hlediska odnímatelnosti tepla charakterizující požadavky na komfort vnitřního prostředí při kontaktu chodidla s podlahou. Podlahy lze z hlediska poklesu dotykové teploty podlahy 10,N do kategorií členit: Kategorie podlahy Pokles dotykové teploty 10,N [ C] I. Velmi teplé do 3,8 včetně II. Teplé III. Méně teplé do 5,5 včetně do 6,9 včetně IV. Studené od 6,9 26

27 Hodnocení podlahových konstrukcí Pro zatřízení do odpovídající kategorie musí být splněna podmínka poklesu dotykové teploty 10 [ C]: 10 10,N kde 10,N je požadovaná hodnota poklesu dotykové teploty dle tabulky. Požadavek se nemusí ověřovat u podlah s trvalou nášlapnou vrstvou z textilní podlahoviny a u podlah s povrchovou teplotou trvale vyšší než 26 C. Tyto podlahy jsou zařazeny do kategorie I. Podle účelu budovy a místnosti jsou stanoveny požadované a doporučené kategorie podlah z hlediska poklesu dotykové teploty. Pokles dotykové teploty podlahy 10 se stanoví na základě tepelné jímavosti podlahy B a vnitřní povrchové teploty si. Pro podlahy s podlahovým vytápěním se pokles dotykové teploty 10 stanovuje a ověřuje pro vnitřní povrchovou teplotu si stanovenou bez vlivu vytápění. 27

28 Kategorie podlah 28

29 Šíření vlhkosti Normou definovaným výpočtovým postupem se zjišťuje při standardních zimních podmínkách výskyt kondenzace vodní páry ve skladbě konstrukce. Pokud ke kondenzaci nedochází, je konstrukce vyhovující. Pokud ke kondenzaci dochází, můžeme konstrukci považovat za vyhovující pokud: Kondenzát nemůže ohrozit požadovanou funkci konstrukce Množství kondenzátu není velké Roční bilance dokládá, že v průběhu let nemůže dojít ke hromadění vlhkosti v konstrukci 29

30 Šíření vlhkosti Ohrožením požadované funkce je: Zkrácení předpokládané životnosti konstrukce Snížení vnitřní povrchové teploty konstrukce vedoucí ke vzniku plísní Objemové změny a výrazné zvýšení hmotnosti konstrukce Zvýšení hmotnostní vlhkosti materiálu způsobující jeho degradaci Při zabudování dřeva nebo materiálů na dřevěné bázi do stavební konstrukce je nutné dodržet povolenou maximální vlhkost. Při překročení rovnovážné vlhkosti dřeva (18%) je požadovaná funkce konstrukce ohrožena. Požadavky na šíření vlhkosti a kondenzaci uvnitř konstrukce se uplatňují pro vnější i vnitřní konstrukce s výjimkou konstrukcí přilehlých k zemině a prokazují se bilančním měsíčním výpočtem. 30

31 Šíření vlhkosti Zkondenzována vodní pára uvnitř konstrukce Splnění požadavku je určeno zejména pro konstrukce s dřevěnými prvky nebo organickými materiály, ve kterých by případná kondenzace vodní páry uvnitř konstrukce mohla způsobit poškození a ohrozit funkci konstrukce: M c = 0 V ostatních stavebních konstrukcích, kde kondenzace vodní páry uvnitř konstrukce neohrozí její funkci, lze připustit omezené roční množství zkondenzované vodní páry: M c M c,n kde M c je množství zkondenzované vodní páry uvnitř konstrukce v kg/(m 2.a) M c,n je maximální normová hodnota množství zkondenzované vodní páry uvnitř konstrukce v kg/(m 2.a) 31

32 Šíření vlhkosti Zkondenzována vodní pára uvnitř konstrukce Maximální normová hodnota M c,n se stanoví: Pro jednoplášťové střechy, konstrukce s vnějším tepelně izolačním systémem, vnějším obkladem nebo konstrukci s difuzně málo propustnými konstrukcemi jako nižší z hodnot: M c,n = 0,10 kg/(m 2.a) 3 % plošné hmotnosti materiálu, ve kterém dochází ke kondenzaci vodní páry, je-li jeho objemová hmotnost vyšší než 100 kg/m 3 ; pro materiál s objemovou hmotností nižší než 100 kg/m 3 se použije 6 % jeho plošné hmotnosti. Pro ostatní konstrukce jako nižší z hodnot: M c,n = 0,50 kg/(m 2.a) 5 % plošné hmotnosti materiálu, ve kterém dochází ke kondenzaci vodní páry, je-li jeho objemová hmotnost vyšší než 100 kg/m 3 ; pro materiál s objemovou hmotností nižší než 100 kg/m 3 se použije 10 % jeho plošné hmotnosti; 32

33 Šíření vlhkosti Roční bilance kondenzace a vypařování vodní páry V průběhu roku nesmí v konstrukci s připuštěnou omezenou kondenzací vodní páry zůstat řádné zkondenzované množství vody páry, které by trvale zvyšovalo vlhkost konstrukce a zhoršovalo tepelně izolační vlastnosti konstrukce. Pro roční bilanci platí podmínka: M c M ev kde M ev je množství vypařitelné vodní páry uvnitř konstrukce v kg/(m 2.a) 33

34 Šíření vzduchu konstrukcí a budovou Celková průvzdušnost obálky budovy Hodnoty na úrovni I se doporučuje splnit vždy Hodnoty na úrovni II se doporučuje splnit přednostně 34

35 Šíření vzduchu konstrukcí a budovou Zpětné získávání tepla při nuceném větrání V případě, že je u novostaveb z hygienických a provozních důvodů celková intenzita větrání v budově vyšší než n = 1 h -1 po dobu nejméně 8 hodin denně, doporučuje se osazení účinného zařízení ke zpětnému získávání tepla z odpadního vzduchu s ověřenou celkovou účinností 60 %. 35

36 Hodnocení tepelné stability Tepelná stabilita místností se hodnotí zvlášť pro: Zimní období Letní období V zimním období je kriteriálním hlediskem: Pokles výsledné teploty v místnosti v(t) ve C V letním období je kritériem: Nejvyšší denní vzestup teploty vzduchu ai,max ve C Nebo nejvyšší denní teplota vzduchu v místnosti ai,max ve C 36

37 Hodnocení tepelné stability Požadavek na tepelnou stabilitu místnosti v zimním období Tepelná stabilita v zimním období se posuzuje zejména pro místnosti s přerušovaným nebo tlumeným vytápěním. Kritická místnost (vnitřní prostor) musí na konci dob chladnutí t vykazovat pokles výsledné teploty v místnosti v zimním období v(t) [ C] dle vztahu: v(t) v,n(t) kde v,n(t) požadovaná hodnota poklesu výsledné teploty v místnosti v zimním období Hodnocení předpokládá, že výkon otopné soustavy v době chladnutí je nulový. 37

38 Hodnocení tepelné stability Požadavek na tepelnou stabilitu místnosti v zimním období Požadované hodnoty poklesu výsledné teploty v místnosti 38

39 Hodnocení tepelné stability Požadavek na tepelnou stabilitu místnosti v letním období Dodržení požadavku zabraňuje přehřívání v letním období Kritická místnost (vnitřní prostor) musí vykazovat nejvyšší denní teplotu vzduchu v místnosti v letním období ai,max, ve C, podle vztahu: ai,max ai,max,n kde ai,max,n je požadovaná hodnota nejvyšší denní teploty vzduchu v místnosti v letním období, ve C, která se stanoví podle tabulky. 39

40 Tepelně technické posouzení Typ konstrukce Střecha jednoplášťová Střecha dvouplášťová Podlaha z hlediska poklesu dotykové teploty 40

41 Hodnocení tepelné stability Okrajové podmínky výpočtu Nápověda F1 (výběr z možností) Střecha jednoplášťová Rsi = 0,10 m2/w Rse = 0,04 m2/w Střecha dvouplášťová Rsi = 0,10 m2/w Rse = 0,10 m2/w Stěna jednoplášťová Rsi = 0,13 m2/w Rse = 0,04 m2/w Stěna dvouplášťová Rsi = 0,13 m2/w Rse = 0,13 m2/w Podlaha na terénu Rsi = 0,17 m2/w Rse = 0,00 m2/w Stěna suterénní Rsi = 0,13 m2/w Rse = 0,00 m2/w 41

42 Tepelně technické posouzení Okrajové podmínky výpočtu V případě konstrukce ve styku se zeminou 42

43 Tepelně technické posouzení Posouzení podlahy na terénu Standardně posouzení pouze po vrstvu hydroizolace (včetně) Nezadává se V případě TI po vrstvou hydroizolace, je možné započítat vliv TI pokud je tepelná izolace nenasákavá 43

44 Tepelně technické posouzení Kontrola vstupních dat 44

45 Tepelně technické posouzení Korekční součinitel prostupu tepla ΔU F1 (případně F2 pro započtení vlivu obrácené střechy) 45

46 Tepelně technické posouzení Započítání vlivu systematických tepelných mostů (ekv. lambda) F2 F2 46

47 Tepelně technické posouzení Výpočet součinitele tepelné vodivosti nehomogenní vrstvy 47

48 Tepelně technické posouzení Započítání vlivu perforace parozábrany F2 48

49 Tepelně technické posouzení Výpočet faktoru mechanicky upevněné parozábrany 49

50 Tepelně technické posouzení Výpočet Protokol - Vyhodnocení ČSN

51 Dotazy či připomínky: NPS Děkuji za pozornost Ing. Michal Kraus, Ph.D. 51