Ešte nedávno bola tepelná akumulácia obvodového múru považovaná za nevyhnutnosť, bez ktorej nedocielime stabilnú vnútornú teplotu pri kolísaní vonkajších teplôt alebo pri prerušovanej dodávke tepla.
S nástupom ľahkých montovaných stavieb vrátane drevostavieb, pri ktorých nemožno extrémnu tepelnú akumuláciu obvodových stien ľahko docieliť, bol jej význam zrelativizovaný. Výrobcovia a dodávatelia drevostavieb hovoria, že tepelná akumulácia je pri ich stavbách zbytočná, alebo že je dokonca na závadu (a to všeobecne pri všetkých typoch konštrukcií): Silne akumulujúce stavby vraj pohltia príliš veľa tepla, ktorým sa bez úžitku vykuruje dom aj v čase, kedy sú bývajúci mimo domova, napr. v práci alebo deti v škole.
Drevostavby, ktorých výstavba je u nás plne podporená technickými, vykonávacími a právnymi predpismi, zamiešali naším tradičným vnímaním dôležitosti tepelnej akumulácie. Ak je tepelná akumulácia zbytočná pri drevostavbách, prečo by mala pri tradičných ťažkých stavbách hrať dôležitú úlohu?
Čo je tepelná akumulácia?
Tepelná akumulácia vyjadruje mieru stavebnej konštrukcie alebo stavby poňať alebo vydať teplo pri náraste, resp. poklese jej teploty. S tým súvisia pojmy teplotná zotrvačnosť alebo teplotná stabilita budovy, ktorá je vystavená striedaniu vonkajšej teploty.
U ťažkých zateplených stavieb záleží na umiestnení tepelnej izolácie: Ak je izolácia umiestnená na vonkajšej strane, dochádza k stabilizácii vnútornej teploty. Naopak vnútorná tepelná izolácia vedie po vypnutí vykurovania či chladenia k rýchlemu nábehu vnútornej teploty na úroveň teploty obvodovej steny za izoláciou.
Došlo k tomu, že ľudia chápu tepelnú akumuláciu obvodovej steny ako výberový parameter, nie ako nevyhnutnosť alebo povinnosť, skrátka akceptujú aj „kamennú" stenu v „neakumulujúcom" podaní, tj. s vnútornou izoláciou. Napríklad vtedy, keď je vonkajšia izolácia pri zateplení ťažko riešiteľná, alebo má byť zachovaný pevný a tuhý, napr. kamenný charakter fasády. Alebo z iných dôvodov.
Naopak aj ľahké obvodové steny drevostavby je možné pomerne ľahko riešiť pomocou ťažkých vnútorných doskových obkladov, aby akumulovali dostatok tepla pre zabezpečenie dobrej zotrvačnosti povrchovej teploty pri bežnom pobytovom režime.
Meranie a hodnotenie tepelnej akumulácie
Najjednoduchšie je možné tepelnú akumulácia obvodovej steny a jej vplyv na vnútornú teplotnú stabilitu vyjadriť pomocou tepelnej kapacity, resp. jej pomernej časti vztiahnutej na jednotku plochy steny (plošné tepelné kapacity). Tepelná kapacita je množstvo tepla, ktoré stena pohltí alebo vydá pri ohriatí resp. ochladení o jeden °C (alebo jeden kelvin, K). Napt. betónová stena v hrúbke 20 cm má plošnú tepelnú kapacitu:
kde
C je tepelná kapacita jednotky plochy steny v J/(m²·K),
c = 840 J/(kg·K) je špecifická tepelná kapacita betónu,
ρ = 2000 kg/m³ je objemová hmotnosť betónu a
d = 0,2 m je hrúbka betónovej steny.
Podobne je možné z tabuľkových materiálových konštánt1 spočítať plošnú tepelnú kapacitu iných vrstiev tej istej hrúbky 20 cm. Napr.: pre drevenú stenu je C = 301,2 kJ/(m²·K), pre pórobetón je C = 67,2 kJ/(m2·K), pre polystyrén je C = 10,57 kJ/(m²·K) atď. Vrstvy je možné skladať a kombinovať. Konštrukcia v hrúbke 400 mm zložená z vyššie uvedených vrstiev betónu a polystyrénu bude mať plošnú tepelnú kapacitu 346,57 kJ/(m²·K) a tak by sa dalo pokračovať.
Ako funguje akumulácia
Ohriata stena odovzdáva akumulované teplo chladnému vnútornému vzduchu napr. po intenzívnom vetraní alebo po prerušení dodávky tepla v prípade, že je vnútorný vzduch rýchlo ochladzovaný tepelnými únikmi skrz okná. Akumulácia zabezpečí, že pri poklese vonkajšej teploty nedôjde k citeľnému ochladeniu vnútorného povrchu steny, bez toho aby stačila reagovať zvýšeným výkonom vykurovacia sústava.
Avšak samotná znalosť tepelnej kapacity konštrukcie je pre odhad jej vplyvu na teplotnú zotrvačnosť nepohodlná. Po väčšinu roka je totiž obvodová konštrukcia ohriata nerovnomerne, pretože prenáša teplotný spád medzi vnútorným a vonkajším prostredím, ktorý môže byť v zime aj viac než 40 °C. K stabilizácii vnútornej teploty akumulovaným teplom môže tak prispieť len časť konštrukcie na vnútornom povrchu. Miesta blízke vonkajšiemu povrchu akumulujú v zime „chlad“ a v lete bývajú naopak rozpálené slnkom na teplotu, ktorá je pre pobyt nepohodlná. Podstatnú úlohu tu zohráva rýchlosť, s akou môže teplo unikať z konštrukcie von (väčšinou bez úžitku) alebo dovnútra (s významom pre teplotnú stabilizáciu).
U stien zložených z ťažkej vrstvy (betón, tehla) a ľahkej (tepelná izolácia) sa v izolácii realizuje teplotný spád medzi vonkajším a vnútorným prostredím, zatiaľ čo ťažká vrstva akumuluje teplo v teplote priľahlého prostredia, ustálenú vnútornú teplotu a maximálnym spôsobom prispieva k stabilizácii vnútornej teploty. Najmä tým, že teplo uniká zle cez tepelnú izoláciu von. Ak je naopak izolácia umiestnená na vnútornej strane, potom vonkajšia ťažká akumulačná vrstva je v zime studená a v lete naopak rozpálená. To k stabilizácii vnútornej teploty na požadovanej úrovni neprispieva, situáciu to len zhoršuje.
Mohlo by sa zdať, že ťažké murivo, tepelne izolované zvnútra a tiež ľahké steny drevostavieb vyplnené tepelným izolantom nedokážu stabilizovať vnútornú teplotu a zaistiť pocit tepelnej pohody. V praxi to tak byť nemusí. Napríklad sadrovláknité, sadrokartónové alebo drevoštiepkové dosky, umiestnené na vnútornej strane obvodovej steny, ponúkajú dobrú stabilizáciu vnútornej teploty.
Pre ilustráciu uveďme, že pri vnútornej povrchovej teplote 21 °C a rozdiely s vonkajšou teplotou 36 °C je u ľahčeného tehlového muriva hrúbky 45 cm v hĺbke 6,25 mm pod vnútorným povrchom teplota 16 °C, tj. o 5 °C nižšia než na povrchu. Táto 6,25 cm hrubá povrchová vrstva akumuluje 105 kJ/m2 tepla, ktoré (najvyššie) môže byť odovzdané studenému vnútornému vzduchu v teplote pod 16 °C (napr. po vyvetraní).
Dvojitá doska sadrokartónu v hrúbke 2,4 cm, umiestená na vnútornej strane ľahkej steny, má (vďaka hrubej vrstve tepelnej izolácie) celej hrúbke konštantnú teplotu (cca 21 °C) a akumuluje viac než 99 kJ/m² tepla, využiteľného pre akumulačný ohrev vzduchu za podmienok ako u predošlého príkladu. Trojitá sadrokartónová doska za rovnakých predpokladov akumuluje už 148 kJ/m² a vykazuje v niektorých situáciách už väčšiu teplotnú zotrvačnosť, než jednovrstvové tehlové murivo.
Relaxačná doba
Pre lepší popis schopnosti steny stabilizovať vnútornú teplotu bola v [1] definovaná tzv. relaxačná doba τ0. Ak sa konštrukcia nachádza v ustálených podmienkach (teploty sa nemenia s časom) a ak náhle dôjde k prerušeniu dodávky tepla, začne od tohto okamžiku vnútorná povrchová teplota klesať s rýchlosťou:
kde konštanta τ0 je relaxačná doba, τ je čas meraný od prerušenia dodávky tepla, dt/dτ je rýchlosť poklesu vnútornej povrchovej teploty v K/s v okamžiku prerušenia tepelného toku na vnútornej strane (τ→0), ΔT je rozdiel vnútornej a vonkajšej teploty v okamžiku prerušenia. Ak predpokladáme, že priebeh teplôt v konštrukcii sa v každom okamžiku blíži alebo rovná stacionárnym podmienkam, môžeme konštantu vnútornej a vonkajšej teploty v okamžiku prerušenia. Ak predpokladáme, že priebeh teplôt v τ0 vypočítať z hrúbky d a materiálových konštánt jednotlivých vrstiev. Pre jednovrstvovú konštrukciu je:
kde τ0 je relaxačná doba, d je hrúbka vrstvy a a = λ/(ρc) je súčiniteľ teplotnej vodivosti v m2/s. Pre konštrukciu zloženú z dvoch vrstiev je:
kde index 1 sa vyťahuje k vnútornej vrstve a index 2 k vonkajšej. Pre konštrukciu o n rôznych zložených vrstvách je:
Takto definovaná relaxačná doba τ0 má proti plošnej tepelnej kapacite dve zásadné prednosti:
• Je nepriamo úmerná rýchlosti chladnutia vnútorného povrchu, bezprostredne po zastavení príkonu tepla pri zotrvalej vonkajšej teplote. Je teda pre účely posudzovania teplotnej zotrvačnosti výstižná. Čím je τ0 väčšia, tým je pomalšie chladnutie, viď (1). Z vypočítanej hodnoty relaxačnej doby si je možné urobiť okamžitú predstavu o teplotnej zotrvačnosti steny.
• U viacvrstvých konštrukcií je relaxačná doba (vďaka zmiešaným členom, viď (2) a (3)) nesymetrickou funkciou, ktorej hodnota závisí na poradí jednotlivých vrstiev. Napr. relaxačná doba súvrstvia i-beton(200 mm)-EPS(200 mm)-e je τ0(b,p) = 481 hodín, zatiaľ, čo pri obrátenom poradí, kde je izolant umiestnený vnútorne, je τ0(p,b) = 14 hodín.
Ďalšou prednosťou relaxačnej doby je, že ide o jednočíselný parameter, ktorý je možné ľahko spočítať z bežne dostupných údajov. Je však vykúpená nepresnosťou, ktorá plynie z predpokladu "stacionárneho" chladnutia. Aj s touto výhradou je možné pomocou relaxačnej doby rýchlo a dobre porovnávať teplotne zotrvačné vlastnosti rôznych konštrukcií. Presnejšie kvantitatívne stanovenie teplotnej zotrvačnosti v celom časovom úseku do ustálenia teplôt je možné už len priamym riešením rovnica vedenia tepla, ktorá však nemá žiadne analytické riešenia bez ohľadu na obtiažnosť určenia okrajových podmienok.
Príklady niektorých stenových zostáv
V poslednej časti tohto príspevku uvedieme príklady odozvy vnútornej povrchovej teploty na prerušenie príkonu tepla (pri konštantnej vonkajšej teplote) a skokové zníženie vonkajšej teploty (pri konštantnom príkone tepla) pre vybrané dvojvrstvové steny. Výpočty boli vykonané numerickým riešením jednorozmernej rovnice pre vedenie tepla. Riešenie dvoj- resp. trojrozmernej rovnice, ktoré popisujú detaily (na styku dvoch resp. troch stien), neprinášajú už do našich úvah novú kvalitu.
Počiatočné podmienky sú definované ako ustálený teplotný stav s vnútornou teplotou 21 °C a vonkajšou -15 °C.
Okrajové podmienky na vnútornom povrchu sú definované konštantným tepelným tokom, ktorý vstupuje do konštrukcie. Tzn. konštantným teplotným gradientom tesne pod vnútorným povrchom steny. Ten je buď nulový (reprezentuje nulový príkon tepla, tj vypnuté vykurovanie) alebo je rovnaký ako v ustálených podmienkach (zapnuté vykurovanie s konštantným výkonom). Na vonkajšom povrchu sú okrajové podmienky dané iba teplotou, buď -15 °C alebo -25 °C po skokovom poklese vonkajšej teploty o 10 °C.
i-betón(150)-XPS(200)-e
Prvá zostava je betónový múr hrúbky 150 mm, ktorý je z vonkajšej strany izolovaný penovým polystyrénom hrúbky 200 mm. Relaxačná doba je 396 hodín, teda extrémne veľká. Je teda možné čakať, že rýchlosť chladnutia vnútorného povrchu bude veľmi malá. To potvrdzuje krivka chladnutia na obr. 1, ktorá znázorňuje pokles vnútornej povrchovej teploty po vypnutí vykurovania pri trvalej vonkajšej teplote -15 °C. Za 8 hodín po vypnutí vykurovania poklesne teplota z 21 °C iba na 19,88 °C.
Ešte výraznejšie sa táto mohutne akumulujúca konštrukcia prejaví pri druhej „skúške", kedy pri zotrvalom výkone skokovo poklesne vonkajšia teplota o 10 °C. Za 8 hodín poklesne teplota len na 20,86 °C. Dodajme, že z okrajových podmienok v oboch prípadoch plynie, že stena je ochladzovaná len únikmi tepla skrz seba a nie ochladzovaním zvnútra.
i-XPS(200)-SDK(24)-e
Ako ďalšiu, síce veľmi hypotetickú, ale ilustračnú, uvedieme obvodovú stenu z vrstvy polystyrénu hrúbky 200 mm, ktorá je z vonku doplnená dvojitou doskou sadrokartónu hrúbky 24 mm. Relaxačná doba takéhoto súvrstvia je 7,3 hodín a na obr. 2 je znázornený priebeh chladnutia vnútorného povrchu po prerušení vykurovania. Za 8 hodín poklesne vnútorná povrchová teplota z 21 °C na -6,708 °C. Pri skokovom poklese vonkajšej teploty o 10 °C poklesne za 8 hodín vnútorná teplota o 6,46 °C, teda na 14,54 °C.
i-SDK(24)-XPS(200)-e
Oveľa reálnejšia je obrátená zostava s dvojitým sadrokartónom hr. 24 mm na vnútornej strane polystyrénovej steny hr. 200 mm. Relaxačná doba je 34,4 hodín. Sadrokartón umiestnený z vnútornej strany pôsobí výrazne na teplotnú zotrvačnosť vnútornej povrchovej teploty steny, ktorá je zložená hlavne z úplne neakumulujúceho polystyrénu. Za 8 hodín po vypnutí vykurovania poklesne teplota z 21 °C na iba 11,46 °C (obr. 3). Reakcia tejto steny na skokový pokles vonkajšej teploty o 10 °C pri trvalom vykurovaní je ešte prekvapivejšia: vnútorná povrchová teplota sa zníži za 8 hodín o 1,89 °C na 19,108 °C (!), ako ukazuje obr. 4 a v detaile obr. 5. Na detaile je tiež vidieť, že ešte hodinu po vypnutí vykurovania je povrchová teplota stále ako na začiatku (presnejšie na hodnote 20,994 °C). Pre znateľné zvýšenie teplotne zotrvačných vlastností steny je možné zvýšiť hrúbku vnútornej dosky. Pri trojitom sadrokartóne hr. 36 mm je za rovnakých 8 hodín po vypnutí vykurovania povrchová teplota už 14,02 °C, čo je síce menej ako pri tehlovej ľahčenej stene hr. 450 mm (17,54 °C), ale oveľa viac ako pri "silne akumulujúcom" jednovrstvovom betónovom múre hr. 450 mm (7,3 °C).
Záver
Sadrokartón alebo sadrovláknité dosky (prípadne aj doskové materiály na báze dreva) umiestnené z vnútornej strany poskytnú ľahkým stenám vyplneným tepelným izolantom dostatočnú tepelnú akumuláciu na to, aby tieto steny vykazovali dobrú zotrvačnosť vnútornej priestorovej a povrchovej teploty. Tá sa môže priblížiť hodnotám ťažkých jednovrstvových murív; pre znateľné zvýšenie teplotne zotrvačných vlastností steny je možné zvýšiť hrúbku vnútornej dosky, najlepšie viacvrstvovou aplikáciou základnej sadrokartónovej alebo sadrovláknitej dosky.
Okázalé upozorňovanie (niekedy aj od uznávaných špecialistov) na malú alebo žiadnu tepelnú akumuláciu ľahkých stien nie je príliš múdre a zbytočne znižuje hodnotu drevostavieb. Jednak preto, že tepelná akumulácia sama o sebe nie je subjektívne nijako pociťovaná. A za druhé preto, že teplotná zotrvačnosť, ktorú užívateľ pociťuje, je pri ľahkých stavbách dobre docieľovaná kombináciou dobre akumulujúcich vnútorných dosiek a veľmi malých strát tepla prestupujúceho obvodovou stenou von. A nie len dlhou dobou, počas ktorej sa ťažké, silne akumulujúce vrstvy (aj v miestach vzdialených od vnútorného povrchu) „nabíjajú“ teplom alebo sa tepla zbavujú.
Literatúra:
[1] Jiří Hejhálek: Setrvačnost vnitřní povrchové teploty obvodových konstrukcí, Stavebnictví a interiér 2/2001, str. 56
________________________________________1 Pre všetky výpočty sme použili tieto materiálové konštanty:
Sadra - špecifické teplo c = 1100 J/(kg·K), súč. tepelnej vodivosti λ = 0,17 W/(m·K), objemová hmotnosť ρ = 750 kg/m3. Betón - c = 840 J/(kg·K), λ = 1,30 W/(m·K), ρ = 2000 kg/m³. Penový polystyrén - c = 1520 J/(kg·K), λ = 0,04 W/(m·K), ρ = 35 kg/m³. Drevo - c = 2510 J/(kg·K), λ = 0,17 W/(m·K), ρ = 600 kg/m³.
