Snížení spotřeby primární energie v budovách s využitím ISO nosníků a akumulace tepla

• Foto

Program 20-20-20 má za cíl do roku 2020 snížení spotřeby energie na vytápění, větrání, chlazení, osvětlení a teplou vodu o 20 %, snížení emisí skleníkových plynů o 20 % a zvýšení podílu obnovitelných zdrojů energie o 20 % v porovnání s rokem 1990. Evropské komise předpokládá, že většina zemí EU bude mít v letech 2015 až 2020 přijata pravidla pro výstavbu nových budov s téměř nulovou spotřebu energie. Podle Směrnice evropského parlamentu a rady 2010/31/EU [1] musí členské státy zajistit, aby do 31. prosince 2020 všechny nové budovy byly budovami s téměř nulovou spotřebou energie a po dni 31. prosince 2018 nové budovy užívané a vlastněné orgány veřejné moci byly budovami s téměř nulovou spotřebou energie.

Pro výstavbu budov s téměř nulovou spotřebou energie je třeba kromě jiných opatření, navrhnout co nejlépe tepelně izolovanou obálku budovy včetně všech konstrukčních detailů a také pokud možno využít energie z obnovitelných zdrojů, např. energie slunečního záření. Jedním z typických detailů stavebních konstrukcí je detail řešení vyložení balkonové desky. Během 30. let 20. století došlo k rozšíření stavby balkonů zejména u větších bytových domů. Lze říci, že se jednalo převážně o železobetonové nosníky konzolové nebo s převislým koncem. Typické provedení konzolové balkonové desky je znázorněno na obr. 1. V současné době se v rámci regenerace bytového fondu provádí zateplení fasád a výměna výplní otvorů, avšak tepelný most v místě vyložené železobetonové desky není možné technicky odstranit.

Další konstrukční variantou byly konzolové nosníky z ocelových profilů, mezi kterými byla provedena žebírková vodorovná konstrukce. Pro období poválečné historie je typické projektování balkonů u panelových objektů formou železobetonových desek nebo zavěšených ocelových balkonů. V souvislosti se zpřísněním požadavků na tepelnou ochranu budov dochází i v naší zemi od 90. let 20. století k zvýšení zájmu o řešení stavebních detailů z hlediska stavební tepelné techniky. V tomto období se začínáme setkávat s prvními instalacemi tzv. ISO-nosníků na stavbách v České republice. Výhodou tohoto řešení je mimo jiné estetické hledisko. Vyložená konstrukce má stejný vzhled jako klasická železobetonová deska, přerušení tepelného mostu probíhá v úrovni zateplení věnce nebo kontaktního zateplovacího systému.

V současné době se zejména u nízkoenergetických nebo energeticky pasivních bytových domů začíná ve zvýšené míře objevovat jiný způsob řešení předsazených konstrukcí. Ten spočívá ve výstavbě samonosné konstrukce s vlastním základem. V tomto případě je ocelová nebo betonová nosná konstrukce pouze bodově připojena k objektu, čímž dochází k významnému omezení případných tepelných mostů v obvodovém plášti budovy. Na obr. 2 je ukázka dodatečně zbudované lodžie z ocelových pozinkovaných prvků, která je založena na vlastním základu. Obdobný typ konstrukce lze s výhodou uplatnit u novostaveb ať už pro lodžie nebo pro vytvoření pavlačí u energeticky pasivních domů.

Současně s minimalizací tepelných ztrát tepelnými mosty je možné zvýšit energetickou efektivitu budov tím, že stavební konstrukce využijeme pro přímou nebo nepřímou akumulaci energie slunečního záření. V objektech s masivními konstrukcemi lze uvažovat s akumulací citelného tepla v betonových nebo zděných konstrukcích. V objektech s obálkou z lehkých hmot stavebních se s výhodou může uplatnit akumulace latentního tepla při změně skupenství materiály PCMs (Phase Change Materials) integrovanými ve stavebních konstrukcích.

ŘEŠENÍ PŘERUŠENÍ TEPELNÉHO MOSTU
I v současnosti jsou předsazené konstrukce nedílnou součástí většiny staveb. Ať z důvodu estetického či praktického mají svá opodstatnění. Bohužel stejně jako jiné konstrukce i tyto prvky mají určité nevýhody. Hlavní nevýhoda vychází ze samotné podstaty těchto prvků, tj. přenesení tahové síly (ohybového momentu). Pokud není vyložená konstrukce na svém okraji podepřena, je jediným řešením, jak se vypořádat s velkým ohybovým momentem, tahové vyztužení. [2] V místě, kde dochází ke styku převislé části s částí vnitřní konstrukce, je pak značný tepelný tok. Ten vzniká z důvodu vysoké vodivosti použitých materiálů, a je tak hlavní příčinou mnoha nežádoucích efektů.

V místě tepelného mostu dochází zvýšením tepelného toku ke snížení teplot na vnitřním povrchu. Pokud došlo v místě tepelného mostu z důvodu nízkých teplot na vnitřním povrchu k růstu plísní, pak může vlivem uvolňovaných spor docházet k negativnímu ovlivňování zdraví obyvatel objektu. Proto se snažíme v nejlepší možné míře tepelné mosty omezit. Za tímto účelem byly vyvinuty tzv. ISO-nosníky. Jedná se o prvky s vloženou tepelnou izolací a tahovou výztuží řešící oba dva hlavní problémy. Dominantním prvkem, který bude tepelnou ztrátu zvyšovat a tím ovlivňovat povrchové teploty v interiéru, jsou tahové, smykové a tlačené výztuže či prvky. [4]

Z výše uvedeného textu je zřejmé, proč se snažíme tepelný vodič omezit. Jedním ze způsobů, jak toho docílit, je nahrazení stavební oceli v místě prostupu izolantem nerezovou ocelí, která má asi třetinovou tepelnou vodivost oproti běžnému typu stavební výztuže. Další výhodou je její nesporná antikorozní odolnost. [5]

Druhým způsobem je použití povlakované výztuže. Jedná se o ocelovou výztuž opatřenou vrstvou termoplastického kopolymeru. [6] Tento povlak funguje především jako antikorozní ochrana výztuže v kondenzační oblasti proti nepříznivým vlivům působícím na tuto vložku. [7][8] Tento typ ochrany používají ISO nosníky Bronze. Nespornou výhodou tohoto řešení je zachování celistvosti tahové vložky. Tato metoda se úspěšně používá i v jiných odvětvích stavebnictví.

Z popisu je zřejmé, že toto řešení znamená pro projektanty značné zjednodušení, protože není nutné jednotlivé tepelné vazby přesně vyčíslovat. U objektů, kde jsou tepelné ztráty prostupem velké (a nejedná se tedy o nízkoenergetické stavby), je toto řešení velmi častým zjednodušením a nevnáší do výpočtu velké odchylky. U objektů nízkoenergetických, resp. energeticky pasivních, však již velmi záleží na přesném stanovení každého potencionálního tepelného mostu. Zde se bez lineárního činitele prostupu tepla neobejdeme.

Zájmem projektantů je důsledná minimalizace tepelných mostů, resp. tepelných vazeb. V některých případech se to daří dobře (přetažení izolantu přes rám okenní výplně, zateplení soklové části zdiva apod.), v jiných již méně. Předsazená konstrukce je jedním z míst, kde tato systematická práce přináší své výsledky.

Protože hodnota lineárního činitele převážně vyjadřuje vztah posuzovaného tepelného mostu k převažující skladbě konstrukce, byla v našem případě pro stanovení lineárního činitele použita hodnota součinitele prostupu tepla navazující zděné konstrukce. Nebylo tedy uvažováno s vlivem ztužujícího věnce. Pokud by s vlivem železobetonového věnce uvažováno bylo, lze předpokládat, že výsledné hodnoty lineárních činitelů budou o něco příznivější.

Pokud se podíváme na graf lineárních činitelů prostupu tepla pro námi posuzované nosníky, můžeme vysledovat následující. Lineární činitele prostupu tepla jsou různé pro námi zvolené případy. Tato skutečnost je dána charakteristikou konstrukce, v níž je ISO-nosník zabudován. Jak již bylo řečeno, hodnota lineárního činitele pro variantu první je pro většinu řešení nejméně příznivá. Naopak nejlepším řešením se jeví osazení ISO-nosníku do konstrukce odpovídající variantě druhé. A to jak z pohledu nejnižší hodnoty, tak z pohledu procentuálního poměru lineárního činitele a součinitele prostupu tepla.

Fialovou výplní je znázorněna varianta bez vloženého ISO nosníku. Jak je z grafu patrné, rozdíly jsou opravdu významné. Nejlepších výsledků v tomto porovnání dosahuje nosník firmy Schöck. Toto prvenství je dáno především tím, že posuzovaný prvek je již ISO-nosník „nové“ generace, kde jsou tlaková tělíska nahrazena variantním řešením. Nutno podotknout, že v době posouzení bylo obdobné řešení dostupné i pro nosníky značek Frank a zdokonalené u firmy Halfen-Deha. I firma Bronze s. r. o. by již v této době měla používat optimalizovanou variantu dosahujících lepších výsledků. Všechna tato inovovaná řešení pak jistě budou dosahovat značně lepších hodnot. V tomto směru se lze domnívat, že s postupujícím vývojem se budou výrazné rozdíly na poli tepelných ztrát smazávat. Porovnáním těchto vylepšených nosníků se budeme do budoucna zabývat.

Protože hodnota lineárního činitele prostupu tepla nemusí každému říci, jak významný je výsledný tepelný most, připravili jsme jednoduchý příklad pro vyčíslení energetické úspory. Pro porovnání vybraných řešení jsme použili klasický rodinný dům se dvěma nadzemními podlažími. Umístili jsme jej do klimatické oblasti s návrhovou teplotou vnějšího vzduchu –15 °C a s převažující teplotou vnitřního vzduchu +20 °C. U tohoto objektu jsme zvážili všechna námi posuzovaná řešení. Do konstrukce balkónu jsme postupně vkládali jednotlivé ISO nosníky a posuzovali ekonomickou výhodnost těchto řešení oproti variantě bez tohoto prvku.

Balkónovou konstrukci jsme v tomto případě uvažovali jako 2 m širokou konstrukci, vytápění objektu bylo uvažováno zemním plynem. Na základě těchto charakteristik jsme získali hodnoty prezentované na obr. 8. Z uvedeného je zřejmé, že ač se nejedná o velké částky, jisté úspory lze vhodným řešením dosáhnout. Z tohoto pohledu je dobré při koupi těchto prvků pečlivě vybírat a sledovat i „poměr ceny a výkonu“. Vhodnou rozvahou je možné snížit pořizovací náklady i na polovinu oproti nejdražšímu řešení. V tomto směru je jednoznačně nejvhodnější volbou nosník firmy Bronze, který dosahuje nejnižších pořizovacích nákladů a z pohledu reálné návratnosti bude zcela jistě na prvním místě.

AKUMULACE TEPLA VE STAVEBNÍCH KONSTRUKCÍCH ENERGETICKY EFEKTIVNÍCH BUDOV
Akumulace energie je tedy zásadní např. pro rozvoj přeměny elektrické nebo tepelné energie z obnovitelných zdrojů. Typickým příkladem je přeměna elektrické a tepelné energie ze slunečního záření pro krytí energetické náročnosti objektů pro bydlení.

Tepelná stabilita vnitřního prostředí v letním období převážně závisí na energetických ziscích od vnitřních zdrojů a pak zejména na tepelných ziscích ze slunečního záření, které do interiéru proniká transparentní částí výplní otvorů. Těžké stavební konstrukce (např. zdivo z cihelných bloků nebo betonových tvárnic, železobetonové konstrukce) mohou být sami o sobě využity pro akumulaci tepelné energie. Moderní administrativní budovy s prosklenými fasádami, dřevostavby a objekty s vnitřním zateplovacím systémem mají malou tepelně akumulační kapacitu. Proto se v některých případech může u těchto objektů s výhodou uplatnit akumulace latentního tepla s využitím integrovaných materiálů se změnou skupenství (Phase Change Materials – PCMs). Výhodou PCMs je skutečnost, že dokáží akumulovat tepelnou energii v úzkém teplotním intervalu. Akumulace tepla s využitím změn skupenství představuje systém s mnohem větší hustotou akumulované energie vztažené na jednotku hmotnosti. Typickým příkladem je využití pasivních solárních zisků pro snížení energetické náročnosti staveb s obalovými konstrukcemi z lehkých hmot. Vzhledem k tomu, že zde není možné pro akumulaci využívat hmotných obalových konstrukcí a navíc je nezbytné během roku udržovat vnitřní prostředí v požadovaném teplotním stavu, představuje akumulace latentního tepla jedno z možných a efektivních řešení.

PCMs integrované ve stavebních konstrukcích nacházejí dobré uplatnění všude tam, kde není možné aplikovat potřebné množství akumulační látky pro akumulaci citelného tepla. Pro objekty s nízkou kapacitou pro akumulaci citelného tepla je jedním z možných řešení integrace PCMs ve stavebních konstrukcích. Výhodou integrace PCMs ve stavebních konstrukcích je, že akumulace tepla nastává při změnách skupenství bez výrazného růstu teploty akumulačního média. Stěny, stropy a podlaha nabízí velkou plochu pro pasivní výměnu tepla mezi vnitřním prostředím a akumulačním médiem umístěným ve stavební konstrukci. Aplikace PCMs zvýší tepelně akumulační kapacitu pro pasivní solární vytápění a umožní zapojení chlazení nočním větráním a časový posun pro použití strojního chlazení [16]. Mezi nejznámější způsoby integrace PCMs ve stavebních konstrukcích lze uvést následující principy:

• impregnace stavebních materiálů;
• mikro kapsle rozptýlené ve stavebním materiálu nebo prvku;
• makro zapouzdření;
• tvarově stabilizované PCMs.

Pro ověření vlivu PCMs na vnitřní tepelné mikroklima byly v roce 2007 na Ústavu pozemního stavitelství FAST VUT v Brně vybudovány speciální testovací podkrovní místnosti. Objem vnitřního vzduchu každé testovací místnosti je 29,7 m³. V obou místnostech jsou osazena střešní okna, v šikmých částech podhledové konstrukce, u kterých je možné elektropohonem ovládat otevírání. Místnosti mají stejnou podlahovou plochu 14,9 m² a stejnou skladbu obalových konstrukcí. Obalové konstrukce každé místnosti jsou zatepleny 200 mm minerální tepelné izolace.

Dvojice testovacích místností je využívána pro komparativní měření, kdy za stejných klimatických podmínek jsou měřeny parametry vnitřního prostředí v:

• referenční místnosti, tj. v místnosti se standardní skladbou obalových konstrukcí z lehkých stavebních hmot;
• experimentální místnosti, tj. v místnosti se zabudovanými prvky obsahující zapouzdřené médium pro akumulaci latentního tepla.

Pilotní měření byla zaměřena na vyhodnocení vlivu PCMs zapouzdřených v hliníkových panelech, u kterých bylo pro osazení využito v maximální možné míře povrchu obalových konstrukcí. Schéma panelu je uvedeno na obr. 9. Hliníkové panely byly instalovány na stěny, šikmý a vodorovný podhled. Výhodou tohoto způsobu zapouzdření je obal z tepelně velmi dobře vodivého materiálu a snadná montáž na sádrokartonovou konstrukci. Instalací panelů na sádrokartonové desky však dochází k výraznému ovlivnění vzhledu obalových konstrukcí v porovnání např. s aplikací omítek s rozptýlenými mikrokapslemi s obsahem PCMs.

U instalace hliníkových panelů na stěnách experimentální místnosti byl prokázán pozitivní vliv akumulace latentního tepla na vnitřní mikroklima. V denních hodinách byla naměřena nižší operativní teplota v experimentální místnosti v porovnání s referenční. V nočních hodinách naopak docházelo k uvolňování tepelné energie, které se projevilo vyšší teplotou v experimentální místnosti. Bylo prokázáno, že pro odvod naakumulované energie je nezbytné zajistit zvýšenou intenzitu větrání v denních hodinách a zároveň zajistit, aby teplota přívodního vzduchu byla pod teplotním rozsahem změny skupenství instalovaných PCMs. To mělo za následek vyšší energetickou náročnost, nicméně energie na chlazení byla odebírána ze sítě v čase nízkého tarifu. Porovnání nejvyšších naměřených operativních teplot je uvedeno na obr. 10. V daném období byla teplota přívodního vzduchu v čase od 20 do 6 hodin upravována chladicí jednotkou. Při tomto režimu bylo dosaženo největšího efektu a i při vysokých teplotách venkovního vzduchu nebylo překročeno požadované rozmezí operativní teploty v experimentální místnosti dle [17], které je pro třídu práce „I“ 20 až 28 °C. Tento způsob aktivace akumulační hmoty má však nevýhodu v tom, že neumožňuje pobyt osob v nočních hodinách v místnostech z důvodu nízkých operativních teplot a vysoké rychlosti vzduchu. Na obr. 11 jsou pak uvedeny vypočítané vzestupy operativní teploty v obou místnostech. Vzhledem k tomu, že v denních hodinách vlivem procesu akumulace tepla v PCMs dochází ke snížení operativních teplot a v nočních hodinách vlivem uvolňování tepla do interiéru ke zvýšení operativních teplot, jeví se experimentální místnost výrazně teplotně stabilnější.

ZÁVĚR
Závěrem je možné konstatovat, že všechna námi posuzovaná řešení přerušení tepelného mostu splnila normativní požadavky. [3] Samozřejmě můžeme mezi jednotlivými výrobky nalézt rozdíly. Některé jsou svou konstrukcí odolnější oproti poškození při montáži, k některým výrobci poskytují na svých stránkách software pro snadné dimenzování. U jiných se zase setkáme s nižšími pořizovacími náklady. Záleží tedy, co při výběru preferujeme a za jakou cenu. Jako jinde i zde platí, že za vyšší „kvalitu“ si je nutné připlatit. Všechny tyto aspekty mohou stavebníkovi zpříjemnit výběr nosníku od dané značky a může tak učinit s vědomím, že při správné montáži a při technologické a uživatelské kázni nedojde k poruchám ovlivňujícím statickou či tepelně technickou funkci. Jak bylo názorně ukázáno, pasivní chlazení s využitím akumulace při skupenských změnách neumožňuje zajistit v místnosti během 24 hodin konstantní operativní teplotu, ale může při vhodném návrhu zajistit parametry tepelného mikroklimatu v rozmezí požadovaném legislativou. Pro aktivaci tepelně akumulačních materiálů PCMs v období s vyššími nočními teplotami venkovního vzduchu lze využít nočního intenzivního větrání.

Rádi bychom na závěr poděkovali za vstřícnost všem firmám, které se na posouzeních podíleli a dali nám k jejich provedení svůj souhlas. Taktéž děkujeme za kvalitní technické podklady a možnost konzultací přímo s technickými odborníky daných firem.

LITERATURA:
[1] Směrnice evropského parlamentu a rady 2010/31/EU o energetické náročnosti budov
[2] Thermische Trennung von auben – und innenliegenden Betonbauteilen, Bauzeitung – v. 45, no. 8, s. 565
[3] ČSN 73 0540-2: 2011 Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011
[4] FORRER, P. H. Der wirkungsvolle und dauerhafte Kraugplatten-Anschluss. Schweizer ingenieur und Architekt, 1991, No. 45.
[5] DUBENDORF, B. D.; GEIGER, G. Warmeschutz bei Kragplatten, Brugg – Windisch. Schweizer ingenieur und Architekt, 1989, No. 11.
[6] Informace o povlakované výztuži – http://www.bronze.cz/termoizolacni-nosniky_povlakovane-vyztuze.htm
[7] SVÚOM s.r.o. Závěrečná zpráva projektu S 303/120/801. Využití povlakovaných ocelí v mostním stavitelství. Praha 2000
[8] CRSI – Concrete Reinforcing Steel Institute, IL. Anti-corrosion times, 2004, vol. 21, No 2. USA
[9] ANSYS Workbench 2.0 Framework, Version 12.1.0. © 2009 SAS IP, Inc.
[10] Technické podklady a informace – www.schoeck-wittek.cz
[11] Technické podklady a informace – www.bronze.cz
[12] Technické podklady a informace – www.halfen.cz
[13] Technické podklady a informace – www.cz.maxfrank.com
[14] Rhinoceros, Verze 4.0 SR8, 2010. © 1993–2008 Robert McNeel & Associates.
[15] SVOBODA, Z. Ekvivalentní tepelná vodivost zdiva z dutinových keramických tvarovek ve směru svislého tepelného toku, Tepelná ochrana budov, 2010, roč. 13, číslo 5. ISSN 1213-0907
[16] ZHANG, Y.; ZHOU, G.; LIN, K.; ZHANG, Q.; DI, H. Application of latent heat thermal energy stoarge in buildings: State-of-the-art and outlook. Building and Environment, 2007, vol. 42, no. 6, pp. 2197-2209. ISSN 0360-1323
[17] Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci, ve znění nařízení vlády č. 68/2010 Sb.

Reduction of Primary Energy Consumption in Buildings by Using the ISO Beams and Heat Storage
It is an undisputed fact that the operating energy consumption is currently extremely interesting for the building owners and future users of buildings. This is due not only to rising energy prices, but also legislative requirements at the EU level as well at the level of the Czech Republic. In the Action Programme “Intelligent Energy Europe” most European countries adopted a plan in which these countries undertake to construct the new nearly zero-energy buildings from 2019.

Autoři

• Ing. Brzoň Roman
• Ing. Ostrý Milan Ph.D.