Strategie tepelného izolování budov s ocelovou kostrou (1)

Článek pojednává o funkci obvodového pláště, nezbytnosti tepelné izolace budov a ztrátách tepla v nich, izolaci plných fasád a izolaci fasád prosklených.

I. FUNKCE OBVODOVÉHO PLÁŠTĚ
Budovy jsou pevně spojeny svými základy se zemí a vyrůstají nad zemský povrch do atmosféry. Tím, že vytínají z atmosféry určitý objem, definují chráněný vnitřní prostor. Pohyb slunce, denní cyklus a povětrnostní podmínky, závisející na sezóně, ovlivňují obvodový plášť budovy mnoha způsoby. Jeho funkce se podobá membráně, jež je vodotěsná a chrání před větrem a deštěm, ale přitom dovoluje pronikání světla a výměnu vzduchu. Z mnoha funkcí obvodového pláště je středem pozornosti v této publikaci tepelná a zvuková izolace ocelové konstrukce. Jsou také diskutovány doprovodné problémy, kterými jsou ochrana před vlhkostí a před slunečním zářením. Předkládané fyzikální principy nezávisejí na použitém materiálu. Avšak našim cílem je zdůraznit potenciál oceli jako stavebního materiálu.

II. NEZBYTNOST TEPELNÉ IZOLACE
Před pětadvaceti léty publikoval tzv. Římský klub studii limitů růstu, která vzbudila na celém světě velkou pozornost. Od té doby je zcela jasné, že přírodní zdroje a dostupná energie jsou omezené. Nejsou proto pochyby o nutnosti energií šetřit. Např. v Německu se okolo 40% (v tomto čísle jsou požadavky průmyslu, soukromé a veřejné dopravy a soukromá spotřeba) spotřebované energie použije na úpravu tepelné pohody v budovách. Úsilí šetřit energií na tomto poli je tedy velmi slibné. Podstatné úspory energie v budovách jsou možné zredukováním potřeby vytápět a chladit zavedením inteligentních návrhových konceptů.

III. ZTRÁTA TEPLA V BUDOVÁCH
Vytápění je nezbytné ke kompenzaci úniku tepla obvodovým pláštěm a větráním okny. Přenos energie je funkcí plochy vnějšího povrchu budovy, vztažené k uzavřenému objemu a v závislosti na celkovém tvaru budovy. To vede k rozdílnému energetickému chování obytných budov a vícepatrových obytných nebo administrativních budov. Diagramy ukazují různé zdroje ztráty tepla v jednopodlažním rodinném domku a ve vícepodlažní obytné budově. Na srovnání je vidět, že se vliv geometrie povrchu budovy stává rozhodujícím.

Jednopodlažní rodinný domek Vícepodlažní obytná budova

Avšak energetická rovnováha v administrativní budově je podstatně odlišná od rovnováhy vícepatrové obytné budovy, kde:

• pouze dočasná přítomnost obyvatel vyžaduje jiné energetické potřeby a často přináší nutnost topit nebo chladit v noci
• umělé osvětlení a široké používání počítačů vede k masivnímu vyzařování tepla, jež často postačuje pro udržení komfortní pokojové teploty v zimě, je-li budova odpovídajícím způsobem izolovaná. Vytápění se použije pouze na začátku pracovního dne na temperování budovy na příjemnou teplotu a na udržování teploty ve špičkách. Naopak teplo, produkované kancelářským vybavením, velice zvyšuje potřebu umělého chlazení v létě.

Úsilí o úsporu energie se musí soustřeďovat na denní dobu, což vyžaduje sofistikovaný návrh opláštění budovy vzhledem k orientaci, kvalitě izolace a operativnímu stínění. Stejně je nutné věnovat pozornost návrhové strategii, snižující potřeby chlazení. Mohou být učiněny následující závěry: spotřeba energie, způsobená topením i požadavky na chlazení, závisí velmi podstatně na kvalitě návrhu budovy, její funkci a její interakci s okolím.

IV. IZOLACE PLNÝCH FASÁD
Veškeré úsilí uspořit v budově energii závisí na následujících pěti parametrech:

• tepelném odporu elementů, uzavírajících stavbu, jako jsou stěny, stropy, okna a dveře a poměr jejich ploch k celé ploše obvodového pláště
• uspořádání jednotlivých vrstev pláště a jejich schopnost akumulace tepla
• tepelném odporu oken, jejich rozměrech a orientace v kombinaci se zařízeními pro stínění
• vzduchotěsnosti stavebních prvků a jejich styků
• větrání.

Geometrie budovy a rozložení její hmoty jsou dalšími faktory, ovlivňujícími prostup tepla. Uzavřené i zasklené fasády se chovají rozdílně v létě a v zimě. Zvětšení povrchu budovy vzhledem k jejímu vytápěnému objemu má za následek zvětšení požadavků na vytápění. Požadavek na vytápění závisí u vysoké budovy velice na tepelné izolaci i na vzduchotěsnosti stavby. V zásadě jsou dva typy obvodových plášťů:

• jednovrstvé konstrukce
• vícevrstvé konstrukce.

JEDNOVRSTVÝ KOVOVÝ PANELOVÝ SYSTÉM
Fasádní panel je zhotoven ze dvou vrstev plechu s vloženým izolačním jádrem. Jako izolační materiál se používá minerální vlna nebo pěna. V sofistikovanějších systémech se na plechy pěnové jádro lepí a vzniká tak sendvičový panel s určitou nosností. Tyto panely se potom zasazují do systému sloupků a paždíků s přerušením tepelných mostů. Místo vnitřního plechu panelu lze instalovat na vnitřní stranu panel, zachytávající teplo. Zvýšením celkové ohřívané hmoty panelu je možné udržet povrch panelu relativně chladný i v budově lehkého charakteru.

VÍCEVRSTVÝ KOVOVÝ OBKLADOVÝ SYSTÉM
Zatímco první systém pláště sestával z několika jasně oddělených prvků, které jsou na staveništi sestaveny dohromady s použitím vybavení pro spojování, může být druhý systém použit na různé materiály, jež jsou obvykle smontovány na stavbě. Zdivo nebo beton mohou kupříkladu tvořit vnitřní vrstvu pláště a izolace se potom připojuje k této vrstvě. Vnější vrstva může být sestavena z trapézových plechů, které chrání izolaci před slunečním zářením a vlhkostí. Dodatečnou výhodou tohoto systému je, že oteplení vnějšího pláště radiační sluneční energií může být odvětráno mezerou mezi izolací a vnějším obkladem. Je dokázáno, že odvětraná vnější skořápka tvoří efektivní ochranu před zářením i vlhkostí. Často se použije ještě ochrana prvního typu, jež distribuuje tepelná namáhání do izolačních vrstev.

V. IZOLACE PROSKLENÝCH FASÁD
Současný vývoj enormně zlepšil izolační kvalitu dvouvrstvých skel. Zatímco obvyklé izolační sklo má hodnotu součinitele prostupu tepla k = 2.6 W/m²K, zlepšené termosklo může dosáhnout až hodnoty 1.3 W/m²K. Tyto zasklívací systémy mají teplo odrážející vrstvu na vnitřním povrchu vnějšího skla, které je téměř čiré. Prostor mezi skly je často vyplněn inertním plynem, jenž je špatným vodičem tepla. K dispozici jsou ovšem i systémy se třemi skly a s hodnotou k = 0.7 W/m²K. Proto jsou pláště, kompletně zhotovené ze skla použitelné, i když se respektují nejpřísnější předpisy z hlediska tepelné izolace (např. tzv. druhý německý zákon o úsporách tepla z roku 1994). K udržení vnitřního klimatu budov v akceptovatelném rozmezí je potřeba tlumit nárazy energie. Chování pláště budov na tom má hlavní podíl a musí se diskutovat zvlášť pro zimní a zvlášť pro letní období.

ZIMA A LÉTO
Zlepšené izolační vlastnosti skla se promítají do zcela nového termodynamického chování budov. Příklad: Předpokládejme fiktivní administrativní budovu s jednotlivými kancelářemi a zasklenou fasádou s hodnotou součinitele prostupu tepla k = 3 W/m²K a určitým teplotním zatížením. Teplo, vyzářené ze svítidel, počítačů, přístrojů i lidských těl, přidává přibližně 380 W na místnost. Při předpokládané venkovní teplotě - 10 0C bude ztráta tepla činit 500 - 700 W/m² na jednu kancelář v závislosti na ploše zasklení. Je zřejmé, že pro teploty pod nulou bude nutno energii přidávat, aby se udržela přijatelná pokojová teplota. Stejná kancelář bude mít zcela jinou energetickou bilanci, bude-li zasklena zlepšeným sklem s předpokládanou hodnotou 1.5 W/m²K. Ztráta tepla nyní poklesne na 9 - 11 W/m², takže jen v případě, bude-li venkovní teplota nižší než - 10 °C, bude ztráta tepla větší než jeho přírůstek. Z toho plyne, že v evropském mírném klimatu nebude v dobře izolované budově s dočasným obydlením topení vůbec potřeba.
Problémy nastanou v létě, kdy izolovaná fasáda zabrání úniku tepla z vnitřku budovy ven. Dobře izolované kanceláře se potom musí větrat v noci, aby se odstranil přebytek tepla, nakumulovaný uvnitř. Extrémních teplot v kancelářích se během dne lze zbavit pouze mechanickou klimatizací nebo strategií přírodní ventilace a efektivním zastíněním před sluncem. První metoda představuje dodatečnou spotřebu energie, zatímco druhá metoda vede ke složitějším konstrukcím obvodového pláště.

ZASTÍNĚNÍ PŘED SLUNCEM
Účelem stínidel je zbavit se nechtěného slunečního záření. Stínění lze umístit před okna, mezi skla nebo dovnitř budovy. Nejefektivnější jsou stínidla venkovní, neboť nepustí sluneční záření dovnitř budovy. Protože jsou vystavena povětrnosti, musí být velmi trvanlivá a stále ještě vyžadují častou údržbu. V případě extrémních větrů lze použít zvláštní čidla ke stažení stínidel. Hlavní výhodou stínidel, umístěných mezi izolovaná skla je skutečnost, že jsou mezi skly chráněna a tudíž mohou být velmi tenká a nejsou vystavena prachu, špíně a vlhkosti. Nevýhodou je, že se stínidla při působení slunečního záření zahřívají a přenášejí tepelnou energii na vnitřní sklo, které pak má vyšší teplotu.
Vnitřní stínidla jsou nejjednodušší, ale jsou také nejméně účinná. Sluneční záření pronikne do interiéru a zvyšuje teplotu v místnosti. I vnitřní stínidla jsou ale lepší než nic. Jakkoli orientovaná budova potřebuje ochranu proti slunci. Na jižní straně mohou stačit vodorovná stínidla, neboť slunce dopadá ve strmém úhlu. Na východě a západě jsou vhodnější nastavitelná stínidla, neboť úhel je menší a energie přichází více. Minimální ochranu severní strany mohou tvořit záclony. Optima se dosáhne s přídavnými prvky proti oslnění.

Autor

• Doc. Ing. Studnička Jiří DrSc.