Průměrný součinitel prostupu tepla budovy

Transkript

1 Průměrný součinitel prostupu tepla budovy Zbyněk Svoboda, FSv ČVUT Praha Původní text ze skript Stavební fyzika 31 z roku Částečně aktualizováno v roce 2014 především s ohledem na změny v normách. Stavebně energetické vlastnosti budov v zimním období se hodnotí s pomocí průměrného součinitele prostupu tepla Požadavky Požadavky na průměrný součinitel prostupu tepla jsou uvedeny v ČSN v čl Vyjadřují vliv samotného stavebního řešení na potřebu energie na vytápění nezohledňují tedy žádné nejisté faktory, jako je chování uživatelů či vliv klimatických podmínek. Hodnocená budova (nebo její ucelená část - zóna) musí mít podle citovaného článku průměrný součinitel prostupu tepla takový, aby splňoval podmínku U em U em, N, [W/(m 2.K)] (1) kde U em je průměrný součinitel prostupu tepla budovy nebo dílčí vytápěné zóny ve W/(m 2.K) a U em,n je požadovaný průměrný součinitel prostupu tepla budovy nebo dílčí vytápěné zóny ve W/(m 2.K). Požadovaná hodnota U em,n se stanovuje pro budovy s převažující vnitřní návrhovou teplotou 1 od 18 do 22 C ze vztahu UN, j Aj bj U em, N = + 0,02, [W/(m 2.K)] (2) A j kde U N,j je požadovaný součinitel prostupu tepla j-té teplosměnné konstrukce na obálce budovy či její zóny ve W/(m 2.K), A j je plocha j-té teplosměnné konstrukce v m 2 a b j je činitel teplotní redukce j-té teplosměnné konstrukce (viz dále kap. 1.2). Velmi důležité je, že při použití vztahu (2) platí následující pravidla, která je nutné dodržet, aby byl požadavek stanoven správně: hodnota U em,n vypočtená ze vztahu (2) nesmí překročit následující limity: o o pro nové obytné budovy hodnotu U, = 0,5 [W/(m 2.K)] (3) em N pro ostatní budovy hodnotu vyjádřenou vztahem 0,15 U em, N = 0,30 +, [W/(m 2.K)] (4) A / V kde A je celková plocha konstrukcí ohraničujících vytápěný objem budovy (či její zóny) v m 2 a V je vytápěný objem budovy (či její zóny) v m 3. Obě veličiny se stanovují z vnějších rozměrů. Pro poměr A/V 0,2 se uvažuje U em,n =1,05 W/(m 2.K), pro poměr A/V > 1,0 pak U em,n = 0,45 W/(m 2.K). pro výplně otvorů se neuplatní dříve používané zvýšení činitele b o 15 % pokud součet průsvitných ploch tvoří více než 50 % plochy teplosměnné části obvodových stěn budovy (neprůsvitných i průsvitných, přilehlých k venkovnímu prostředí), započte se na 1 Převažující návrhová vnitřní teplota θ im odpovídá návrhové vnitřní teplotě θ i většiny prostorů v budově nebo zóně budovy.

2 50 % plochy teplosměnné části obvodových stěn budovy odpovídající požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla U N,j výplní otvorů a ve zbytku se uvažuje požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla U N,j neprůsvitného obvodového pláště pro budovu s lehkým obvodovým pláštěm se při stanovení U em,n použije pro neprůsvitné výplně požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla pro vnější stěny a pro průsvitné výplně požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla pro výplně otvorů (okna) ve vnější stěně. Pro budovy s převažující vnitřní návrhovou teplotou mimo interval 18 až 22 C se používá pro stanovení požadované hodnoty U em,n vztah U em = U, N em, N,20 16, [W/(m 2.K)] (5) θ 4 im kde U em,n,20 je požadovaný průměrný součinitel prostupu tepla budovy či její zóny podle vztahů (2) až (4) ve W/(m 2.K) a θ im je převažující návrhová vnitřní teplota v budově či její zóně ve C. Doporučená hodnota průměrného součinitele prostupu tepla budovy se stanoví ze vztahu U em, rec 0, 75 Uem, N =, [W/(m 2.K)] (6) kde U em,n je požadovaný průměrný součinitel prostupu tepla budovy či její zóny podle vztahů (2) až (5) ve W/(m 2.K). A závěrem ještě několik důležitých poznámek. V případě změn staveb se povinnost splnění požadavku (1) vztahuje pouze na nově vzniklé ucelené části budovy, které je možné považovat za samostatné zóny budovy v souladu s ČSN EN ISO U budov s trvalými vnitřními zdroji technologického tepla, jejichž část prokazatelně a trvale využitelná pro vytápění je vyšší než 25 W/m 3 je možné odpovídající požadovanou hodnotu U em,n zvýšit o 25 %. A konečně: pokud při stavebních úpravách, udržovacích pracích, změnách v užívání budov a jiných změnách dokončených budov není splnění požadavku (1) technicky nebo ekonomicky proveditelné s ohledem na životnost budovy a její provozní účely, pak lze překročit požadovaný průměrný součinitel prostupu tepla obálky budovy, ale nejvýše tak, aby prokazatelně nedocházelo k poruchám a vadám při užívání Postup výpočtu Průměrný součinitel prostupu tepla budovy nebo její ucelené části se stanoví podle ČSN ze vztahu H U = T em A, [W/(m2.K)] (7) kde A je celková plocha konstrukcí ohraničujících vytápěný objem budovy nebo její části v m 2 a H T je měrný tepelný tok prostupem tepla budovy nebo její části ve W/K. Měrný tepelný tok prostupem tepla H T lze stanovit v různé úrovni přesnosti např. podle ČSN EN 12831, ČSN EN ISO nebo podle ČSN Pro základní výpočty se používá zjednodušený vztah H A U b + A U, [W/K] (8) T = i i i tbm zatímco pro přesnější analýzy je vhodnější vztah H A U b + l ψ b + χ b, [W/K] (9) T i i i i i i i = i kde A i je plocha i-té konstrukce ohraničující vytápěný prostor v m 2, U i je součinitel prostupu tepla i- té konstrukce ve W/(m 2.K), l i je délka i-té tepelné vazby na hranici budovy v m, ψ i je lineární činitel prostupu tepla i-té tepelné vazby na hranici budovy ve W/(m.K), χ i je bodový činitel prostupu tepla i-té tepelné vazby ve W/K (obvykle se zanedbává), b i je činitel teplotní redukce pro i-tou konstrukci nebo tepelnou vazbu stanovený podle vztahů (11) až (13), A je celková plocha konstrukcí ohraničujících vytápěný objem budovy nebo její části v m 2 a U tbm je průměrný vliv tepelných vazeb na hranici budovy či její části ve W/(m 2.K).

3 Hodnota U tbm se obvykle odhaduje na základě kvality navržených detailů. Standardně se uvažuje U tbm = 0,1 W/(m 2.K). Pro objekty s důsledně optimalizovanými tepelnými mosty se může podle ČSN hodnota U tbm snížit až na 0,02 W/(m 2.K), zatímco naopak pro budovy se zanedbaným řešením tepelných mostů může snadno překročit i hranici 0,2 W/(m 2.K). Jsou-li známy parametry tepelných vazeb, lze průměrný vliv tepelných vazeb U tbm stanovit i přesněji ze vztahu l i ψ i bi + χi bi Utbm =. [W/(m 2.K)] (10) A Činitel teplotní redukce b se stanoví buď orientačně z tabulkových hodnot v ČSN , nebo přesněji v závislosti na typu konstrukce a na působících okrajových podmínkách. Používají se vztahy: pro konstrukce ve styku s vnějším vzduchem θi θe b = [-] (11) θ θ im e kde θ i je návrhová vnitřní teplota působící na danou konstrukci ve C, θ e je návrhová teplota venkovního vzduchu v zimním období ve C a θ im je převažující návrhová vnitřní teplota ve C. Pro nejběžnější případ, kdy θ i = θ im, vychází b = 1,0. pro konstrukce ve styku s nevytápěným prostorem θi θu θi θe Hue b = nebo přesněji b = θ θ θ θ H + H im e im e iu ue [-] (12) kde θ u je návrhová vnitřní teplota v přilehlém nevytápěném prostoru ve C (orientační hodnoty uvádí ČSN ), H ue je celková měrná tepelná ztráta (prostupem i větráním) z nevytápěného prostoru do exteriéru ve W/K a H iu je celková měrná tepelná ztráta z interiéru do nevytápěného prostoru ve W/K. Hodnoty H ue a H iu lze stanovit podle ČSN EN ISO pro konstrukce ve styku se zeminou θi θg θi θ H e g b = nebo přesněji b = θim θe θim θe Ai Ui [-] (13) kde θ g je návrhová teplota v přilehlé zemině ve C (orientační hodnoty uvádí ČSN ), H g je měrná tepelná ztráta konstrukcemi v kontaktu se zeminou ve W/K stanovená podle ČSN EN ISO 13370, A i je plocha i-té konstrukce přilehlé k zemině v m 2 a U i je její součinitel prostupu ve W/(m 2.K) stanovený bez vlivu zeminy. pro výplně otvorů se od roku 2011 již činitele teplotní redukce nezvyšují o 15 %, jako tomu bývalo dříve. Postup výpočtu měrného tepelného toku prostupem H T podle vztahu (9) odpovídá v principu postupu podle ČSN EN ISO Jediným rozdílem jsou činitele teplotní redukce, které ČSN EN ISO nepoužívá. Pro nejběžnější případ s θ i = θ im je zde popsaná podrobnější metodika ČSN zcela shodná s metodikou ČSN EN ISO Příklady Na Obr. 1 je uveden schématický řez a půdorys 1. NP jednoduchého částečně podsklepeného rodinného domu (podsklepení je pod ¼ půdorysu, suterén je větraný). V 2. NP jsou okna umístěna pouze na sever a jih vždy po dvojicích. Skladebné rozměry všech oken jsou 1200 x 1200 mm. Vstupní dveře mají plochu 2 m 2. Ostatní parametry jsou uvedeny na Obr. 1. Objekt je větrán přirozeně. Zdrojem tepla pro vytápění i pro přípravu teplé vody je běžný plynový kotel s účinností 84 %. Objekt je vybaven solárním kolektorem pro přípravu teplé vody, jejíž roční potřeba je 45 m 3. Instalovaný příkon osvětlení je 200 W (předpokládány úsporné zářivky). Celková podlahová plocha vytápěné části objektu je 146 m 2 (stanoveno jako součet celkové vnitřní podlahové plochy obou podlaží bez ploch obalových konstrukcí).

4 Objem vytápěné části budovy je V = 511,1 m 3 (objekt je vytápěn celý bez suterénu a půdy). Plocha obalových konstrukcí je A = 381,2 m 2. Požadavek na průměrný součinitel prostupu tepla budovy stanovený ze vztahů (2) a (3) činí U 13 1, , ,1 0, , ,7 0,3 0, ,6 0,45 0,4 + 21,8 0,6 0,57 = 381,2 em, N + 0,02 = 0,39 W/(m 2.K) x U = 1,6 W/(m 2.K) U = 0,3 W/(m 2.K) podsklepení x U = 0,24 W/(m 2.K) R = 1,5 m 2.K/W R = 0,8 m 2.K/W R = 0,3 m 2.K/W U = 1,8 W/(m 2.K) Obr. 1 Schématický řez a půdorys 1. NP rodinného domu Tab. 1: Vlastnosti konstrukcí pro výpočet tepelného toku prostupem Konstrukce Plocha Souč. prostupu tepla [W/(m 2.K)] Požadovaný souč. prostupu tepla [W/(m 2.K)] Činitel tepl. redukce [-] Okna 13,0 m 2 1,6 1,5 1,00 Dveře 2,0 m 2 1,8 1,7 1,00 Stěny 183,1 m 2 0,30 0,30 1,00 Šikmá střecha 52,0 m 2 0,24 0,24 1,00 Podlaha půdy 43,7 m 2 0,24 0,30 0,83 Podlaha na terénu 65,6 m 2 0,60 0,45 0,40 Podlaha nad 21,8 m 2 0,60 0,54 suterénem 0,57 Pro výpočet průměrného součinitele prostupu tepla podle ČSN pro budovu na Obr. 1 použijeme program Energie ve starší verzi 2. Okrajové podmínky pro výpočet zadané na prvním zadávacím formuláři programu ukazuje Obr. 2. Další vstupní data jsou vidět přehledně na Obr. 3 až Obr. 6. Průměrný součinitel prostupu tepla budovy U em byl pro hodnocenou budovu stanoven programem Energie ve výši 0,46 W/(m 2.K). Budova tedy nesplňuje požadavek ČSN na průměrný součinitel prostupu tepla. 2 Tento text původně vznikl jako skripta pro již neexistující předmět SF31 v roce Pro vytvoření příkladu byla použita tehdy aktuální verze programu.

5 Obr. 2 Okrajové podmínky pro výpočet Celková spotřeba energie dodávané do budovy činí 28,4 MWh, z čehož připadá 24,4 MWh na vytápění, 1,3 MWh na přípravu teplé vody a 2,6 MWh na osvětlení. Vztaženo na 1 m 2 podlahové plochy to představuje celkovou měrnou spotřebu dodávané energie ve výši 194 kwh/m 2 za rok. Budova tak poměrně výrazně nesplňuje požadavek vyhlášky 148/2007 Sb. na energetickou náročnost 3, protože maximální přípustný limit pro vyhovující rodinné domy je podle uvedené vyhlášky 142 kwh/m 2 za rok (podrobnosti k výpočtovým postupům vyhlášky 148/2007 Sb. jsou uvedeny v části Výpočet ENB) 4. Množství potřebné primární energie za rok činí 38 MWh - s tím spojené emise CO 2 představují 8 t za rok. Na Obr. 7 je pro ilustraci vidět rozložení měsíčních potřeb energií. Průkaz energetické náročnosti je uveden na Obr Jedná se o již neplatnou vyhlášku a již neplatný požadavek. Požadavky na energetickou náročnost budov stanovuje od roku 2013 vyhláška č. 78/2013 Sb. 4 Dokument Výpočet ENB byl zaktualizován a obsahuje výpočetní postup podle vyhlášky č. 78/2013 Sb.

6 systémy TZB, vnitřní zisky a primární energie podrobně na Obr. 5 a 6 středně těžké konstrukce 1,50 1,00 Ostatní okna (2 východní a 3 jižní) mají stejné parametry jen jiný počet a orientaci. Zadají se na další formuláře pro okna. Parametry tepelných vazeb není nutné zadávat, protože na formuláři pro popis zóny je zvolen přibližný výpočet vlivu vazeb s pomocí U tbm vliv vnitřních záclon 0,30 1,70 1,00 Obr. 3 Zadání okenních konstrukcí a konstrukcí v kontaktu s vnějším vzduchem

7 Detail záložky Konstrukce na styku s interiérem Detail záložky Konstrukce na styku s exteriérem 0,49 vážený průměr z požadavků na podlahu na zemině a nad suterénem 80% z objemu suterénu stanoveného z vnějších rozměrů Průměrná hloubka suterénu pod celým půdorysem Obr. 4 Zadání konstrukcí v kontaktu se zeminou a nevytápěnými prostory

8 Obr. 5 Zadání vnitřních zisků, větrání a zdrojů tepla

9 Obr. 6 Zadání solárních systémů a energonositelů Obr. 7 Měsíční potřeby energie

10 Obr. 8 Průkaz energetické náročnosti budovy podle vyhlášky 148/2007 Sb.