ENS. Nízkoenergetické a pasivní stavby. Přednáška č. 6. Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích

Transkript

1 Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích ENS Nízkoenergetické a pasivní stavby Přednáška č. 6 Přednášky: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Cvičení: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Garant: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Katedra stavebnictví

2 Obvodové konstrukce V našich klimatických podmínkách platí skutečnost, že po dobu většího počtu dní během roku jsou teploty vnitřního vzduchu v interiérech budov vyšší, než teploty venkovního vzduchu. Z této skutečnosti se pak vychází při návrhu obvodových konstrukcí. Střechy a svislé obvodové konstrukce se navrhují a posuzují z hlediska: 1. Návrhových teplot a relativních vlhkostí venkovního vzduchu (θ e, φ e ). 2. Návrhových teplot a relativních vlhkostí vnitřního vzduchu (θ i, φ i ). K difúzi vodní páry skrze střechu a svislé obvodové konstrukce dochází po dobu většího počtu dní v roce směrem z interiéru do exteriéru. 2

3 Obvodové konstrukce Veškeré střechy a svislé obvodové konstrukce se tedy v našich klimatických podmínkách navrhují na základě dvou předpokladů: 1. Teploty vnitřního vzduchu v interiérech budov jsou vyšší než teploty venkovního vzduchu (θ i > θ e ). 2. Parciální tlaky vodní páry obsažené ve vzduchu v interiérech budov jsou vyšší než parciální tlaky vodní páry obsažené ve vzduchu v exteriéru (p di > p de ). Pro konstrukční návrh obvodových konstrukcí z toho vyplývají následující dvě konstrukční zásady: 1. Tepelný odpor R střechy či svislé obvodové konstrukce se musí směrem od interiéru k exteriéru zvyšovat. 2. Difúzní odpor R d, resp. ekvivalentní difúzní tloušťka r d, střechy či svislé obvodové konstrukce se musí směrem od interiéru k exteriéru snižovat. 3

4 Obvodové konstrukce Testovaný vzorek zahrnuje 150 energeticky pasivních objektů, u kterých jsou známy sledované parametry tepelné izolace obvodového pláště. Realizace v letech 2004 až

5 Obvodové konstrukce Testovaný vzorek zahrnuje 150 energeticky pasivních objektů, u kterých jsou známy sledované parametry tepelné izolace obvodového pláště. Realizace v letech 2004 až Stavební materiál Absolutní četnost Relativní četnosti Stěna Lehký dřevěný skelet % Konstrukce SWP % Dřevěné sendvičové panely % Vápenopískové tvárnice % Železobeton ve ztraceném 10 7 % bednění Pórobetonové tvárnice 9 6 % Keramické tvárnice 1 1 % Jiné, nespecifikováno 6 4 % 5

6 Lehký konstrukční systém Lehké konstrukce dřevostavby Dostatečné tepelně-izolační vlastnosti při menších tloušťkách stěn Výhodou rychlost výstavby, menší pracnost a obvykle i nižší cena Použití dřeva je ohleduplné k ŽP a také k následné likvidaci Nevýhodou nižší akumulační schopnost (rychlé ohřátí a vychladnutí) Dřevostavby nevyžadují většinou příliš staticky únosné základy (patky) možnost umístěné konstrukce nad terénem odvětrávaný montážní prostor pod objektem odpadá nutnost hydroizolace, snížení radonového rizika 6

7 Dřevostavby - Fošnové konstrukce Nebo také lehký dřevěný skelet (sloupkový systém) Tradiční systém, používaný v celém světě (Sev. Amerika) Svislé dřevěné prvky staticky spolupůsobí s velkoformátovými deskami (OSB) Systém Two by Four původní rozměry cca 50 x 100 mm Nejčastěji využívají sloupky o rozměru: 160/60, 180/60, 200/60 Sloupky osově umístění s roztečí 625 mm. Svislé prvky jsou nejčastěji fošny z masivního dřeva (TM) Kombinované I nosníky (Steico), pásnice ze dřeva, stojina např. OSB Žebříkové nosníky (stojina z desky přerušená) Rám z nosných prvků se opláští konstrukční nosnou deskou, která zajistí tuhost celé konstrukce 7

8 Dřevostavby Fošnové konstrukce 8

9 Dřevostavby Fošnové konstrukce 9

10 Dřevostavby - Fošnové konstrukce Původní standardní řešení řešení: Z vnější strany rošt a obklad či tvrdé tepelně izolační desky a omítka OSB desky z vnější strany Prostor mezi sloupky se vyplní izolací (minerální vlna, foukaná TI) Překrytí parozábranou Instalace roštu s tepelnou izolací a doplnění vnitřní obkladem Problematické díky citlivosti na kvalitnímu provedení parozábrany v ploše i ve spojích. 10

11 Dřevostavby - Fošnové konstrukce Nyní se preferuje systém s OSB deskami z interiéru Zde je za splnění podmínek možné vynechat parozábranu Použití kvalitních OSB desek (nejlépe na P+D), spoje přelepit vhodnou páskou!!! Z venkovní strany může být základní konstrukce doplněná deskami s nižším difuzním odporem (minerální vláknité desky) 11

12 Dřevostavby Panelový systém Systém prefabrikace montovaných dřevostaveb představuje úsporu času a přesnější výrobu stavebních dílců Výhodou krátký čas výstavby, nezávislost na počasí Nutnost použití těžké techniky při montáži Panely bývají na celou výšku nebo délky obvodové stěny 12

13 Masivní dřevěné panely Velkoformátové masivní panely z křížem vrstveného masivního dřeva (CLT cross laminated timber) např. NOVATOP SOLID Panely se vyrábí z vysušených smrkových lamel skládaných do vrstev, orientace vláken jednotlivých vrstev je vždy kolmá k sousedním vrstvám. Počet vrstev různý (konečnou tloušťku panelu) Pro stěny: 62, 84 (42/42), 124 (62/62) mm Pro stropy: 81 (27/27/27), 84 (42/42), 116 (27/62/27) mm 13

14 Dřevostavby Masivní panely 14

15 Dřevostavby Masivní panely 15

16 Masivní zděné konstrukce Masivní (těžké) konstrukce zděné stavby V současnosti převažují stavby z keramických pálených materiálů Tradice keramických pálených bloků je velmi silná Možnost použití cihel a bloků nejrůznějších materiálů: Keramické Vápenopískové Betonové Lehčené silikátové Z hlediska akumulace tepla a akustického útlumu volíme materiály s větší objemovou hmotností a pevností (i při mále tloušťce statická únosnost) Z vnější strany zateplujeme materiály s velkou tepelně izolační schopností 16

17 Masivní zděné konstrukce Tloušťka cca 240 mm u keramiky, tvarovek z lehčeného betonu Tloušťka cca 120 mm u ŽB monolitu nebo betonových prefabrikátů Vnější část nosné stěny doplněna tepelně-izolační vrstvou: Kontaktní zateplovací systémy Větraným vnějším pláštěm, roštem a tepelnou izolací Méně často sendvičová konstrukce s režného zdiva 17

18 Masivní zděné konstrukce Možnost využití keramických tvarovek s dutinami vyplněných izolačními hmotami Vhodné využít zejména v kombinaci s dodatečnou tepelnou izolací U jednovrstvé konstrukce je nutno velmi dobře posoudit případné detaily problematických míst u napojení s jinými konstrukcemi 18

19 Tepelné izolace Tloušťka izolace při vnějším zateplení masivní stavby na úroveň běžnou u pasivních domů U = 0,12 W/(m².K). Nosnou vrstvu tvoří vápenopískové cihly tloušťky 175 mm 19

20 Tepelné izolace Expandovaný pěnový polystyren (EPS) Stále nejrozšířenějším a nejpoužívanějším izolantem Vzniká vypěňováním do forem jako produkt polymerace styrenu Přidáním retardérů hoření se zajišťuje samozhášivost Výhodou nízká cena a dostupnost Ve stavitelství se používají 4 základní typy: Z (základní) nízká přesnost desek, použití u podlah S (stabilizovaný) použití ve střechách F (fasádní) vysoká přesnost desek, tolerance 2 mm na 0,5 m, zateplovací systémy Perimeter desky minimálně nasákavé a mrazuvzdorné, uzavřená struktura, vhodné v místech při možném kontaktu s vodou (sokl) Typ polystyrenu se označuje např. EPS 70 S. Číslo udává pevnost v tlaku v kpa. Běžně jsou k dostání polystyreny tříd 50, 70, 100, 150, 200 a

21 Tepelné izolace Expandovaný pěnový polystyren (EPS) Materiál běžně dosahuje hodnot deklarovaného součinitele tepelné vodivosti λ D = 0,036 W/(m.K) pro EPS 100. Dnes se už častěji používá polystyren s příměsí grafitu, který dosahuje hodnot λ D až 0,031 W/(m.K). cca o 20 % menší tloušťka TI Expandovaný polystyren nelze dlouhodobě vystavit vlhku ani účinkům UV záření a je omezená i jeho pevnost. 21

22 Tepelné izolace Expandovaný pěnový polystyren (EPS) U novostaveb se EPS upevňuje při dostatečně soudržném podkladním materiálu, rovinatosti a výšce objektu do 8 m nejčastěji celoplošným lepením bez mechanického kotvení V ostatních případech a u rekonstrukcí je nutné desky mechanicky kotvit hmoždinkami Běžné talířové hmoždinky procházející izolantem jsou dražší a kvůli nutnosti zapouštět je do izolantu a následně překrýt izolační zátkou i pracnější 22

23 Tepelné izolace U nerovných a nesoudržných podkladů je možno využít tzv. lepící kotvy Kotva se zakotví hluboko do nosné konstrukce, na talíř kotvy se následně lepí izolační vrstva kotva neprochází vrstvou tepelné izolace 23

24 Tepelné izolace Minerální vlna (MW) Po EPS druhou nejrozšířenější variantou tepelní izolace Vyrábí se průmyslovým tavením hornin (čedič, křemen, ) Podle suroviny kamenná nebo skelná minerální vlna Pojivem nejčasněji formaldehydové pryskyřice nahrazovány!!! Desky jsou hydrofobizované, ale nelze je trvale vystavit vlhku Běžně dosahují tepelné vodivosti λ D mezi 0,035 0,040 W/(m.K) Výhodou nehořlavost a odolnost vůči vysokým teplotám Nízký difuzní odpor a tím vysoká paropropustnost (větrané fasády) Aplikace klasickým kontaktním způsobem (lepení a kotvení) nebo vkládání desek či foukání do roštů Násákavost nutno chránit zhoršení hodnot tepelné vodivosti 24

25 Tepelné izolace Celulóza Tepelná izolace z celulózových vláken vyrobená recyklací papíru Papír se rozmělní a rozvlákní, následně se přimíchají přísady proti hnilobě, požáru a hlodavcům Aplikace pomocí strojního foukání za sucha (půdy) nebo objemovým plněním do připravených dutin nutno počítat se zhutněním Při aplikaci nevzniká žádný odpad U volného foukání cca 30 kg/m 3, u foukání do dutin od 70 kg/m 3 Celulóza dosahuje podle způsobu aplikace a objemové hmotnosti hodnot λ D = 0,035 0,042 W/(m.K), Navíc má nízký difuzní odpor 25

26 Tepelné izolace Izolace s dřevitých vláken, konopí a lnu Desky z dřevitých vláken jsou ekologické a šetrné k ŽP Při výrobě se používá jen minimální množství lepidla Díky vysoké měrné tepelné kapacitě (2100 J/(kg.K) zabraňují přehřívání interiéru v letních měsících Desky jsou paropropustné Hodnota λ D se pohybuje v rozmezí 0,038 0,050 W/(m.K) 26

27 Tepelné izolace Extrudovaný pěnový polystyren (XPS) Od expandovaného polystyrenu se liší jak způsobem výroby, tak vlastnostmi Na rozdíl od EPS má uzavřenou strukturu bez mezer XPS se vyrábí protlačením pěny (extruzí) XPS vyniká dobrými parametry pevnosti v tlaku (únosnost) a minimální nasákavostí Součinitel tepelné vodivosti, která se pohybuje v intervalu 0,029 0,038 W/(m.K). U pasivních domů se díky svým vlastnostem XPS nejčastěji používá při založení betonové desky na izolaci, v inverzní neboli obrácené skladbě ploché střechy (tedy i zelené střechy), dále při izolování základů, suterénu, soklu, podlahy a eliminaci tepelných mostů. 27

28 Tepelné izolace Pěnový polyuretan (PUR) Ve stavebnictví se používá tvrdá polyuretanová pěna Velmi nízkým součinitel tepelné vodivosti λ D až pod hodnoty 0,025 W/(m.K) Aplikuje se buď přímo na místě stříkáním nebo litím, nebo je dodáván ve formě desek či tvarovek Nesnášenlivý na UV záření (stejně jako EPS a XPS) Vysoká energetická náročnost a produkce škodlivin při výrobě Diskutabilní obsah izokyanátů jakožto alergenů 28

29 Tepelné izolace Pěnové sklo Vzniká ztavením směsi skleněného a uhlíkového prášku Úplné nehořlavý, nenasákavý a parotěsnosný Vysoká cena Ve formě desek se využívá především pro přerušení tepelného mostu, například u paty nosných stěn Větší využití má pěnosklo v průmyslu, kde se aplikuje na podlahy či střechy s extrémním tlakovým namáháním Součinitel tepelné vodivosti se pohybuje v závislosti na únosnosti mezi 0,040 0,050 W/(m.K) Dalším produktem je štěrk z pěnového skla, který se využívá zejména při zakládání domu na izolaci, což umožňuje dosáhnout celistvé izolační obálky bez tepelných mostů Při aplikaci je potřeba počítat s koeficientem zhutnění 1,2 1,4, při kterém dosahuje štěrk pěnového skla hodnotu λ D = 0,075 0,085 W/(m.K) Pro pasivní domy tak potřebujeme vrstvu přibližně 500 mm zhutněného skleněného štěrku. 29

30 Tepelné izolace Sláma Obliba slámy jako tepelné izolace v poslední době stoupá Běžně se používá v kombinaci s jinými přírodními materiály (hliněné omítky, nepálené cihly) Fyzikální vlastnosti závisí z velké části na kvalitě a objemové hmotnosti slaměných balíků Vzhledem k nerovnosti a rozměrové nepravidelnosti balíků nutno počítat s vyšší pracností Kvalitně slisované slaměné balíky o objemové hmotnosti kg/m³ dosahují hodnotu λ D = 0,052 W/(m.K) při použití kolmo na stébla. Možnost použití jako izolace u nosné stěny nebo nosná konstrukce tvořena přímo balíky slámy 30

31 Tepelné izolace Vakuové izolace V současné době high-tech izolační materiály Vzhledem k vysoké ceně použití velmi zřídka Dodávané ve formě panelů obalených v metalizované fólii Po započítání vlivu okraje desek a vlivu stárnutí se ve výpočtu počítá s hodnotou λ D = 0,008 W/(m.K). Při těchto hodnotách stačí použít k izolování stěny na úroveň pasivního domu pouze 6 cm tlustý panel. 31

32 Tepelné izolace Aerogelové izolace Aerogelové izolace tvoří nanoporézní materiál se základem v silicagelu. Používá aerogel nanesený na tkaninu tloušťky 10 mm Udávaná tepelná vodivost je λ D = 0,014 W/(m.K). Aerogelové izolace slouží pro řešení problematických detailů, kde není možné použít větší tloušťky izolací, například v místě parapetu nebo žaluziového boxu 32

33 Tepelné izolace Testovaný vzorek zahrnuje 150 energeticky pasivních objektů, u kterých jsou známy sledované parametry tepelné izolace obvodového pláště. Realizace v letech 2004 až

34 Obvodové konstrukce 34

35 Střešní konstrukce Střešní konstrukce může být řešena jako: Jednoplášťová Dvouplášťová s větranou vzduchovou dutinou U masivní plochých střech není zpravidla obtížné zvýšit tloušťku tepelné izolace na cca mm Nosná konstrukce dvouplášťové větrané střechy: Úsporný dřevěný sbíjený vazník, seshora s celoplošným bedněním (OSB, dřevovláknité desky) Na spodní pásy vazníku je možné připevnit podbití, na kterou lze umístit tepelnou izolaci Vzduchový prostor pod střešní krytinou musí být napojen pomocí větracích kanálů na venkovní prostředí I horní plášť větrané střechy musí mít určitý tepelný odpor (0,2-0,5 W/(m 2 K)), který zabrání kondenzaci vodní páry v dutině Pokud není možné splnit požadavek na tepelný odpor, je nutné vrstvu tepelné izolace chránit proti stékající a odkapávající vodě (difuzní fólie) 35

36 Střešní konstrukce U šikmých střech je provedení tepelné izolace o vhodné tloušťce značně problematičtější než u plochých střech, podobá se řešením stěnových konstrukcí dřevostaveb. Využívají se dvojité nosné rošty z hranolů a fošen, I nosníky místo klasických krokví Střešní rovina je ztužena celoplošným podbitím z desek (OSB) Tvar krokví ovlivňuje hodnotu součinitele prostupu tepla 36

37 Střešní konstrukce Ploché střechy 37

38 Střešní konstrukce Šikmé střechy 38

39 Střešní konstrukce Oblíbené jsou také zelené (vegetační) střechy Doporučuje se volit střecha s extenzivní zelení. Taková střecha značně přispívá k lepší tepelné setrvačnosti budovy. Navíc může také akumulovat nezanedbatelné množství srážkové vody. 39

40 Okna a dveře Nejslabší článek obvodového pláště (až 40 % ztrát z výplní otvorů) Zásadní význam pro estetické, funkční a energetické vlastnosti Výsledný prostup tepla oknem je ovlivněn: Vlastnostmi zasklívací jednotky a vlastnostmi rámu Poměrem plochy zasklívací jednotky a celého okna Vlastnostmi distančního rámečků a jeho délkou Vazbou mezi oknem a obvodovou stěnou Skutečným provedením Všechny vlastnosti musí být vyvážené: Zasklení o špičkové kvalitě nemá smysl osazovat do rámů průměrné kvality Celé okno o špičkové kvalitě nemá smysl osazovat do nesprávné polohy obvodové stěny Nabídka řešení je bohatá a neustále se rozšiřuje o nové technologie 40

41 Okna a dveře Plnění dutin mezi skly plynem (Argonem, Kryptonem) z důvodu nižší tepelné vodivosti Izolační dvojsklo s úpravou povrchu pokovením (snížení sálavé výměny tepla v dutině mezi skly) Izolační trojskla jsou těžší a vyžadují masivnější konstrukci rámů Využití speciálních průhledných fólií HEAT MIRROR Rámy mají v současné době horší vlastnosti než zasklení Plastové rámy s ocelovým výztužným profilem a 5 až 8 komorami Počet komor nevypovídá o tepelně izolačních vlastnostech, důležitou roli hraje konstrukční řešení komor. Dřevěné rámy v mnoha odlišných provedeních: Kombinace s izolační vrstvou z korku nebo polyuretanu, s vyfrézovanými dutinami vzduchovými dutinami, vytvořené z lamel z tvrdého dřeva s vypěněním polyuretanovou hmotou, v kombinaci s eloxovaným hliníkem na vnější straně 41

42 Okna a dveře Trojsklo, rám dřevo polyuretan - hliník Trojsklo, rám celodřevěný Trojsklo, dřevěný rám s nahrazením středové lamely tepelnou izolací 42

43 Okna a dveře Výsledný součinitel prostupu tepla oken se shodným zasklením i rámem se liší podle jejich celkové velikosti (mění se poměr rámu okna, délka dilatačního rámečku a plocha zasklení) I při stejném typu oken mohou mít různá okna u objektu jiné tepelně technické vlastnosti Správně by se měl být součinitel prostupu tepla pro každé okno vypočítán zvlášť. Zpravidla je výhodnější použít menší počet oken o větší ploše, případně okna sdružovat do větších celků 43

44 Okna a dveře Plocha stěny (bez okenních otvorů) A (m 2 ) Součinitel prostupu tepla stěny U (m 2 /(W.K)) 0,15 0,15 Plocha okenních otvorů A w (m 2 ) 3 3 Součinitel prostupu tepla okna U w (m 2 /(W.K)) 0,71 0,87 Plocha rámu A f (m 2 ) 0,67 0,84 Součinitel prostupu tepla rámu U f (m 2 /(W.K)) 0,8 0,8 Plocha zasklení A g (m 2 ) 1,33 1,16 Součinitel prostupu tepla zasklení U g (m 2 /(W.K)) 0,6 0,6 Celkový obvod okna (oken) l (m) 8 12 Lineární činitel prostupu tepla Ψ (W/(m 2 K) 0,05 0,05 Tepelná propustnost fasády L (W/K) 4,78 5,46 Rozdíl tepelné ztráty 100 % 114 % 44

45 Okna a dveře Rovina okna by měla být co nejblíže středu roviny tepelné izolace (pokud je to technologicky proveditelné) Velmi častým požadavkem je předsazení okna na vnější líc nosné stěny: Pomocí osazovacího boxu z OSB Dřevěných hranolů Kovové úhelníky Ocelové kotevní pásky 45

46 Podlahy a základy Převážná většina nízkoenergetických a pasivních domů je nepodsklepená (podlaha vstupního podlaží na terénu) Řešení umožňující provedení potřebné tloušťky TI celá řada: Na hydroizolace osazení tuhých tepelně izolačních desek a na ně vrstvu betonové mazaniny Potřebnou tloušťku tepelné izolace z lehkých minerálních vláken je možno umístit do dvojitého dřevěného podlahového roštu a následně uzavřít cementotřískovými deskami nebo OSB deskami Využití sypkých izolací (např. keramzit, pěnové sklo, liapor) Pozornost třeba věnovat konstrukčnímu uspořádání při obvodu budovy (vedení tepla při rozhraní betonové desky, základů a soklu) Desky z extrudovaného polystyrenu vkládané do bednění nebo lepené dodatečně) vhodné umístit na čelo betonové desky i základy z vnější strany 46

47 Podlahy a základy Možné řešení základové desky: Na připravenou zeminu se naskládají desky z extrudovaného polystyrenu s potřebnou únosností Po obvodu se použijí speciální tvarovky zajišťující plynulý přechod na svislou tepelnou izolace Položí se potřebná výztuž a celá forma se zalije betonovou směsí 47

48 Podlahy a základy Možné řešení základové desky s využitím sypké izolace: Granulát z pěnového skla (Technopor) umělé kamenivo frakce mm s malou nasákavostí, 48

49 Podlahy a základy U sypaných izolací se používají dva způsoby provedení základové desky - s ohraničením v místě soklu (vlevo) nebo s vodorovným přesahem sypaného materiálu (vpravo) 49

50 Podlahy a základy Napojení betonové desky a obvodových stěn Nutné přerušit nebo omezit vliv tepelného mostu Vložení pruhu extrudovaného polystyrenu nebo pěnového skla Nahrazení první vrstvy cihel tvarovou z lehčeného betonu (popř. pěnovým sklem) Tepelná propustnost detailu [%) 100 % cca 91 % cca 83 % cca 78 % Bez přídavné izolace Čelo pásu s XPS Bloky pěnového skla o tl. 100 mm Kombinace 50

51 Vnitřní konstrukce Na vnitřní konstrukce kladeny menší nároky Konstrukce oddělující vytápěné prostory s odlišnou teplotou musí splňovat požadavky součinitele prostupu tepla dle ČSN Vnitřní konstrukce ovlivňují tepelnou setrvačnost a akumulaci tepla Na krátkodobé akumulaci a uvolňování tepla (cyklus 24 hod) se podílí jen malá, několikaticentimetrová vrstva od povrchu konstrukce Vhodné věnovat pozornost průvzdušnosti vnitřních konstrukcí mohou rušit správnou funkci větracích systémů 51

52 Tepelné mosty Omezením tepelných mostů je nezbytné u výstavby nízkoenergetických a pasivních budov Obecně je vhodné preferovat málo členité povrchy obálky budovy s důsledně zajištěnou souvislou tepelnou izolací bez zmenšení její tloušťky Řešení balónů, lodžií a předsazených prvků na vnější fasádě: Posouzení jejich nezbytnost, případné vyloučení z projektu Změna statického schématu (zrušení původního vykonzolování desky) Samostatné podepření konstrukce Využití speciálních nosníků pro přesušení tepelného mostu Lokální zavěšení balkónu nebo stříšky (vyhnout se bodovým TM) 52

53 Tepelné mosty 53

54 Dotazy či připomínky: ENS Děkuji za pozornost Ing. Michal Kraus, Ph.D. 54