Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích NPS Nízkoenergetické a pasivní stavby Přednášky: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Cvičení: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Garant: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Katedra stavebnictví
Zásady návrhu Základem návrhu budovy s nízkou energetickou náročností je vyváženost všech složek, které ovlivňují její energetickou bilanci Dispozice budovy by měla být kompaktní, s odůvodněnou orientací ke světovým stranám a přizpůsobená místním klimatickým podmínkám Pro výměnu vzduchu v budově doporučujeme použít nuceného větrání, které snižuje energetickou náročnost. Doporučeno využít systému zpětného získávání tepla (rekuperace) Ke krytí zbytkových potřeb tepla na vytápění a přípravu teplé vody je vhodné využít solární energie, tepelná čerpadla a další obnovitelné zdroje nebo jejich vzájemnou kombinaci Doporučuje se navrhovat energeticky úsporné spotřebiče (energetická třída A), a tím dosahovat vysoké účinnosti využití elektrické energie 2
Stavebně koncepční řešení návrhu Koncepce návrhu budov s nízkou spotřebou energie: Volba lokality výstavby (pozemku) Osazení budovy do terénu Orientace budovy ke světovým stranám Zastínění budovy v důsledku okolní výstavby, vegetace či terénu Převládající směr větru Tvarové řešení budovy Vyloučení tepelných mostů Vnitřní uspořádání dispozice objektu Velikost prosklených ploch v obvodovém a střešním plášti Velikost přímo a nepřímo vytápěných místností Tepelné zisky od vnitřních zdrojů Hodnoty součinitele prostupu tepla U [kw/(m 2.K] na systémové hranici 3
Volba lokality (pozemku) Volbou lokality lze do jisté míry ovlivnit tepelné ztráty budovy Posouzení lokality z hlediska tepelných ztrát: Teplota venkovního vzduchu Rychlost a směr větru Vlhkost vzduchu Intenzita slunečního záření Nutno zohlednit také další kritéria dostupnost služeb, Nutno zohlednit spotřebu energie spojené s provozem vozidla Nutno zohlednit produkci škodlivých emisi při provozu vozidla 4
Teplota venkovního vzduchu Čím je teplota venkovního vzduchu nižší, tím vyšší jsou tepelné ztráty. A naopak Rozdíl teploty venkovního vzduchu o 1 C představuje změnu tepelných ztrát přibližně o 3 % Čím vyšší nadmořská výška, tím nižší teplota venkovního vzduchu. Zohledněno při stanovení návrhové teploty venkovního vzduchu v zimním období při tepelně-technickém posouzení (ČSN 73 0540 3). S nárůstem nadmořské výšky o 100 m poklesne teplota vnějšího vzduchu o 0,5 C Teplota venkovního vzduchu je také ovlivněna danou lokalitou (členitost terénu, orientací ke světovým stranám, okolní zástavbou) Z hlediska teploty venkovního vzduchu je vhodné situovat objekty v zastavěné aglomeraci a na úbočí jižních svahů Zimní venkovní teploty vzduchu je možné minimalizovat osazením objektu do terénu. Tepelné ztráty konstrukcí přilehlých k zemině jsou nižší a působí zde schopnost tepelné akumulace zeminy 5
Rychlost a směr větru Čím vyšší je rychlost větru, tím větší jsou také tepelné ztráty budovy: Se vzrůstající rychlostí větru se zvyšuje hodnota součinitele přestupu tepla na venkovní straně obvodových a střešních konstrukcí, čímž se snižuje jejich tepelný odpor a zvyšuje součinitel prostupu tepla Se vzrůstající rychlostí větru se zvyšují tepelné ztráty infiltrací. Významnou roli hraje expozice budovy (chráněná, nechráněná, velmi nepříznivá) Návrhové nejvyšší průměrné rychlosti převládajících větrů v České republice se pohybují od 3 do 6 m.s -1 Z hlediska rychlosti a směru větru je vhodné situovat budovy v chráněné krajině s normálním zatížením větrem (zastavěná aglomerace). Není vhodné navrhovat objekty ve volném prostranství, na vrcholech kopců a v údolí 6
NPS Rychlost a směr větru 7
Vlhkost vzduchu Vlhkost vzduchu a dešťová voda zapříčiňují zvýšené hodnoty vlhkosti v obvodových konstrukcích budovy, což má za následek zvýšení hodnot součinitelů prostupu tepla a vyšší tepelné ztráty budovy Z hlediska vlhkosti vzduchu není vhodné navrhovat budovy v údolí Doporučuje se, aby povrchové vrstvy obvodových konstrukcí byly z materiálů s minimální nasákavostí. Taktéž je nezbytné chránit zdivo v místě kontaktu s terénem (sokl) proti odstřikující vodě 8
Intenzita slunečního záření Sluneční záření ovlivňuje energetickou bilanci budovy pozitivně. S výjimkou letního období, kdy je kvůli přehřátí vysoké teploty eliminovat chlazením Množství dopadajícího slunečního záření ovlivňují místní geografické a klimatické podmínky a nadmořská výška, popř. také znečištění ovzduší Orientace konstrukcí ke světovým stranám má významný vliv na tepelné zisky ze slunečného zářené Nejvyšší intenzita sluneční energie dopadá na jižně orientovanou obvodovou stěnu, nejmenší pak na stěnu severní 9
Volba lokality (pozemku) Tepelné ztráty budovy (v %) a teplota okolního vzduchu v závislosti na jejím umístění v terénu Tepelné ztráty budovy (v %) v závislosti na síle větru a na jejím umístění v terénu 10
Tvarové řešení budovy Je žádoucí, aby hodnota faktoru tvaru budovy (A/V) byla co nejmenší. Hodnota faktoru budovy by měla být menší než 0,7 Faktor tvaru budovy je definován jako poměr plochy vnějších ochlazovaných konstrukcí obálky budovy k jejímu vytápěnému objemu Čím větší je ochlazovaná plocha obálky budovy, tím větší jsou tepelné ztráty Z hlediska faktoru tvaru budovy je ideálním tělesem koule. Ve stavební praxi je však koule nepoužitelná Principiálně by měl mít objekt jednoduchý, kompaktní tvar bez zbytečných výstupků či úskoků. Vhodný je ležatý kvádr orientovaný delší stranou na jih 11
NPS Tvarové řešení budovy 12
Tepelné mosty a tepelné vazby Tepelný most je část konstrukce, která má součinitel prostupu tepla výrazně vyšší než okolní konstrukce. Následkem toho dochází v daném místě k vyššímu tepelnému toku, což má za následek: Zvýšené tepelné ztráty v předmětném místě Nižší povrchové teploty v interiéru (riziko kondenzace vodní páry) Tepelné mosty mohou být lineární (ŽB sloup) nebo bodové (kotva TI) Pokud se tepelné mosty systematicky opakují, označujeme je jako systematické tepelné mosty (střešní krokve, svislé sloupky dřevostavby) Tepelná vazba je styk dvou nebo více stavebních konstrukcí, které mají odlišné hodnoty součinitele prostupu tepla (resp. tepelného odporu), čímž je v daném místě ovlivněn tepelná tok (návaznost ostění a okna, návaznost střechy a stěny) 13
Tepelné mosty a tepelné vazby Omezení výskytu tepelných mostů je vhodné i u běžné výstavby. U budov s nízkou spotřebou energie je to nezbytné Principiálně, by měla tepelná izolace obvodových stěn, podlahy v nejnižším podlaží a střechy být vzájemně propojena bez přerušení Problematické místa: Vyřešení návaznosti střechy na obvodovou zeď Napojení oken v místě ostění Okno by mělo být navrženo v úrovni tepelné izolace. V opačném případě dochází ke zvýšeným tepelným ztrátám. Mechanická kotvení venkovních zateplovacích systému (ETICS) Návrh plastových kotev místo kovových a snížení jejich velikosti 14
Vnitřní dispozice Uspořádání vnitřní dispozice s ohledem na vnitřní teploty v jednotlivých místnostech a na soulad vytápěcích režimů není vždy nutnou podmínkou. Z návrhu obvodových konstrukcí s nízkými hodnotami součinitele prostupu tepla U, ztrácí výše zmíněné uspořádání význam Zónování je vhodné využít z důvodu orientace místností na osluněné světové strany. To má význam nejen energetický, ale také hygienický a psychologický Na severní stranu orientujeme místnosti, které jsou pro pobyt osob méně využívány (zádveří, WC, garáže, sklady), Místnosti na severní straně tvoří nárazníkovou zónu Obývací pokoje umisťujeme na jižní, jihovýchodní a západní stranu (využívány především odpoledne a večer). Ložnice z důvodu ranního oslunění navrhujeme na severovýchod až jihovýchod Přechodovou zónu tvoří místnosti uvnitř dispozice (chodby, schodiště, ) 15
Vnitřní dispozice 16
Akumulace tepla Účelem akumulace tepla je uchování přebytků tepla do doby, kde je teplo třeba do objektu znovu dodat. Rozlišujeme dvojí možnost akumulace tepla: Akumulace tepla do stavebních konstrukcí Akumulace tepla do samostatných akumulačních zásobníků Akumulace do stavebních konstrukcí je pasivní akumulací v důsledku uspořádání stavebních konstrukcí a jejich tepelně technických vlastností Schopnost tepelné akumulace stavebního materiálu závisí na tepelné jímavosti b, potažmo na hodnotách tepelné vodivost λ [W.m -2. K -1 ], měrné tepelné kapacity c [J.kg.K -1 ] a na objemové hmotnosti ρ v [kg.m -3 ]. Platí: b = λ. c. ρ v [W 2.s.m -4.K -2 ] 17
Akumulace tepla Tepelná jímavost materiálu vyjadřuje schopnost přijímat a uvolňovat teplo. Čím větší je hodnota tepelné jímavosti v, tím více tepla je materiál schopen přijmout. A naopak Velkou tepelnou jímavost mají materiály o velké objemové hmotnosti jako jsou kovy, kámen, beton, zdivo z plných pálených cihel Malou tepelnou jímavost mají materiály jako jsou polystyreny, vláknité materiály, pěnový polyuretan, dřevo nebo moderní zdící tvárnice z lehkých betonů, S tepelnou jímavostí také souvisí součinitel teplotní vodivost materiálu a [m 2.s -1 ]. Součinitel teplotní vodivosti vyjadřuje schopnost vyrovnávat rozdílné teploty při neustálém vedení tepla Vysoká hodnota tepelné jímavosti b a nízká hodnota tepelné vodivosti a znamená, že materiál se pomalu ohřeje a pomaluji předává teplo okolí. A naopak 18
Akumulace tepla Do stavebních konstrukcí proniká teplo prostřednictvím přímého slunečního záření. Po dopadu slunečních paprsků se povrch ohřeje. Část tepla je odvedena do konstrukce, kde se akumuluje a část odchází do okolí Dále se teplo v konstrukcích akumuluje prostřednictvím proudění teplého vzduchu (poměrně méně než přímým zářením) Množství tepla akumulovaného v konstrukcí závisí na: Hodnotě tepelné jímavosti b Intenzitě slunečního záření Době oslunění konstrukce, nebo proudění okolního vzduchu V našich klimatických podmínkách je možno využitím tepelné akumulace zajistit až 15% úsporu tepla oproti budovám bez akumulace 19
Akumulace tepla Energie, která do interiéru dopadá v zimním slunečném dnu, většinou převyšuje okamžité tepelné ztráty a musí být akumulovaná do konstrukce. Vzhledem ke krátkým zimním dnům ji pak hned po západu slunce začneme využívat. Díky akumulační konstrukci máme zajištěnu větší tepelnou setrvačnost prostředí, což znamená pomalejší změnu vnitřní teploty. 20
Akumulace tepla Význam tepelné akumulace se nesmí přeceňovat. Tepelná akumulace nenahrazuje tepelně- izolační vlastnosti konstrukcí, ale je možné ji pozitivně využít: Akumulace tepla dodává tepelnou energii v době teplotního deficitu vyrovnává přestávky v topení při lokálním vytápění Ve spojení s pasivním využitím sluneční energie pozitivně ovlivňuje energetickou bilanci Vyvářený poměr dobrých tepelně izolačních parametrů a tepelně akumulačních vlastností budovy výrazně přispívá k vytvoření dobrého vnitřního klimatu. Tradiční zděné stavby z plných pálených cihel mají v důsledku vysokých hodnot výše uvedených veličin λ, c a ρ v velkou schopnost akumulace tepla. Naproti tomu stavby z moderních zdicích materiálů či dřevostavby s lehkými obvodovými stěnami mají schopnost akumulovat teplo velmi malou. 21
Akumulace tepla 22
Akumulace tepla Nejvýhodnějším pasivním systémem by bylo použití translucentní (transparentní) izolace. Vnější strana straně obvodové konstrukce orientované na jih. Jedná se o průsvitné izolace ze skla nebo plastu schopné propouštět sluneční záření k povrchu konstrukce. Tím by bylo možné solární zisky akumulovat do této konstrukce a následně s příslušným fázovým posunem je využívat v interiéru. Bohužel většímu využití tohoto řešení stále brání vysoká cena (10 000 Kč/m 2 )a technické požadavky na umístění izolace. V ČR firma STO Sto Therm SOLAR 23
Akumulace tepla 24
Akumulace tepla 25
Akumulace tepla Význam tepelné akumulace se nesmí přeceňovat. Tepelná akumulace nenahrazuje tepelně- izolační vlastnosti konstrukcí, ale je možné ji pozitivně využít: Akumulace tepla dodává tepelnou energii v době teplotního deficitu vyrovnává přestávky v topení při lokálním vytápění Ve spojení s pasivním využitím sluneční energie pozitivně ovlivňuje energetickou bilanci Vyvážený poměr dobrých tepelně izolačních parametrů a tepelně akumulačních vlastností budovy výrazně přispívá k vytvoření dobrého vnitřního klimatu. Tradiční zděné stavby z plných pálených cihel mají v důsledku vysokých hodnot výše uvedených veličin λ, c a ρ v velkou schopnost akumulace tepla. Naproti tomu stavby z moderních zdicích materiálů či dřevostavby s lehkými obvodovými stěnami mají schopnost akumulovat teplo velmi malou. 26
Výplně otvorů Výplně otvorů jako jsou okna a dveře jsou nedílnou součástí obvodového pláště. Jejich velikost a umístění má vliv na celý objekt (estetický, architektonický, dispoziční, funkční, hygienický, energetický). Z energetického hlediska jsou výplně otvorů nejslabším článkem obvodových konstrukcí. Tepelné ztráty skrze výplně otvorů mohou činit až 40 % z celkových tepelných ztrát. Z toho důvodu je tlak na minimální plochu výplní otvorů (za předpokladu zajištění denního osvětlení). Při předběžném návrhu můžeme vycházet z poměru plochy okenního otvoru k podlahové ploše místnosti: U obytných místností a kuchyní 1:6 až 1:8 U příslušenství bytu 1:12 27
Výplně otvorů Požadavek na minimální tepelní ztráty vyžaduje, aby hodnota součinitele prostupu tepla U byla u výplně otvorů co nejmenší. Hodnota součinitele prostupu tepla závisí na: Typu zasklení (jeho hodnotě U) a velikosti plochy vzhledem k cellové ploše okna Typu okenního rámu (jeho hodnotě U) a velikosti plochy vzhledem k celkové ploše okna Typu distančního rámečku na okraji zasklení (jeho hodnotě U) a velikosti plochy vzhledem k celkové ploše okna Konstrukčním řešením vazby mezi oknem a ostěním Skutečným provedením vazby mezi oknem a ostěním 28
Výplně otvorů Typ zasklení U zasklené plochy okna je mezera, respektive mezery, mezi skly a jejich výplní Čím více je v okně skel, tím má okno větší tepelně izolační schopnosti (výroba oken s 2 a více skly) Pro zvýšení tepelněizolačních vlastností se prostor mezi skly vyplňuje plyny s nižší tepelnou vodivostí než má vzduch (argon, krypt, xenon, ) V praxi se více uplatňují dvojskla před trojskly. Důvodem je vyšší hmotnost a požadavek na masivnější konstrukce rámu. Taktéž se vyrábějí okna, kde mezi skly je osazena tenká fólie s vrstvou o nízké emisivitě, tzv. Heat mirror). Tato fólie je průhledná pro viditelné světlo, avšak odráží tepelné a ultrafialové záření. 29
Výplně otvorů 30
Výplně otvorů Revoluci v zasklení může způsobit systém multifólií, který dosahuje izolačních vlastností stěn, a přitom má vysokou propustnost sluneční energie. 31
Výplně otvorů Typ okenního rámu U současných vyráběných oken platí, že součinitele prostupu tepla rámu jsou vyšší než u zasklení. V případě, že rám zaujímá více než 15 % celkové plochy okna, je tato skutečnost nezanedbatelný. Je vhodné navrhovat oka, která mají rám pouze po obvodě a nejsou dělená v ploše. Navíc cena okna je dána délkou rámu (při stejné kvalitě zasklení). Podle konstrukčního řešení rozdělujeme okna: Jednoduchá Jednoduše zasklená S izolačním dvojskle S izolačním trojsklem Dvojitá Zdvojená Střešní a ostatní atypická okna 32
Výplně otvorů Podle materiálu rozdělujeme okna: Plastová vyrobená z komorových rámů vyztužených kovovými profily s 5, 6 až 8 vzduchovými komorami Dřevěná vyrobená z lepených dřevěných profilů nebo masivu Kovová vyrobená z hliníku nebo oceli. Rámy se skládají ze dvou profilu vzájemně spojených teplenou izolací. Kovová okna mají podstatně vyšší hodnoty součinitele prostupu tepla Kombinovaná např. kombinace dřeva a hliníku. Využívá se předností jednotlivých materiálů (tepelně izolačních vlastností dřeva a pevnosti hliníku) 33
Výplně otvorů Typ distančního rámečku: Distanční rámeček se umisťuje v místech okrajů zasklení a vymezuje šířku dutiny mezi skly. Vedle rámečku je pak osazen těsnící profil, který zajišťuje vzduchotěsnosti dutiny Typ distančního rámečku ovlivňuje celkovou hodnotu součinitele prostupu tepla okna Ozdobné rámečky osazené mezi skly nejsou vhodné 34
Výplně otvorů K výrobě standardních distančních rámečků se používá hliník, který je velmi tepelně vodivý a tudíž nevhodný. Lépe jsou na top rámečky z nerezové ocele. Teplé rámečky (Warm Edge) by měly být u oken pro pasivní domy samozřejmostí (viz obrázek). Jednu se o plastové rámečky, které mají kvůli přilnavosti tmelů kovové hrany. 35
Výplně otvorů Řešení vazby mezi oknem a ostěním Řešení a provedení detailu v místě kontaktu rámu okna a ostění není jednoduchou záležitostí. V praxi se velmi často podceňuje Z hlediska tepelné techniky je třeba, aby: Součinitel prostupu tepla nebyl větší než součinitel prostupu tepla vlastního okna Byla vyloučena kondenzace vodní páry v daném místě 36
Výplně otvorů Nepříjemné orosení okna na interiérové straně může být způsobeno více faktory, nejčastější je nízká povrchová teplota zasklení. Kvalitní okna a zasklení pro pasivní domy těmito problémy netrpí. Porovnání skel s teplým rámečkem (vlevo) a s běžným hliníkovým rámečkem (vpravo). 37
Požadavky na vzduchotěsnost Domy s nízkou spotřebou tepla by měly být vzduchotěsné. Nežádoucí proudění vzduchu do interiéru nebo do stavebních konstrukcí má velmi významný nežádoucí vliv na tepelné ztráty. Požadavek na vzduchotěsnost je v rozporu s hygienickými požadavky na větrání interiéru. Problém je většinou řešen nuceným větráním s rekuperací. 38
Hodnota součinitele prostupu tepla Je třeba zajistit, aby hodnoty součinitele prostupu tepla U obvodový konstrukcí byly minimální. Hodnoty by měly být na úrovni doporučených hodnot pro pasivní domy U pas,20 v ČSN 73 0540-2 (2011): Obvodové stěny Střecha šikmá se sklonem nad 45 Střecha plochá nebo šikmá do 45 Podlaha a stěna přilehlá k zemině Výplně otvorů ve stěně nebo střeše 0,18 až 0,12 W/(m 2.K) 0,18 až 0,12 W/(m 2.K) 0,15 až 0,10 W/(m 2.K) 0,22 až 0,15 W/(m 2.K) 0,8 až 0,6 W/(m 2.K)... U nízkoenergetických domů by mělo být navrženo cca 200 250 mm tepelní izolace ve svislých obvodových konstrukcích a 300 až 350 mm tepelné izolace ve střešním plášti U pasivních domů se doporučuje 300 400 mm tepelné izolace u stěn a 500 až 600 mm tepelné izolace ve střešním plášti 39
Zdroj: SOLAŘ, Jaroslav. Nízkoenergetické domy. Pozemní stavitelství IV. Dostupné také z: http://fast10.vsb.cz/studijni-materialy/ps4/index.html Děkuji za pozornost Ing. Michal Kraus, Ph.D. info@krausmichal.cz Dotazy či připomínky: michal.kraus@vsb.cz NPS 40