7 Tepelná technika Oblast tepelné techniky prožívá v současnosti bouřlivý vývoj, a to jak po stránce technické tak hlavně v oblasti norem. Následující text proto vychází z norem a doporučení zavedených do praxe v čase psaní této kapitoly s tím, že v dalších vydáních bude aktualizován. 7.1 Všeobecně Okenní výplně jsou nezbytnou součástí všech budov s trvalým pobytem osob. Jejich hlavní funkcí je zajištění dostatečného osvětlení a oslunění místností, zajištění výměny vzduchu v interiéru a v neposlední řadě také umožnění kontaktu s vnějším prostředím. Dalšími významnými funkcemi oken jsou jejich mechanická stabilita, vodotěsnost, zvuková izolace, požární odolnost, estetika apod. V porovnání s ostatními obvodovými konstrukcemi mají okenní výplně horší tepelně technické vlastnosti, tedy vyšší součinitel prostupu tepla U a nižší povrchové teploty. Z tepelně technického hlediska je třeba rozlišovat lehké obvodové pláště a okna (např. pásová). Pro okna a lehké obvodové pláště jsou totiž různé požadavky na součinitel prostupu tepla. Ke stanovení součinitele prostupu tepla lehkých obvodových plášťů a oken také existují rozdílné metody výpočtu. Tyto konstrukce mohou při pohledu na fasádu vypadat velmi podobně, liší se jejich konstrukční řešení. Lehký obvodový plášť (LOP) je pojem pro lehkou obvodovou vnější stěnu, která je sestavená z rámů vyrobených převážně z kovu. Rámy obvykle tvoří svislou a vodorovnou konstrukci spojující výplňové prvky (okna, neprůhledné panely, pevná zasklení). LOP tvoří opláštění budovy po celé výšce podlaží, většinou je průběžný po výšce několika podlaží. Naproti tomu okna jsou samostatná okenní konstrukce vsazená do obvodové stěny. Okna se mohou skládat z otvíravých i pevných křídel. Podstatný rozdíl mezi okny a LOP je to, že neprůhledné části jsou tvořeny obvodovou stěnou a mohou sloužit jako nosná konstrukce oken. U LOP jsou neprůhledné části vloženy do rámů LOP. 7.2 Tepelná izolace oken, dveří a fasád 7.2.1 Základní tepelně technické-charakteristiky Tepelný odpor R [m 2. K/W] schopnost konstrukce zamezit šíření tepla. Je definován poměrem tloušťky materiálu d [m] a jeho součinitelem tepelné vodivosti λ [m.k/w], viz rovnice (2). [m 2. K/W] (2) Součinitel prostupu tepla U [W/m 2. K] vyjadřuje velikost tepelného toku plošnou konstrukcí, při jehož průchodu jedním čtverečným metrem vzniká na vnitřní a vnější straně teplotní rozdíl jeden Kelvin. V případě oken a lehkých obvodových plášťů se hodnotí součinitel prostupu tepla zasklení Ug, součinitel prostupu tepla rámu Uf a součinitel prostupu tepla neprůhledných panelů Up a celkový součinitel prostupu tepla konstrukce (Uw pro okna a Ucw pro lehké obvodové pláště). Součinitel prostupu tepla lze ručně spočítat pro homogenní konstrukce (např. betonová stěna s tepelnou izolací, pro výpočet součinitele prostupu tepla složitých konstrukcí, např. okenních rámů je třeba použít výpočetní program pro řešení dvourozměrného teplotního pole - Area, WinIso, Flixo, Therm ). Vzorec (3) vyjadřuje závislost mezi tepelným odporem R a součinitelem prostupu tepla U: kde Rsi je odpor při přestupu tepla na vnitřní straně, Rse odpor při přestupu tepla na vnější straně. [W/m 2. K] (3) 44
Odpor při přestupu tepla R si, resp. R se je tepelný odpor mezní vzduchové vrstvy přiléhající bezprostředně k vnitřní, resp. k vnější straně konstrukce a je dán vztahem (4): [m 2. K/W] (4) kde h i je součinitel přestupu tepla na vnitřní straně; h e součinitel přestupu tepla na vnější straně. Odpor při přestupu závisí na proudění vzduchu. Odpor při přestupu tepla na vnitřní straně zohledňuje polohu konstrukce a směr tepelného toku, proudění vzduchu je v tomto případě zanedbáno. Odpor při přestupu tepla na vnější straně zohledňuje proudění vnějšího vzduchu. Pokud je stěna či střešní konstrukce s větranou vzduchovou vrstvou, uvažuje se větraná vzduchová vrstva jako vnější prostředí. Proudění vzduchu uvnitř dutiny se zohlední použitím odporu při přestupu tepla na vnější straně rovného odporu při přestupu tepla na vnitřní straně. V Tabulce č.7.1 je uveden přehled součinitelů a odporů při přestupu tepla: Tabulka č.7.1 - Odpory a součinitele při přestupu tepla při výpočtu tepelných toků (součinitele prostupu tepla) Povrch Odpor při přestupu tepla R s [m 2. K/W] Součinitel přestupu tepla h s [W/m 2. K] Vnější povrch obecně 0,04 25,0 Vnější povrch stěny s provětrávaným obkladem 0,13 7,69 Vnější povrch stropu s provětrávaným obkladem 0,10 10,0 Vnitřní povrch s vodorovným směrem tepelného toku (stěna) 0,13 7,69 Vnitřní povrch se směrem tepelného toku vzhůru (strop, střecha) 0,10 10,0 Vnitřní povrch se směrem tepelného toku dolů (podlaha) 0,17 5,88 Vnitřní povrch oken - běžné části oken (sklo..) 0,13 7,69 Vnitřní povrch oken se sníženým přenosem tepla sáláním nebo prouděním 0,20 5,0 Součinitel tepelné vodivosti λ [W/m.K] udává hodnotu tepelného toku ve W, který projde krychlí o jednotkové hraně mezi dvěma protilehlými stěnami, mezi nimiž je teplotní rozdíl 1 K, jsou-li ostatní stěny krychle dokonale izolovány. Obecně má na hodnotu součinitele tepelné vodivosti látek vliv objemová hmotnost a pórovitost materiálu, jeho vlhkost, směr tepelného toku, chemické složení a teplota. Tepelná vodivost materiálů pro okna a LOP je uvedena v příloze A normy ČSN EN ISO 10077-2 [6], tepelná vodivost ostatních materiálů je uvedena v ČSN 73 0540-3 [3], případně lze vycházet z hodnověrných podkladů výrobců. Lineární činitel prostupu tepla ψ [W/m.K] vyjadřuje množství tepla ve wattech, které prochází při vzniku teplotního rozdílu 1 K tepelným mostem o délce 1 m. Lineární činitel prostupu tepla v případě lehkých obvodových plášťů charakterizuje přídavný tepelný tok vlivem napojení výplňových prvků do rámu LOP. Jedná se o lineární činitel prostupu tepla vlivem zasklení ψ g, vlivem napojení neprůhledného panelu ψ p a vlivem osazení okenního rámu ψ f. 7.2.2 Okrajové podmínky dle ČSN 73 0540-3 [3] Okrajové podmínky značně ovlivňují především výpočet vnitřních povrchových teplot a teplotního faktoru. Z hlediska výpočtu povrchových teplot a součinitele prostupu tepla se uvažuje s okrajovými podmínkami www.cklop.cz 45
pro zimní období, z hlediska tepelné stability místností se uvažuje s návrhovými podmínkami pro letní období. Dodavatel lehkého obvodového pláště není povinen počítat tepelnou stabilitu místností, proto jsou v tomto textu uvedeny pouze okrajové podmínky pro zimní období. Exteriér - zimní období: Návrhová teplota venkovního vzduchu v zimním období θ e se stanoví v závislosti na teplotní oblasti a nadmořské výšce. Teplotní oblasti a tabulka s přehledem návrhových teplot venkovního vzduchu pro vybrané lokality jsou uvedeny v Příloze H normy ČSN 73 0540-3 [3]. V Tabulce č.7.2 jsou uvedeny příklady návrhových teplot v exteriéru pro vybraná města. Tabulka č.7.2 Obec - Vybrané teplotní oblasti pro vybrané obce v ČR Nadmořská výška h [m n. m.] Teplotní oblast Návrhová teplota venkovního vzduchu v zimním období θ e [ C] Zatížení větrem v krajině Brno 227 2-15 zvýšené České Budějovice 384 3-17 zvýšené Hradec Králové 244 2-15 normální Karlovy Vary 379 3-17 zvýšené Olomouc 226 2-15 normální Ostrava 217 2-15 normální Praha 181 1-13 normální Trutnov 428 4-19 normální Relativní vlhkost venkovního vzduchu závisí na návrhové vnější teplotě a vztah pro její výpočet je uveden v ČSN 73 0540-3 [3], pro většinu oblastí je tato hodnota φ e = 84%. Interiér: Návrhová vnitřní teplota a vnitřní relativní vlhkost se stanoví podle přílohy I normy ČSN 73 0540-3, pokud nestanoví technický předpis, provozní a technologické podmínky, požadavky projektanta či investora jinak. Vnitřní relativní vlhkost bývá kritickým místem navrhování lehkých obvodových plášťů a oken z hlediska vnitřních povrchových teplot konstrukcí. Vnitřní relativní vlhkost se může výrazně lišit od vlhkosti uváděné v normě. Proto je vhodné na počátku projektu stanovit spolu s investorem pevně dané parametry vnitřního prostředí, pro něž bude fasáda projektována. K návrhové teplotě vnitřního vzduchu je třeba připočíst přirážku zohledňující typ budovy a způsob vytápění Δθ ai. Výsledná výpočtová teplota θ ai,u se stanoví: [ C] (5) V Tabulce č.7.3 jsou uvedeny návrhové teploty a relativní vlhkosti vzduchu v zimním období pro vybrané druhy budov dle přílohy I normy ČSN 73 0540-3. 46
Tabulka č.7.3 - Návrhové teploty a relativní vlhkosti vnitřního prostředí pro vybrané místnosti Druh místnosti s požadovaným stavem vnitřního prostředí Návrhová vnitřní teplota v zimním období θ e [ C] Vnitřní relativní vlhkost Φ i Obytné budovy Obývací místnosti 20 50 Administrativní budovy Kanceláře, čekárny, zasedací síně, jídelny 20 50 Školní budovy Učebny, kreslírny, rýsovny, kabinety, laboratoře, jídelny 20 55 Zdravotnická zařízení Ordinace 24 50 Pokoje pro nemocné 22 55 Obchodní stavby Prodejní místnosti všeobecně 20 50 7.2.3 Požadavky dle ČSN 73 0540-2 [2] Požadavky vychází z té normy, která platila v době, kdy bylo vydáno stavební povolení na daný objekt. 7.2.3.1 Součinitel prostupu tepla Požadavky na lehké obvodové pláště a okenní výplně jsou uvedeny v národní normě ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky [2]. Požadavek i doporučená hodnota se liší pro okna a lehké obvodové pláště; požadavek pro součinitel prostupu tepla LOP vychází z poměrné plochy průsvitné výplně otvoru. Požadavky ČSN 73 0540-2 na součinitel prostupu tepla jsou uvedeny v Tabulce č.7.4. Tabulka č.7.4 Popis konstrukce - Požadavek na součinitel prostupu tepla LOP a oken Okno, dveře a jiná výplň otvoru ve vnější stěně a strmé střeše, z vytápěného prostoru do venkovního prostředí (včetně rámu); jejich kovové rámy přitom musí mít U f 2,0 W/m 2. K, ostatní rámy těchto výplní otvorů musí mít U f 1,7 W/m 2. K. Lehký obvodový plášť, hodnocený jako smontovaná sestava včetně nosných prvků, s poměrnou plochou průsvitné výplně otvoru f w = A w /A, v m 2 /m 2, kde A je celková plocha lehkého obvodového pláště (LOP), v m 2 ; f w 0,50 Součinitel prostupu tepla U N,20 [W/m 2. K] Požadované hodnoty Doporučené hodnoty 1,7 1,2 0,3 + 1,4. f w 0,2 + f w A w plocha průsvitné výplně otvoru včetně příslušných částí rámu LOP, v m 2 ; f w > 0,50 0,7 + 0,6. f w Rámy LOP by přitom měly mít U f 2,0 W/m 2. K. www.cklop.cz 47
Podle posledního vydání ČSN 73 0540-2 z dubna roku 2007 není pro rámy LOP požadavek U f 2,0 W/m 2. K závazný, je to pouze doporučení normy. Pokud to investor nevyžaduje, není nutné U f prokazovat, nesplnění doporučení rozhodně není závadou fasády. Naopak u okenních konstrukcí jsou požadavky na rámy oken pevně dané. 7.2.4 Tepelně technické parametry LOP Jak již bylo výše popsáno, základním tepelně izolačním parametrem lehkých obvodových plášťů a oken je součinitel prostupu tepla. V této kapitole jsou popsány dílčí parametry pro výpočet celkového součinitele prostupu tepla a způsob jejich výpočtu. 7.2.4.1 Přenos tepla Do výpočtu součinitele prostupu tepla je třeba zahrnout všechny způsoby přenosu tepla. Jsou to: přenos tepla vedením (transmise), přenos tepla prouděním (konvekce), přenos tepla sáláním (radiace). Všechny druhy přenosu tepla jsou závislé na teplotním spádu uvnitř konstrukce. K vedení tepla dochází uvnitř látek všech skupenství, nejvýznamnější je uvnitř pevných látek. Přenos tepla vedením nejvíce záleží na součiniteli tepelné vodivosti λ [W/m.K] materiálu, kterým je konstrukce tvořena. K proudění a sálání dochází uvnitř kapalin a plynů, k přenosu tepla sáláním může docházet i ve vakuu. Proudění je jev, kdy dochází k pohybu molekul plynných (popř. kapalných látek) a předávání tepelné energie mezi molekulami navzájem. Závisí především na rozměrech plynového prostoru. Sálání je jev, při němž látka vyzařuje do prostoru energii, kterou přijímá jiná látka. Množství vyzařované i pohlcované energie závisí na teplotách obou látek, na emisivitě jejich povrchů a rozměrech prostoru, ve kterém k sálání dochází. U složených stavebních prvků, kde jsou uzavřeny vzduchové konstrukční meziprostory, je tedy třeba zohlednit vliv všech tří energetických mechanismů. 7.2.4.2 Dílčí tepelně-technické parametry Součinitel prostupu tepla rámu U f se počítá podle ČSN EN ISO 10077-2 [6] a charakterizuje celkový prostup tepla 1 m 2 plochy okenního rámu nebo rámu LOP. Plocha 1 m 2 je uvažována při zachování původní šířky rámu. Šířka rámu má totiž na součinitel prostupu tepla rámu významný vliv. S rostoucí šířkou rámu se součinitel prostupu tepla snižuje. Legenda 1 Vnitřní část 2 Střední část 3 Vnější část 48
Z obrázku je patrné, že největší teplotní spád uvnitř rámu se odehrává právě v střední části. Ve vnitřní i ve vnější části určitý teplotní spád je, ale nedosahuje ani velikosti 1 K. Vnitřní a vnější část rámu proto nemají na výsledný součinitel prostupu tepla rámu podstatný vliv. Střední část rámu je proto někdy nazývána tepelným mostem rámu. Součinitel prostupu tepla rámu lze nejúčinněji snížit úpravou právě střední části rámu. Možností je např. vkládání materiálů s nízkou tepelnou vodivostí či dělení vzduchových dutin, apod. Od července 2007, kdy vstoupila v České republice v platnost ČSN EN 13947 [8], je třeba do součinitele prostupu tepla rámu LOP zahrnout vliv kotev a šroubů prostupujících střední částí rámu. Jedná se především o šrouby přítlačné lišty u rastrových fasád. Výpočtový postup pro stanovení tepelného vlivu šroubů je popsaný v příloze C normy ČSN EN 13947 [8]. Šroub je podle ČSN EN 13947 modelován jako průběžný ( rozprostřený ) šroub o ekvivalentní tepelné vodivosti λ s,eq a tloušťce, která je shodná se skutečným průměrem šroubu. Ekvivalentní tepelná vodivost šroubu se vypočte podle rovnice (6). Ekvivalentní tepelná vodivost vzduchového prostoru kolem šroubu se vypočte za předpokladu, že se jedná o jeden souvislý vzduchový prostor (při výpočtu vzduchového prostoru jako dvou dutin rozdělených šroubem se do výpočtu vnáší chyba). kde d s je průměr šroubu; λ s tepelná vodivost šroubu; l s vzdálenost mezi šrouby. [W/m.K] (6) Pro výpočet součinitele prostupu tepla dvojskla, popř. trojskla U g existuje samostatná norma ČSN EN 673 [7]. Stanoví se podle vzorce (7): kde h e a h i jsou vnější a vnitřní součinitele přestupu tepla, ve W/m 2. K; h t celkový součinitel prostupu tepla zasklení. [m 2. K/W] (7) Celkový součinitel prostupu tepla zasklení h t se stanoví obrácením hodnot tepelného odporu všech homogenních vrstev uvnitř izolačního skla a tepelné vodivosti plynového meziprostoru. Tepelná vodivost plynového meziprostoru závisí na emisivitě ohraničujících povrchů, na teplotě uvnitř meziprostoru, na vlastnostech použitého plynu, na šířce a poloze plynového meziprostoru. Ke snížení součinitele prostupu tepla zasklení U g napomohou nejvíce následující úpravy: Volba optimální vzdálenosti skel (plynového meziprostoru). Na velikosti plynové dutiny totiž závisí ekvivalentní tepelná vodivost plynu. Optimální šířka vzduchového meziprostoru je z hlediska součinitele prostupu tepla U g, lineárního činitele prostupu tepla vlivem zasklení ψ g i z hlediska povrchových teplot 16 mm. U vzácných plynů (např. krypton) se optimální tloušťka zasklení liší. Použití vzácného plynu v meziprostoru mezi skleněnými tabulemi. Běžně používaným plynem je argon, nejlepší tepelně izolační vlastnosti má z používaných plynů krypton. Krypton se však používá při tloušťce plynového meziprostoru 10-12 mm, což vede ke snížení povrchových teplot a ke zvýšení lineárního činitele prostupu tepla ψ g. www.cklop.cz 49
Snížení emisivity povrchu skel ohraničujících plynový meziprostor. Nízkoemeisivní (low-e) vrstva se nejčastěji nanáší na jeden vnitřní povrch. Low-E vrstva může být nanesena na oba vnitřní povrchy, ale snížení U p ve srovnání s dvojsklem s jednou low-e vrstvou už není výrazné a z ekonomických důvodů se většinou neprovádí. Poloha dvojskla. Nejnižší součinitel prostupu tepla má dvojsklo ve vertikální poloze, při naklonění zasklení o 45 se U g zvyšuje přibližně o 43%, v horizontální poloze je U g o 59% vyšší, což bylo prokázáno i měřením. Součinitel prostupu tepla panelu U p se spočítá v souladu s ČSN 73 0540-4 [4] podle vzorce (3). Součinitel tepelné vodivosti neprůhledné části by měl splňovat požadavek pro součinitel prostupu tepla lehkých stěn U = 0,30 W/m 2. K. Pro neprůhledné panely LOP se jako tepelná izolace používají nejčastěji minerální vlákna. Používají se také panely z polyuretanové pěny, která má přibližně o čtvrtinu nižší tepelnou vodivost než minerální vlákna. S PUR panely je možné dosáhnout nižší tloušťky neprůhledné části. Poměrně novým trendem jsou tzv. vakupanely. Jejich tloušťka odpovídá tloušťce dvojskla a díky vakuové izolaci lze při této tloušťce dosáhnout součinitele prostupu U p 0,3 W/m 2. K. např. 26 mm Vakuový izolant Al, Sklo, Keramika, atd. Al nebo Fe plech, atd. Řez panelem VAKUPANEEL, který při tloušťce 26 mm je schopen nahradit klasické řešení s panelem s minerální vatou tloušťky 140 mm Speciální rámeček Vzduchotěsná folie Příklad řešení s výplní VAKUPANEEL a běžně používaný izolační panel VAKUPANNEL Běžné řešení izol. panelu Lineární činitel prostupu tepla ψ vyjadřuje boční tepelnou vazbu v místě spojení dvou plošných konstrukcí. V lehkých obvodových pláštích se vyskytují následující lineární činitele prostupu tepla. Lineární činitel prostupu tepla vlivem zasklení ψ g vyjadřuje boční tepelný tok v místě uložení zasklení do rámu okna či LOP. ψ g lze zanedbat pouze v případě, že je jako zasklení použito jednoduché sklo. V největší míře ho ovlivňuje použitý distanční rámeček, tedy tepelná vodivost použitého materiálu. Dalšími parametry, které mají na ψ g vliv, jsou hloubka uložení dvojskla do rámu, tloušťka vrstvy primárního i sekundárního tmelu i druh použitého tmelu, šířka použitého dvojskla, šířka plynového prostoru uvnitř dvojskla, apod. Tabulka č.7.5 ukazuje přehled lineárních činitelů prostupu tepla vlivem zasklení pro dva typy rámů: okenní 50
systém Schueco RS 75 SI a fasádní systém Schueco FW 60+. U obou systémů byly provedeny výpočty lineárního činitele prostupu tepla vlivem uložení dvojskla při použití různých distančních rámečků. Ostatní parametry zůstaly zachovány. U všech distančních rámečků byl použit primární tmel z butylu tloušťky přibližně 0,25 mm, sekundární tmel z polysulfidu tloušťky přibližně 2,5 mm. Detaily byly modelovány v souladu s normou ČSN EN ISO 10077-2 [6]. Výpočet by proveden v programu pro 2D výpočty teplotního pole Flixo 5. Okenní systém Schueco RS 75 SI Fasádní systém Schueco FW 60+ Dvojsklo 6-16 - 6 Dvojsklo 5.5.2-16 - 10 Hloubka založení dvojskla 14 mm Hloubka založení dvojskla 14 mm Fasádní systém Schueco FW 60+ Okenní systém Schueco RS 75 SI www.cklop.cz 51
Tabulka č.7.5 Typ rámečku - Přehled lineárních činitelů prostupu tepla vlivem zasklení pro různé typy distančních rámečků udávaných výrobci Materiál Tepelná vodivost [W/m.K] Lineární činitel prostupu tepla ψg [W/m.K] OKNO SCHUECO RS 75 SI FASÁDNÍ SYSTÉM SCHUECO FW 50+ ALU hliník 160 0,114 0,130 Ferrotech ocel 50 0,104 0,119 Chromatec nerezová ocel 17 0,093 0,107 Chromatec Plus nerezová ocel Cr - Ni 14,3 0,069 0,078 TGI * hliníková folie / plast 160 / 0,19 0,092 0,106 TGI-W * nerezová folie / plast 20 / 0,19 0,059 0,067 Swisspacer hliníková folie / kompozit 14,3 / 0,19 0,090 0,104 Swisspacer V nerezová folie / kompozit 14,3 / 0,19 0,056 0,064 Thermix nerezová folie / plast 14,6 / 0,23 0,057 0,065 * Pozn.: Hodnoty tepelné vodivosti jsou převzaty z článku Warm Edge Profil TGI: TGI reakce 10/2006 vydaného firmou Rover [10]. Zde jsou uvedeny hodnoty tepelné vodivosti použitého plastu a nerezové folie, které se liší v normových hodnotách a hodnotách změřených ve zkušebně IFT Rosenheim. Změřené hodnoty jsou nižší a bylo s nimi uvažováno ve výpočtu lineárního činitele prostupu tepla vlivem zasklení. Volba použití konkrétního typu distančního rámečku není ovlivněna pouze tepelně technickým hlediskem. Prvotní funkce distančního rámečku je vytvoření požadované šířky vzduchového meziprostoru mezi skly. Musí tedy být dostatečně pevný, aby byl schopen přenášet veškerá mechanická namáhání. S rozvojem použití vzácných plynu jako výplně meziskelního prostoru je důležitou funkcí distančního rámečku parotěsnost. Ta bývá zajištěna utěsněním napojení skel na rámeček primárním, nejčastěji butylovým tmelem. Plastové distanční rámečky mají sice nižší tepelnou vodivost, ale z hlediska mechanického namáhání nemohou být použity na tabule dvojskel větších rozměrů. Velký vliv na funkčnost dvojskla má také ohýbání, resp. spojování distančních rámečků. Pro správnou funkci dvojskla je výhodnější, je-li rámeček v rozích zahnutý. Distanční rámečky Swisspacer a Swisspacer-V ohýbat nelze a v rozích se spojují vložením speciálního rohového profilu. Tento spoj je nevýhodný z hlediska parotěsnosti a vzniká nebezpečí, že ze skla bude v průběhu jeho užívání unikat výplň ze vzácného plynu. Naproti tomu kovové rámečky i další plastové rámečky lze v rozích ohýbat, což je z hlediska zachování plynové výplně uvnitř dvojskla výhodnější. Lineární činitel prostupu tepla vlivem napojení neprůhledného panelu ψ p vyjadřuje vzájemné tepelné působení mezi rámem a neprůhledným panelem. Záleží na skladbě neprůhledného panelu a na způsobu jeho upevnění do rámu. Lineární činitel prostupu tepla vlivem napojení okenního rámu ψ f vyjadřuje vliv bočního tepelného toku mezi okenním rámem a rámem LOP. Hodnota ψ f je nejvíce ovlivněna materiálem, který je ke spojení obou profilů použit. I v tomto případě záleží na hloubce uložení přídavného profilu. Orientační hodnoty výše uvedených lineárních činitelů prostupu tepla jsou uvedeny v příloze B normy ČSN EN 13947 [8]. 52
7.2.5 Výpočet součinitele prostupu tepla oken a LOP Pro výpočet součinitele prostupu tepla oken a LOP existují rozdílné metodiky. 7.2.5.1 Výpočet součinitele prostupu tepla oken U w dle ČSN EN ISO 10077-1 [5] Výpočet se použije pro celé okno, popř. okenní sestavu. Jedná-li se o pásové okno, vybere se pro výpočet opakující se část okenní sestavy. Součinitel prostupu tepla jednoduchého okna se vypočítá ze vztahu (8): Pro kombinaci zasklené a neprůhledné výplně se hodnota U w vypočítá ze vztahu (9): [W/m 2. K] (8) [W/m 2. K] (9) Ve výpočtu se použijí dílčí tepelně technické parametry popsané v odst. 7.2.4. 7.2.5.2 Výpočet součinitele prostupu tepla LOP dle ČSN EN 13947 [8] Pro výpočet je nutné nejprve zvolit charakteristický výsek fasády, který reprezentuje celý LOP. Charakteristický výsek fasády je volen tak, aby zahrnoval opakující se části lehkého obvodového pláště. Pokud je fasáda různorodá a jednotlivé prvky se opakují například pouze v jenom konkrétním podlaží, je nutné zvolit charakteristický výsek fasády tak, aby v něm byly zahrnuty všechny prvky. V tomto případě by měl charakteristický výsek fasády výšku celé fasády. 7.2.5.2.1 Výpočetní metody Podle ČSN EN 13947 [8] existují dvě rozdílné metody výpočtu: metoda celkového hodnocení a metoda hodnocení po částech. Obě tyto metody vedou ke stejným výsledkům součinitele prostupu tepla lehkého obvodového pláště U cw. Přesný postup pro výpočet součinitele prostupu tepla LOP je popsán v ČSN EN 13947 [8]. V tomto textu je popsán jen základní princip výpočtu U cw. Metoda celkového hodnocení je založena na stanovení součinitele prostupu tepla plošných konstrukcí a součinitele prostupu tepla tepelné vazby. Z jednotlivých součinitelů prostupu tepla je potom stanoven vážený průměr. Místo součinitele prostupu tepla tepelné vazby může ve výpočtech figurovat lineární činitel prostupu tepla tepelné vazby. Tepelná vazba je definována jako prvek, který vzájemně spojuje dvě plošné konstrukce. Je to tedy sloupek, příčník, okenní rám či kombinace okenního rámu s rámem lehkého obvodového pláště spojující zasklení a neprůhledné panely. Tato metoda spočívá ve výpočtu celkového tepelného toku prostupujícího danou konstrukcí. Z tepelného toku se pak dopočítají charakteristiky tepelných vazeb konstrukce. www.cklop.cz 53
Metoda celkového hodnocení za použití součinitele prostupu tepla tepelné vazby U TJ : Součinitel charakteristického výseku LOP se stanoví podle vztahu (10): [W/m 2. K] (10) přičemž plochy A g, A p, A TJ jsou plochy zasklení, neprůhledných panelů a tepelných vazeb. Dohromady tvoří tyto dílčí plochy plochu charakteristického výseku fasády. Metoda celkového hodnocení za použití lineárního činitele prostupu tepla tepelné vazby ψ TJ : Součinitel charakteristického výseku LOP se vypočítá podle rovnice (11): [W/m 2. K] (11) přičemž A cw je celková plocha charakteristického výseku lehkého obvodového pláště a stanoví se jako součet všech dílčích ploch A g * a A p *; l TJ ψ TJ je délka tepelné vazby; je lineární činitel prostupu tepla tepelné vazby. Metodu celkového hodnocení lze použít pro všechny typy lehkých obvodových plášťů. Je vhodná při stanovení součinitele prostupu tepla již vyprojektované fasády, nedochází potom k nepřesnostem vlivem zaokrouhlování jednotlivých lineárních činitelů prostupu tepla. Je však nutné spočítat veškeré detaily charakteristického výseku, tedy spočítat jeden druh rámu několikrát, pokud jsou napojované plošné konstrukce odlišné po délce rámu. Obecně je však tato metoda rychlejší a přesnější oproti metodě hodnocení po částech. Při použití metody hodnocení po částech je třeba stanovit tepelně izolační vlastnosti jednotlivých prvků fasády. Celkový součinitel prostupu tepla se stanoví jako vážený průměr součinitele prostupu tepla jednotlivých prvků, figurují zde i lineární činitele prostupu tepla v místě napojení zasklení a panelů do rámových profilů a okenních rámů a lineární činitele prostupu tepla vlivem osazení okenních výplní do konstrukce lehkého obvodového pláště Ψ f. Tato metoda nemá univerzální použití, s jejím použitím lze hodnotit pouze modulové a rastrové systémy a systémy suchého zasklívání. Není vhodná pro hodnocení strukturálně lepených zasklení, dvojité fasády, fasády s provětrávaným obkladem a zasklení s protmelenou spárou. Z hlediska uživatele je tato metoda vhodná především v případě, že se součinitel prostupu tepla charakteristického výseku fasády počítá ve fázi návrhu lehkého obvodového pláště. Součinitele prostupu tepla sloupků, příčníků a okenních rámů se dají převzít z hodnot uváděných výrobci. Lineární činitele prostupu tepla vlivem zasklení, napojení oken na sloupky a příčníky a lineární činitele prostupu tepla napojení panelu mohou být pro předběžný výpočet převzaty z ČSN EN 13947 [8]. Při použití metody hodnocení po částech je znám součinitel prostupu tepla jednotlivých rámu. Do dubna roku 2007 muselo být deklarováno, že rámy LOP splňují požadavek U f 2,0 W/m 2. K, proto byla tato metoda výhodná. Dnes se již součinitel prostupu tepla rámů U f dokládat nemusí, proto je tato metoda pro již projektované fasády méně vhodná z důvodu časové náročnosti a možnosti zkreslení výsledků. 54
Tato metoda je založena na stejném principu jako výše popsaná metoda pro výpočet součinitele prostupu tepla oken U w a výpočet součinitele prostupu tepla LOP U cw je vyjádřen rovnicí (12): [W/m 2. K] (12) kde U g, U p jsou součinitele prostupu tepla zasklení a panelů; U f, U m, U t součinitele prostupu tepla okenních rámů, sloupků, příčníků; Ψ f,g, Ψ m,g, Ψ t,g, Ψ p lineární činitele prostupu tepla způsobené vlivem kombinovaných tepelných efektů v místě spojení zasklení či panelů a okenních rámů, sloupků a příčníků; Ψ m,f, Ψ t,f lineární činitele prostupu tepla způsobené vlivem kombinovaných tepelných efektů v místě spojení okenních rámů a sloupků a příčníků; Plocha lehkého obvodového pláště se stanoví výpočtem podle rovnice (13): kde A cw je plocha charakteristického výseku lehkého obvodového pláště; A celková plocha zasklení; A p celková plocha panelů; A f celková plocha okenních rámů; A m celková plocha sloupků; A t celková plocha příčníků. [m 2 ] (13) 7.2.6 Napojení oken a LOP na stavební konstrukce V ČSN 73 0540-2 jsou uvedeny požadované a doporučené hodnoty lineárního činitele prostupu tepla tepelných vazeb mezi konstrukcemi. Proto je třeba navrhovat detaily napojení okem a LOP na stavební konstrukce tak, aby byly tyto požadavky splněny. Požadavky na minimální lineární činitel prostupu tepla v souvislosti s výplněmi otvorů jsou uvedeny v Tabulce č.7.6. Dodavatel okenních výplní je povinen navrhnout takový připojovací detail, který splní uvedené požadavky. Tabulka č.7.6 - Požadované a doporučené hodnoty lineárního činitele prostupu tepla Ψ k,n tepelných vazeb mezi konstrukcemi dle ČSN 73 0540-2 Lineární činitel prostupu tepla Typ lineární tepelné vazby Ψ k,n [W/m.K] Požadované Doporučené hodnoty hodnoty Vnější stěna navazující na výplň otvoru, např. okno, dveře, vrata a část prosklené stěny v parapetu, bočním ostění a v nadpraží 0,10 0,03 Střecha navazující na výplň otvoru, např. střešní okno, světlík, poklop výlezu 0,30 0,10 www.cklop.cz 55
Při výpočtu lineárního činitele prostupu tepla tepelné vazby lze postupovat následujícím způsobem: Stanovit součinitel prostupu tepla rámu U f (místo skla je použit tepelně izolační materiál s λ 0,035 W/m.K). Namodelovat celý detail napojení výplňového prvku na stavební konstrukci, místo zasklení opět použít tepelný izolant. Stanovit tepelný tok detailu Φ, z ní spočítat tepelnou propustnost 2D modelu L dle vzorce (14): kde θ i a θ e jsou teploty vnitřního a vnějšího prostředí. [W/m.K] (14) Z hodnoty tepelné propustnosti spočítat dle vzorce (15) lineární činitel prostupu tepla Ψk. kde U p je součinitel prostupu tepla tepelné izolace, ve W/m 2. K; U f je součinitel prostupu tepla rámu, ve W/m 2. K; U s je součinitel prostupu tepla stěny, ve W/m 2. K; b p je šířka tepelné izolace, v m; b f je šířka profilu, v m; b s je šířka stěny, v m. [W/m.K] (15) V následujícím textu jsou uvedeny příklady napojení okna na obvodovou stěnu. Je uveden příklad hliníkových oken, která jsou napojena na stěnu s provětrávanou vzduchovou vrstvou a kamenným obkladem. 56
7.2.6.1 Okna umístěná v líci vnější fasády Hrana okna je ve stejné rovině jako vnější hrana fasády. Okna jsou pomocí ocelových plechů předsazena před úroveň tepelné izolace. Je třeba rám okna izolovat, např. pomocí tepelné izolace z extrudovaného polystyrenu způsobem, jakým je detail řešen v uvedeném příkladu. Je třeba dbát na to, aby byly zachovány minimální rozměry větrané vzduchové vrstvy a vstupních a výstupních otvorů. Šířka větrané vzduchové vrstvy by měla být alespoň 30 mm. Na obrázcích je pro ilustraci použit okenní systém Schueco AWS 75 SI. Obrázek č.7.1 - Příklad řešení napojení okna na vnější líc fasády Součinitel prostupu tepla rámu AWS 75 SI byl spočítán Uf = 1,7 W/m 2. K. www.cklop.cz 57
Obrázek č.7.2 - Výpočtový 2D model posuzovaného detailu Vypočítaný tepelný tok detailu je Φ = 14,843 W/m.K. Součinitele prostupu tepla jednotlivých konstrukcí a jejich šířky jsou uvedeny v Obrázku č.7.2. Dle rovnic (14) a (15) byl spočítán lineární činitel prostupu tepla tepelné vazby Ψ k = 0,047 W/m.K. 58
7.2.6.2 Okna umístěna v úrovni tepelné izolace Okenní výplně jsou v tomto případě umístěny na úroveň tepelné izolace. Je opět třeba dodržet zásady pro bezchybnou funkci větrané vzduchové vrstvy. Obrázek č.7.3 - Příklad řešení napojení okna na stěnu v úrovni tepelné izolace www.cklop.cz 59
Obrázek č.7.4 - Výpočtový 2D model posuzovaného detailu Vypočítaný tepelný tok detailu je Φ = 13,91 W/m.K. Součinitele prostupu tepla jednotlivých konstrukcí a jejich šířky jsou uvedeny v Obrázku č.7.2. Dle rovnic (14) a (15) byl spočítán lineární činitel prostupu tepla tepelné vazby Ψ k = 0,022 W/m.K. 60
7.3 Vnitřní povrchová teplota, teplotní faktor 7.3.1 Vlhkost vzduchu Atmosférický vzduch je vždy směs dvou složek, suchého vzduchu a vodní páry, která se nazývá vlhký vzduch. Množství vodní páry obsažené ve vzduchu lze vyjádřit několika způsoby, nejdůležitější jsou pojmy absolutní a relativní vlhkost. Absolutní vlhkost [g/m 3, kg/m 3 ] vyjadřuje hmotnost vodní páry obsažené v 1 m 3 vzduchu. Vzduch může pojmout pouze určité množství vodní páry, které závisí na teplotě vzduchu. Obecně platí, že s klesající teplotou klesá schopnost vzduchu pojmout vodní páru. Čím je vyšší teplota vzduchu, tím se zvyšuje schopnost vzduchu pojmout vodní páru. V tabulce je uvedeno absolutní vlhkost nasyceného vzduchu při různých teplotách. Tabulka č.7.7 - absolutní vlhkost nasyceného vzduchu v závislosti na teplotě θe [ C] -20-15 -10-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 10 Vsat [g/m 3 ] 0,88 1,38 2,13 2,52 2,98 3,51 4,13 4,84 5,55 6,34 7,24 8,25 9,38 θe [ C] 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 35 40 Vsat [g/m 3 ] 10,64 12,04 13,60 15,33 17,25 19,37 21,71 24,30 27,14 30,26 39,45 50,92 Relativní vlhkost [-, %] vyjadřuje stupeň nasycení vzduchu vodními parami. Vyjadřuje poměr mezi hmotností vlhkosti obsaženou ve vzduchu a mezi maximální vlhkostí vzduchu, kterou lze při dané teplotě dosáhnout. Z uvedeného vyplývá, že vlhkosti vzduchu 10 g/m 3 odpovídá při teplotě vzduchu 20 C relativní vlhkost φ. Určitá relativní vlhkost je nutná pro příjemné vnitřní klima. Jako hygienické minimum je uváděna vnitřní relativní vlhkost 30%. Optimální relativní vlhkost vnitřního prostředí se pohybuje v rozmezí 40-50%. www.cklop.cz 61
Obrázek č.7.5 - h-x diagram Na Obrázku č.7.5 je zobrazen h-x diagram, který zobrazuje teplotně vlhkostní chování vzduchu. Pokud je vzduch ohříván (chlazen), zůstává konstantní jeho měrná vlhkost (hmotnost vodní páry v 1 kg suchého vzduchu) a mění se vlhkost relativní. Pokud je vnitřní vzduch i zvlhčován, zůstává konstantní jeho enthalpie h. Relativní vlhkost vzduchu je závislá na užívání budovy. Relativní vlhkost v interiéru se nejvíce zvyšuje při vaření, sušení prádla, odpařováním vodní páry z rostlin, sprchování, apod. Lze ji naopak snížit přívodem venkovního vzduchu, při jeho ohřátí se relativní vlhkost výrazně sníží (viz h-x diagram). Reálně se tedy relativní vlhkost vnitřního vzduchu liší v závislosti na užívání budovy. Nejvyšší vlhkost lze očekávat u obytných budov (pokud pomineme bazény, velkokapacitní kuchyně, výrobní haly s vlhkým provozem, apod.). V domácnostech může být běžně vyprodukováno až 10 kg vodní páry za den. Při současném trendu těsných plastových oken a omezeném větrání z důvodu úspor energií je vnitřní relativní vlhkost uvnitř obytných budov často vyšší než 50%. Naopak u administrativních nebo školních budov chybí přirozené zdroje vlhkosti a proto musí být vnitřní vzduch v zimním období zvlhčován vzduchotechnicky. I poté se však vnitřní relativní vlhkost často pohybuje na hranici hygienického minima. Tyto skutečnosti by měly být zohledněny při projektování budovy. 62
7.3.2 Teplota rosného bodu Teplota rosného bodu významně souvisí s požadavky na vnitřní povrchovou teplotu výplní otvorů. Z Tabulky č.7.8 je názorné, že množství vodní páry obsažené v plně nasyceném vzduchu klesá zároveň s klesající teplotou. Rosný bod je teplota, při které je vzduch plně nasycen vodními parami (dosáhne relativní vlhkosti 100%). Pokud teplota klesne pod tento bod, dojde ke kondenzaci vodních par. Tabulka č.7.8 - Teplota rosného bodu v závislosti na teplotě a relativní vlhkosti vzduchu Teplota Teplota rosného bodu t r 1) ve [ C] při relativní vlhkosti vzduchu t [ C] 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 30 10,5 12,9 14,9 16,8 18,4 20,0 21,4 22,7 23,9 25,1 26,2 27,2 28,2 29,1 29 9,7 12,0 14,0 15,9 17,5 19,0 20,4 21,7 23,0 24,1 25,2 26,2 27,2 28,1 28 8,8 11,1 13,1 15,0 16,5 18,1 19,5 20,8 22,0 23,2 24,2 25,2 26,2 27,1 27 8,0 10,2 12,2 14,1 15,7 17,2 18,6 19,9 21,1 22,2 23,3 24,3 25,2 26,1 26 7,1 9,4 11,4 13,2 14,8 16,3 17,6 18,9 20,1 21,2 22,3 23,3 24,2 25,1 25 6,2 8,5 10,5 12,2 13,9 15,3 16,7 18,0 19,1 20,3 21,3 22,3 23,2 24,1 24 5,4 7,6 9,6 11,3 12,9 14,4 15,8 17,0 18,2 19,3 20,3 21,3 22,3 23,1 23 4,5 6,7 8,7 10,4 12,0 13,5 14,8 16,1 17,2 18,3 19,4 20,3 21,3 22,2 22 3,6 5,9 7,8 9,5 11,1 12,5 13,9 15,1 16,3 17,4 18,4 19,4 20,3 21,2 21 2,8 5,0 6,9 8,6 10,2 11,6 12,9 14,2 15,3 16,4 17,4 18,4 19,3 20,2 20 1,9 4,1 6,0 7,7 9,3 10,7 12,0 13,2 14,4 15,4 16,4 17,4 18,3 19,2 19 1,0 3,2 5,1 6,8 8,3 9,8 11,1 12,3 13,4 14,5 15,5 16,4 1,3 18,2 18 0,2 2,3 4,2 5,9 7,4 8,8 10,1 11,3 12,5 13,5 14,5 15,4 16,3 17,2 17-0,6 1,4 3,3 5,0 6,5 7,9 9,2 10,4 11,5 12,5 13,5 14,5 15,3 16,2 16-1,4 0,5 2,4 4,1 5,6 7,0 8,2 9,4 10,5 11,6 12,6 13,5 14,4 15,2 15-2,2-0,3 1,5 3,2 4,7 6,1 7,3 8,5 9,6 10,6 11,6 12,5 13,4 14,2 14-2,9-1,0 0,6 2,3 3,7 5,1 6,4 7,5 8,6 9,6 10,6 11,5 12,4 13,2 13-3,7-1,9-0,1 1,3 2,8 4,2 5,5 6,6 7,7 8,7 9,6 10,5 11,4 12,2 12-4,5-2,6-1,0 0,4 1,9 3,2 4,5 5,7 6,7 7,7 8,7 9,6 10,4 11,2 11-5,2-3,4-1,8-0,4 1,0 2,3 3,5 4,7 5,8 6,7 7,7 8,6 9,4 10,2 10-6,0-4,2-2,6-1,2 0,1 1,4 2,6 3,7 4,8 5,8 6,7 7,6 8,4 9,2 1) mezilehlé hodnoty lze stanovit lineární interpolací Příklad použití: vnitřní teplota: 20 C, relativní vlhkost vzduchu: 50% => teplota rosného bodu: t r = 9,27 C Ke vzniku kondenzace vodních par obsažených ve vzduchu nemusí být vždy ochlazen celý objem tohoto vzduchu. K orosení vodním kondenzátem dochází též, má-li některá plocha na kontaktu se vzduchem teplotu nižší než je rosný bod (např. okenní výplň). 7.3.3. Okrajové podmínky Parametry vnitřního a vnějšího prostředí jsou shodně jako při výpočtu součinitele prostupu tepla a jsou uvedeny v odst. 7.2.2. Pro výpočet povrchových teplot se použije odlišná hodnota součinitele (odporu) při přestupu tepla h si, resp. R si na vnitřním povrchu dle ČSN EN ISO 13788 [9]. Hodnoty odporu při přestupu tepla se liší pro neprůhledné konstrukce a okenní výplně a jsou uvedeny v Tabulce č.7.9. www.cklop.cz 63
Tabulka č.7.9 Povrch - Odpory a součinitele při přestupu tepla na vnitřním povrchu při výpočtu povrchových teplot Odpor při přestupu tepla R s [m 2. K/W] Součinitel přestupu tepla h s [W/m 2. K] Vnější povrch obecně 0,04 25,0 Vnější povrch stěny s provětrávaným obkladem 0,13 7,69 Vnější povrch stropu s provětrávaným obkladem 0,10 10,0 Vnitřní povrch - okenní konstrukce (zasklení a rámy) 0,13 7,69 Vnitřní povrch - ostatní konstrukce 0,25 4,0 7.3.4 Kritická vnitřní povrchová teplota [2] Riziko vzniku kondenzátu, popř. růstu plísní závisí na vnitřní povrchové teplotě konstrukcí. Na vnitřní povrchovou teplotu konstrukce mají vliv následující parametry: teplota venkovního vzduchu, tepelně izolační vlastnosti stavebního prvku, teplota vnitřního vzduchu. Kritická vnitřní povrchová teplota θ si,cr [ C] je vnitřní povrchová teplota, při které vnitřní vzduch dosáhne kritické vnitřní povrchové vlhkosti φ si,cr. Je to teplota, při níž dojde ke kondenzaci vodních par (vlhkost 100% - teplota rosného bodu), popř. vlhkost v konstrukci dosáhne 80% a vznikne riziko růstu plísní na povrchu konstrukce. Kritická vnitřní povrchová teplota se mění v závislosti na teplotě a relativní vlhkosti vnitřního vzduchu. Všechny stavební konstrukce musí mít nejnižší povrchovou teplotu vyšší než je požadavek normy (16). [-] (16) K nejnižším požadovaným povrchovým teplotám se připočítává přirážka zohledňující délku otopných přestávek, vliv lehké stavební konstrukce a u okenních výplní umístění otopných těles pod okny (17). [-] (17) Pro výplně otvorů je kritická teplota rosného bodu, tzn. 100% relativní vlhkost na povrchu konstrukce. Tento požadavek se vztahuje k rámům, průsvitným i neprůsvitným výplním otvorů (okna, světlíky, dveře) a průsvitné části lehkého obvodového pláště. Pro ostatní stavební konstrukce, jako jsou stěny, střechy, stropy, neprůsvitné části lehkého obvodového pláště apod. je kritická povrchová teplota, při níž konstrukce dosáhne relativní vlhkosti 80%. Při 80% vlhkosti stavebních materiálů již hrozí riziko růstu plísní na povrchu konstrukcí. Při parametrech vnitřního prostředí θi = 20 C φ i = 50% jsou požadavky na vnitřní povrchovou teplotu následující: okna θ si = 8,77 C (přirážka Δ θ si = -0,5 C na umístění otopných těles pod okny) stavební konstrukce (těžká) θ si = 13,11 C (přirážka Δ θ si = 0,5 C na tlumené vytápění) stavební konstrukce lehká θ si = 13,61 C (přirážka Δ θ si = 0,5 C na tlumené vytápění a přirážka Δ θ si = 0,5 C pro lehkou stavební konstrukci) Pro okna a jejich rámy platí požadavek na vnitřní povrchovou teplotu 8,77 C, pro napojení okenního rámu na stěnu (připojovací spáru) již platí požadavek 13,11 C. V případě lehkého obvodového pláště platí požadavek 8,77 C pro průsvitné části a jim příslušné rámy, pro neprůsvitné výplně a příslušné rámy platí požadavek jako pro lehkou stavební konstrukci 13,61 C. Přirážka Δ θ si = 0,5 C pro lehké stavební konstrukce zohledňuje plošnou hmotnost konstrukce 100 kg/m 2 64
a s tím spojenou nízkou tepelnou setrvačnost konstrukce. V místě napojení LOP na stavební konstrukce pak platí požadavek na vnitřní povrchovou teplotu stavebních konstrukcí těžkých 13,11 C. Na běžné konstrukci s vlhkostí 50% nesmí dojít ke kondenzaci vodních par. Naopak u objektů s vlhkým vnitřním prostředím (bazény, průmyslové objekty s vysokou vlhkostí ) je vznik kondenzátu připuštěn. Kritické detaily s rizikem kondenzace vodních par musí být ale vyřešeny tak, aby byl zajištěn odvod kondenzátu a nebyla ohrožena životnost a funkce konstrukce. Kritická vnitřní povrchová teplota je od roku 2007 nahrazena teplotním faktorem. V tomto textu byla uvedena pro názornost, její použití je výhodné při grafickém výstupu průběhu teplot uvnitř konstrukce, především při průběhu kritických izoterm konstrukcí. 7.3.5 Teplotní faktor Podle novely ČSN 73 0540-2 z roku 2007 se vnitřní povrchová teplota převádí na teplotní faktor f Rsi. Teplotní faktor vyjadřuje vnitřní povrchovou teplotu v závislosti na interiérové θ ai i exteriérové teplotě θ e. Hodnota teplotního faktoru stavebních konstrukcí musí být vyšší než je hodnota požadovaná ČSN 73 0540-2: [-] (18) Ke kritickému teplotnímu faktoru f Rsi,cr se připočítává bezpečnostní přirážka Δf Rsi zohledňující otopné přestávky a v případě výplní otvorů také umístění otopných těles pod okny. Požadovaná hodnota teplotního faktoru je dána vztahem (19): Pro vnitřní povrchovou teplotu θ si a teplotní faktor f Rsi platí vztahy (20) a (21): [-] (19) [-] (20) [ C] (21) Pro okenní výplně a lehké obvodové pláště je kritická vlhkost φ si,cr = 100% a kritická vnitřní povrchová teplota odpovídá teplotě rosného bodu. Výpočtem dvourozměrného teplotního pole kritického detailu lze stanovit nejnižší povrchové teploty. Kritickým místem je v případě oken nebo LOP napojení zasklení do rámu. Snížení povrchové teploty je v tomto bodě způsobeno vyšší tepelnou vodivostí distančního rámečku. Jak již bylo zmíněno v souvislosti s lineárním činitelem prostupu tepla vlivem zasklení, je třeba používat plastové distanční rámečky. 7.3.6 Příklady průběhů izoterm detaily LOP a oken Veškeré 2D výpočty jsou provedeny v programu Flixo Professional 5. 7.3.6.1 Porovnání fasádního systému Schueco FW 50+ s vysokou lištou a s nízkou lištou Na následujících obrázcích jsou porovnány vnitřní povrchové teploty u fasádního systému Schueco 50 FW+ s vysokou a nízkou přítlačnou lištou. U obou detailů jsou použity shodné distanční rámečky TGI-W, stejná je i hloubka uložení dvojskla dovnitř profilu 13 mm. U profilu s vysokou lištou vycházejí vyšší povrchové teploty než u profilu s nízkou lištou, ale rozdíl není příliš významný. Profily s nízkou lištou lze používat, ale je třeba vždy ověřit nejnižší vnitřní povrchové teploty. www.cklop.cz 65
Větší vliv má použití nízké lišty na prostup tepla profilem, šroub přítlačné lišty ochlazuje vnitřní část profilu ve větší míře než u profilu s vysokou lištou. Obrázek č.7.6 - FW 50+ s vysokou lištou Obrázek č.7.7 - FW50+ s nízkou lištou 66
7.3.6.2 Strukturální zasklení - porovnání povrchových teplot při použití dvojskla a trojskla Dále byly porovnány povrchové teploty u strukturálního zasklení s dvojsklem (U g = 1,1 W/m 2. K) a trojsklem (U g = 0,7 W/m 2. K). U obou typů zasklení byly použity distanční rámečky TGI-W, shodná hloubka uložení skla do profilu 12,5 mm a tloušťka sekundárního silikonového tmelu 8 mm. V případě použití dvojskla je vnitřní povrchová teplota 5,2 C (oproti požadavku jsou-li otopná tělesa umístěná pod okny). Naopak při použití trojskla se teplota zvýšila na 11,9 C. Z tohoto výpočtu vyplývá, že strukturální fasády by bylo z hlediska povrchových teplot možné realizovat téměř výhradně za použití trojskel. Další stránkou věci je součinitel prostupu tepla, z tohoto hlediska jsou strukturální fasády také nevýhodné. Obrázek č.7.8 - Strukturální zasklení - dvojsklo Obrázek č.7.9 - Strukturální zasklení - trojsklo www.cklop.cz 67
7.3.6.3 Napojení hliníkových oken na obvodovou stěnu s vnějším provětrávaným obkladem Detaily napojení oken na obvodovou stěnu je třeba správně navrhnout z hlediska povrchových teplot. Je třeba, aby byla na rám oken napojena tepelná izolace. V následujícím textu jsou uvedeny příklady řešení napojení oken na obvodovou stěnu včetně průběhu povrchových teplot. 7.3.6.3.1 Okna umístěná v líci vnější fasády Okno je řešeno stejným způsobem jako v odst. 7.2.6.1, kde je detail řešen z hlediska lineárního činitele prostupu tepla tepelné vazby. Posuzovaný detail je uveden na Obrázku č.7.1. Obrázek č.7.10-2d model posuzovaného detailu 68
Obrázek č.7.11 - Průběh teplot posuzovaným detailem www.cklop.cz 69
7.3.6.3.2 Okna umístěna v úrovni tepelné izolace Pro výpočet povrchových teplot je použit detail napojení okna na obvodovou stěnu z odst. 7.2.6.2. Posuzovaný detail je uveden na Obrázku č.7.3. Obrázek č.7.12-2d model posuzovaného detailu 70
Obrázek č.7.13 - Průběh teplot posuzovaným detailem www.cklop.cz 71
7.3.6.3.3 Vnitřní povrchová teplota v závislosti na použitém distančním rámečku Vnitřní povrchová teplota v závislosti na druhu použitého distančního rámečku byla opět posuzována pro okenní systém Schueco RS 75 SI a fasádní systém FW 60+. Ve výpočtu je uvažováno s izolačním dvojsklem se součinitelem prostupu tepla U g = 1,1 W/m 2. K. Při výpočtu se mění pouze distanční rámečky, ostatní parametry zůstávají zachovány. Je třeba zdůraznit, že uvedené výsledky platí pouze pro konkrétní modelované případy. Vnitřní povrchová teplota v místě uložení izolačního dvojskla závisí na řadě parametrů jako je typ a materiál rámu, typ distančního rámečku, použitý primární a sekundární tmel a jejich tloušťky, hloubka uložení skla do profilu, šířka meziskelního prostoru apod. Okenní systém Schueco RS 75 SI Fasádní systém Schueco FW 60+ Dvojsklo 6-16 - 6 Dvojsklo 5.5.2-16 - 10 Hloubka založení dvojskla 14 mm Hloubka založení dvojskla 14 mm Fasádní systém Schueco FW 60+ Okenní systém Schueco RS 75 SI 72
Požadavky na nejnižší vnitřní povrchové teploty jsou určeny pro okrajové podmínky v interiéru: θ i = 20 C a φ i = 50%. Ve výpočtu je uvažováno s návrhovou vnější teplotou θ e = -13 C. Tabulka č.7.10 - Přehled nejnižších povrchových teplot v závislosti na druhu použitého distančního rámečku Typ rámečku Nejnižší vypočítaná vnitřní povrchová teplota [ C] OKNO SCHUECO RS 75 SI FASÁDNÍ SYSTÉM SCHUECO FW 50+ Požadovaná nejnižší povrchová teplota Otopné těleso je umístěné pod oknem Otopné těleso není umístěné pod oknem Otopné těleso je umístěné pod oknem Hodnocení Otopné těleso není umístěné pod oknem ALU 6,7 7,5 8,77 9,77 nevyhoví nevyhoví Ferrotech 7,2 8,0 8,77 9,77 nevyhoví nevyhoví Chromatec 7,9 8,8 8,77 9,77 nevyhoví nevyhoví Chromatec Plus 9,3 10,5 8,77 9,77 vyhoví vyhoví TGI 8,0 8,9 8,77 9,77 nevyhoví nevyhoví TGI-W 10,0 11,2 8,77 9,77 vyhoví vyhoví Swisspacer 8,2 9,0 8,77 9,77 nevyhoví nevyhoví Swisspacer V 10,3 11,4 8,77 9,77 vyhoví vyhoví Thermix 10,2 11,4 8,77 9,77 vyhoví vyhoví Z výše uvedených výsledků je patrné, že z hlediska povrchových teplot jsou použitelné především plastové distanční rámečky. U rámečku s kovovou folií platí, že vhodné jsou distanční rámečky s nerezovou folií, hliníkové folie snižují vnitřní povrchovou teplotu. Dále je vhodný distanční rámeček Chromatec Plus. Uvedené výpočty platí pouze pro modelované systémy. Nejnižší vnitřní povrchové teploty je třeba vždy ověřit výpočtem. 7.4 Rady pro projektování LOP a oken z hlediska tepelné techniky Od počátku projektu mít pevně stanovené okrajové podmínky v interiéru, pokud nejsou okrajové podmínky uvedeny, je třeba uvažovat s okrajovými podmínkami dle ČSN 73 0540-3. Fasádu co nejméně členit, u nadměrně členité fasády hrozí riziko, že nevyhoví požadavkům na součinitel prostupu tepla. Používat teplé distanční rámečky, vždy je však nutné ověřit povrchové teploty. Strukturální zasklení s dvojsklem ve většině případů nevyhoví požadavkům tepelné techniky. Bodová fasáda může být kvůli svým tepelně technickým vlastnostem použita pouze tam, kde nejsou vysoké nároky na parametry vnitřního prostředí - nákupní centra, stanice metra apod. 7.5 Projektová a realizační odpovědnost Požadované parametry oken nebo lehkého obvodového pláště definuje projektant v projektu. Dodavatel těchto konstrukcí je povinen zadané parametry splnit. Dodavatel oken a lehkých obvodových plášťů je povinen dodat takovou konstrukci, která splní požadavek na součinitel prostupu tepla a minimální vnitřní povrchovou teplotu. Zároveň musí navrhnout takový připojovací detail výplně otvoru, který splní požadavek na lineární činitel prostupu tepla a minimální vnitřní povrchovou teplotu. www.cklop.cz 73
Generální projektant stavby je povinen zajistit ostatní tepelně technické vlastnosti celé konstrukce, v souvislosti s výplněmi otvorů je to především: lineární činitel prostupu tepla ψ vlivem napojení LOP či okna na obvodovou konstrukci, teplotní faktor v místě napojení LOP či okna na obvodovou konstrukci, průvzdušnost obálky budovy a výměna vzduchu v místnostech, tepelná stabilita místnosti v letním období, prostup tepla obálkou budovy, výpočet potřeby tepla na vytápění dle ČSN EN ISO 13790 zahrnující ztráty prostupem, ztráty větráním, vnitřní zisky, solární zisky, vliv otopné soustavy apod. Pro tyto účely musí dodavatel LOP doložit následující parametry: součinitel prostupu tepla LOP či okna, průvzdušnost funkčních spar oken, parametry použitého skla pro výpočet solárních zisků a denního osvětlení místnosti. 7.6 Použitá literatura [1] ČSN 73 0540-1 (73 0540) Tepelná ochrana budov - Část 1: Terminologie, 2005 [2] ČSN 73 0540-2 (73 0540) Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky, 2007 [3] ČSN 73 0540-3 (73 0540) Tepelná ochrana budov - Část 3: Návrhové hodnoty veličin, 2005 [4] ČSN 73 0540-4 (73 0540) Tepelná ochrana budov - Část 4: Výpočtové metody, 2005 [5] ČSN EN ISO 10077-1 (73 0567) Tepelné chování oken, dveří a okenic - Výpočet součinitele prostupu tepla - Část 1: Zjednodušená metoda, 2007 [6] ČSN EN ISO 10077-2 (73 0567) Tepelné chování oken, dveří a okenic - Výpočet součinitele prostupu tepla - Část 2: Výpočtová metoda pro rámy, 2004 [7] ČSN EN 673 + A1 + Změna A2 (70 1024) Sklo ve stavebnictví - Stanovení součinitele prostupu tepla (hodnota U) - Výpočtová metoda, 2003 [8] ČSN EN 13947 (73 0321) Tepelné chování lehkých obvodových plášťů - Výpočet součinitele prostupu tepla, 2007 [9] ČSN EN ISO 13788 (73 0544) Tepelně vlhkostní chování stavebních dílců a stavebních prvků - Vnitřní povrchová teplota pro vyloučení kritické povrchové vlhkosti a kondenzace uvnitř konstrukce - Výpočtové metody, 2002 [10] Rover: Warm Edge Profil TGI: TGI reakce 10/2006 74