Tepelná akumulace

  •  
  •  

Akumulace tepla je hromadění tepla v tělese, nebo ve stavebním dílci, který toto teplo nespotřebuje, ale jakmile klesne teplota v okolním prostoru, odevzdává ho zpět. Ohřátá stěna může předat akumulované teplo chladnému vnitřnímu vzduchu např. po intenzivním vyvětrání, po přerušení dodávky tepla ( musíme však vzít v potaz jak často nastane tato situace ) nebo v případě, je-li vnitřní vzduch rychle ochlazován tepelnými úniky skrze okna.

 

Akumulace zajistí, že i při poklesu venkovní teploty nedojde k citelnému ochlazení vnitřního povrchu stěny, aniž by stačila reagovat svým výkonem otopná soustava.

 

Měli bychom se zamyslet nad akumulací tepla, jako celku ne pouze z pohledu obvodového pláště jak často argumentují různí výrobci stavebních systémů, či někteří projektanti.i ti naštěstí už začínají chápat, že v době plně automatizovaného vytápění, není potřeba tolik diskutovaná akumulace tepla. Ještě nedávno byla akumulace silné obvodové zdi považována za nezbytnost, která uvnitř budovy zajišťuje teplotní stabilitu, při kolísání venkovních teplot, nebo při přerušované dodávce energií. Nástup nových stavebních technologiích například: Med systém, skořepinové systémy s vnitřním zateplením, dřevostavby atd. nám ukazuje že tepelná akumulace je u těchto staveb zbytečná. Silné zdivo s velmi dobrou akumulací pohltí příliš mnoho tepla, kterým se bez užitku vytápí dům v době, kdy bydlící tuto( stále dražší ) energii nevyužijí. Pokud se zamyslíme nad tím že v každé místnosti je pouze jedna nebo dvě venkovní stěny,což činí v průměru cca.1/6 až 2/6 z celku akumulované místnosti nesmíme opomenout fakt, že v místnosti jsou další dvě až tři stěny, podlaha a stropní konstrukce, které větší měrou přispívají k tepelné pohodě v domě.
 

Jak akumulace funguje

Ohřátá stěna může předat akumulované teplo chladnému vnitřnímu vzduchu např. po intenzivním vyvětrání, nebo po přerušení dodávky tepla v případě, je-li vnitřní vzduch rychle ochlazován tepelnými úniky skrze okna. Akumulace zajistí, že při poklesu venkovní teploty nedojde k citelnému ochlazení vnitřního povrchu stěny, aniž by stačila reagovat zvýšeným výkonem otopná soustava.

Je však zřejmé, že znalost pouhé tepelné kapacity konstrukce je pro odhad jejího vlivu na teplotní setrvačnost nepohodlná. Po většinu roku je totiž obvodová konstrukce ohřátá nerovnoměrně, neboť přenáší teplotní spád mezi vnitřním a vnějším prostředím, který může být v zimě i přes 40 °C. Ke stabilizaci vnitřní teploty akumulovaným teplem může tak přispět jen část konstrukce u vnitřního povrchu. Místa blízká venkovnímu povrchu akumulují v zimě „chlad" a v létě bývají naopak rozpálená sluncem na teplotu, která je pro pobyt nepohodlná. Podstatnou roli zde hraje pak také rychlost, s jakou může teplo unikat z konstrukce ven (většinou bez užitku) nebo dovnitř (s významem pro teplotní stabilizaci).

U stěn složených z těžké vrstvy (beton, cihla) a vrstvy z lehké izolace se teplotní spád soustřeďuje do izolace. Těžká vrstva s velkou tepelnou kapacitou, pokud je na vnitřní straně, je v celé tloušťce ohřátá na ustálenou vnitřní teplotu a maximálním způsobem přispívá ke stabilizaci vnitřní teploty. Zejména tím, že teplo špatně uniká přes tepelnou izolaci ven. Je-li na vnitřní straně naopak umístěna izolace, vnější těžká akumulační vrstva je v zimě studená a v létě až rozpálená a k požadované stabilizaci vnitřní teploty nepřispívá vůbec.

Mohlo by se zdát, že těžké zdivo, tepelně izolované zevnitř, a také lehké stěny dřevostaveb vyplněné tepelným izolantem nedokáží stabilizovat vnitřní teplotu a tudíž ani zajistit pocit tzv. tepelné pohody. V praxi tomu ale tak není. Sádrovláknité, sádrokartonové nebo dřevoštěpkové desky, umístěné na vnitřní straně obvodové zdi, zajistí dobrou stabilizaci vnitřní teploty.

Pro ilustraci uveďme, že při vnitřní povrchové teplotě 21 °C a rozdílu s venkovní teplotou 36 °C je u lehčeného cihlového zdiva tloušťky 45 cm v hloubce 6,25 mm pod vnitřním povrchem teplota 16 °C, tj. o 5 °C nižší než na povrchu. Tato 6,25 cm tlustá povrchová vrstva akumuluje 105 kJ/m2 tepla, které (nejvýš) může být předáno studenému vnitřnímu vzduchu o teplotě pod 16 °C (např. po vyvětrání).

Dvojitá deska sádrokartonu o tloušťce 2,4 cm, umístěná na vnitřní straně lehké stěny, má (dík silné vrstvě tepelné izolace) v celé tloušťce konstantní teplotu (ca 21 °C) a akumuluje přes 99 kJ/m2 tepla, využitelného pro akumulační ohřev vzduchu za podmínek jako u předešlého příkladu. Trojitá sádrokartonová deska za stejných předpokladů akumuluje už 148 kJ/m2 a vykazuje v některých situacích už větší teplotní setrvačnost, než jednovrstvé cihlové zdivo.

 

Příklady některých stěnových sestav

V poslední části tohoto příspěvku uvedeme příklady odezvy vnitřní povrchové teploty na přerušení příkonu tepla (při konstantní venkovní teplotě) a skokové snížení venkovní teploty (při konstantním příkonu tepla) pro vybrané dvouvrstvé stěny. Výpočty byly provedeny numerickým řešením jednorozměrné rovnice pro vedení tepla. Řešení dvou- resp. trojrozměrné rovnice, která popisují detaily (na styku dvou resp. tří stěn), nepřinášejí už do našich úvah novou kvalitu.

Počáteční podmínky jsou definovány jako ustálený teplotní stav s vnitřní teplotou 21 °C a venkovní -15 °C.

Okrajové podmínky na vnitřním povrchu jsou definovány konstantním tepelným tokem, který vstupuje do konstrukce. Tzn. konstantním teplotním gradientem těsně pod vnitřním povrchem stěny. Ten je buď nulový (reprezentuje nulový příkon tepla, tj. vypnuté vytápění) nebo je stejný jako v ustálených podmínkách (zapnuté vytápění s konstantním výkonem). Na venkovním povrchu jsou okrajové podmínky dány pouze teplotou, buď -15°C nebo -25 °C po skokovém poklesu venkovní teploty o 10 °C.

i-beton(150)-XPS(200)-e

První sestava je betonová zeď tloušťky 150 mm, která je z venkovní strany izolována pěnovým polystyrenem tloušťky 200 mm. Relaxační doba je 396 hodin, tedy extrémně velká. Lze tedy čekat, že rychlost chladnutí vnitřního povrchu bude velmi malá. To potvrzuje křivka chladnutí na obr. 1, která znázorňuje pokles vnitřní povrchové teploty po vypnutí vytápění při setrvalé venkovní teplotě -15 °C. Za 8 hodin po vypnutí vytápění poklesne teplota z 21 °C na pouhých 19,88 °C.

Ještě výrazněji se tato mohutně akumulující konstrukce projeví při druhé „zkoušce", kdy při setrvalém výkonu skokově poklesne venkovní teplota o 10 °C. Za 8 hodin poklesne teplota jen na 20,86 °C. Dodejme, že z okrajových podmínek v obou případech plyne, že stěna je ochlazována jen úniky tepla skrze sebe sama a nikoliv ochlazováním zevnitř.


Obr. 1: Reakce vnitřní povrchové teploty na přerušení tepelného toku na vnitřní straně obvodové stěny o skladbě i-beton(150 mm)-XPS(200mm)-e. Pořadí vrstev je ve směru od interiéru. Relaxační doba sestavy 396 hodin. Počáteční ustálené podmínky: vnitřní teplota 21 °C, venkovní -15 °C. Okrajové podmínky: teplota na venkovním povrchu -15°C, na vnitřním povrchu nulový tepelný tok. Legenda: modrá křivka - časový průběh vnitřní povrchové teploty, červená křivka - časový průběh venkovní teploty. XPS je pěnový polystyren.

i-XPS(200)-SDK(24)-e

Jako další, sice velmi hypotetickou, ale ilustrační, uvedeme obvodovou stěnu z vrstvy polystyrenu tloušťky 200 mm, která je z venku doplněna dvojitou deskou sádrokartonu tl. 24 mm. Relaxační doba takového souvrství je 7,3 hodin a na obr. 2 je znázorněn průběh chladnutí vnitřního povrchu po přerušení vytápění. Za 8 hodin poklesne vnitřní povrchová teplota z 21 °C na -6,708 °C. Při skokovém poklesu venkovní teploty o 10 °C poklesne za 8 hodin vnitřní teplota o 6,46 °C, tedy na 14,54 °C.


Obr. 2: Reakce vnitřní povrchové teploty na přerušení tepelného toku na vnitřní straně obvodové stěny o skladbě i-XPS(200mm)-SDK(24 mm)-e. Pořadí vrstev je ve směru od interiéru. Relaxační doba sestavy 7,3 hodiny. Počáteční ustálené podmínky: vnitřní teplota 21 °C, venkovní -15 °C. Okrajové podmínky: teplota na venkovním povrchu -15°C, na vnitřním povrchu nulový tepelný tok. Legenda: modrá křivka - časový průběh vnitřní povrchové teploty, červená křivka - časový průběh venkovní teploty. XPS je pěnový polystyren, SDK je sádrokarton.

i-SDK(24)-XPS(200)-e

Mnohem reálnější je obrácená sestava s dvojitým sádrokartonem tl. 24 mm na vnitřní straně polystyrénové stěny tl. 200 mm. Relaxační doba je 34,4 hodin. Sádrokarton umístěný z vnitřní strany působí výrazně na teplotní setrvačnost vnitřní povrchové teploty stěny, která je složena hlavně ze zcela neakumulujícího polystyrenu. Za 8 hodin po vypnutí vytápění poklesne teplota z 21 °C na pouhých 11,46 °C (obr. 3). Reakce této stěny na skokový pokles venkovní teploty o 10 °C při setrvalém vytápění je ještě překvapivější: vnitřní povrchová teplota se sníží za 8 hodin o 1,89 °C na 19,108 °C (!), jak ukazuje obr. 4 a v detailu obr. 5. Na detailu je také vidět, že ještě hodinu po vypnutí vytápění je povrchová teplota stále jako na začátku (přesněji na hodnotě 20,994 °C). Pro znatelné zvýšení teplotně setrvačných vlastností stěny lze zvýšit tloušťku vnitřní desky. Při trojitém sádrokartonu tl. 36 mm je za stejných 8 hodin po vypnutí vytápění povrchová teplota už 14,02 °C, což je sice méně než u cihlové lehčené stěny tl. 450 mm (17,54 °C), ale mnohem více než u „silně akumulující" jednovrstvé betonové zdi tl. 450 mm (7,3 °C).


Obr. 3: Reakce vnitřní povrchové teploty na přerušení tepelného toku na vnitřní straně obvodové stěny o skladbě i-SDK(24 mm)-XPS(200mm)-e. Pořadí vrstev je ve směru od interiéru. Relaxační doba sestavy 34,4 hodiny. Počáteční ustálené podmínky: vnitřní teplota 21 °C, venkovní -15 °C. Okrajové podmínky: teplota na venkovním povrchu -15°C, na vnitřním povrchu nulový tepelný tok. Legenda: modrá křivka - časový průběh vnitřní povrchové teploty, červená křivka - časový průběh venkovní teploty. XPS je pěnový polystyren, SDK je sádrokarton.

Obr. 4: Reakce vnitřní povrchové teploty na skokový pokles venkovní teploty z -15 °C na -25 °C při konstantním tepelném toku na vnitřní straně obvodové stěny o skladbě i-SDK(24 mm)-XPS(200mm)-e. Pořadí vrstev je ve směru od interiéru. Relaxační doba sestavy 34,4 hodiny. Počáteční ustálené podmínky: vnitřní teplota 21 °C, venkovní -15 °C. Okrajové podmínky: teplota na venkovním povrchu -25°C, na vnitřním povrchu tepelný tok odpovídající ustálené vnitřní teplotě -15 °C. Legenda: modrá křivka - časový průběh vnitřní povrchové teploty, červená křivka - časový průběh venkovní teploty. XPS je pěnový polystyren, SDK je sádrokarton.

Obr. 5: Detail křivky časového průběhu vnitřní povrchové teploty z obr. 4.
 

Závěr

Sádrokarton nebo sádrovláknité desky (případně i deskové materiály na bázi dřeva) umístěné z vnitřní strany poskytnou lehkým stěnám vyplněným tepelným izolantem dostatečnou tepelnou akumulaci k tomu, aby tyto stěny vykazovaly dobrou setrvačnost vnitřní prostorové a povrchové teploty. Ta se může přiblížit hodnotám těžkých jednovrstvých zdiv; pro znatelné zvýšení teplotně setrvačných vlastností stěny lze zvýšit tloušťku vnitřní desky, nejlépe vícevrstvou aplikací základní sádrokartonové nebo sádrovláknité desky.

Okázalé upozorňování (někdy i od uznávaných specialistů) na malou nebo žádnou tepelnou akumulaci lehkých stěn je nemoudré a zbytečně snižuje hodnotu dřevostaveb. Jednak proto, že tepelná akumulace sama o sobě není subjektivně nijak pociťována. A za druhé proto, že teplotní setrvačnost, kterou uživatel pociťuje, je u lehkých staveb dobře docilována kombinací dobře akumulujících vnitřních desek a velmi malých ztrát tepla prostupujícího obvodovou stěnou ven. A nikoliv jen dlouhou dobou, po kterou se těžké, silně akumulující vrstvy (i v místech vzdálených od vnitřního povrchu) „nabíjejí" teplem nebo se tepla zbavují. 

Tento odborný článek byl převzat z webu www.stavebnictvi3000.cz, Autor: Jiří Hejhálek.

Děkuji za dostupně poskytnutý profesionální obsah.

 

Jak lze tepelnou akumulaci vyjádřit

Tepelnou akumulaci obvodové stěny a její vliv na vnitřní teplotní stabilitu lze vyjádřit pomocí tepelné kapacity C, resp. její poměrné části vztažené na jednotku plochy stěny (plošné tepelné kapacity). Tepelná kapacita je množství tepla, které stěna pohltí nebo vydá při ohřátí resp. ochlazení o jeden °C (nebo jeden Kelvin, K).

C = c . δ . d, kde c .. měrná tepelná kapacita (1 000 J/kg.K)
δ .. objemová hmotnost (2 000 kg/m3)
d .. tl.stěny

C VAPIS (30,0 cm) = 600 kJ/m3.K
C VAPIS (24,0 cm) = 480 kJ/m3.K
C VAPIS (17,5 cm) = 350 kJ/m3.K

Tepelnou akumulaci lze rovněž vyjádřit pomocí tzv. tepelné jímavosti b, což je schopnost materiálu přijímat teplo:

b = λ . r . c, kde λ .. součinitel tepelné vodivosti (1,1 W/m.K)
δ .. objemová hmotnost (2 000 kg/m3)
c .. měrná tepelná kapacita (1 000 J/kg.K)

z toho vyplývá b VAPIS = 2 200 kW2.s.m-4.K-2

 

Čím větší je hodnota tepelné jímavosti, tím lepší je schopnost materiálu akumulovat teplo. Zjednodušeně ji lze považovat za parametr, který nás informuje o vlastnosti materiálu způsobující zpomalení vychládání objektu při topné přestávce (byť jen půl hodiny) v zimě, a naopak o ohřívání objektu vlivem venkovních zdrojů tepla v létě.

 

Vysoká tepelná vodivost u vápenopískových cihel se tak stává v kombinaci s kvalitní tepelnou izolací vlastně výhodou a zajišťuje celoročně příjemné klima v objektu, je to důležitá vlastnost u tzv. pasivních domů. 

 

Např. vápenopískové zdící prvky v tříde objemové hmotnosti 2,0 (plné bloky) nabízí kromě výrazně vyšších zvukově izolačních vlastností i v podstatě dvojnásobnou tepelnou akzumulaci než pálená keramická cihla, nebo jinak, pro dosažení stejné tepelné akumulace pálené cihly stačí poloviční tloušťka vápenopískového zdiva.

 

Toto je způsobeno masivním, robustním charakterem vápenopískových cihel, vyjádřeným jejich vysokou objemovou hmotností (ve srovnání např. s pálenou cihlou nebo pórobetonem). Z toho vyplývají slabé tepelně izolační vlastnosti, dané i faktem vysoké tepelné jímavosti, kdy se vápenopísková cihla stává materiálem tepelně průchozím a pro zamezení tepelných ztrát je nutné zdivo z vápenopískových cihel zateplovat. To na druhou stranu vápenopískové cihle umožňuje soustředit se na vlastnosti statické, zvukově izolační, požárně-bezpečnostní, to vše při snížení tloušťky zdiva, zatímco funkce tepelně izolační je zde přenechána tepelnému izolantu. 

 

Věřím, že tento článek pomůže všem udělat si představu o pojmu tepelná akumulace zdiva.

Data byla čerpána ze čtyř webových dostupných zdrojů. Děkuji za inspiraci.

 

Hezký den, Studený Roman