Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby Přednáška č. 4
Přednášky: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Cvičení: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Garant: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Katedra stavebnictví
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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/(m2.K] na systémové hranici
3
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
Rychlost a směr větru
7
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
Tvarové řešení budovy
12
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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 mají odlišné hodnoty součinitele odporu), čímž je v daném místě ostění a okna, návaznost střechy a
více stavebních konstrukcí, které prostupu tepla (resp. tepelného ovlivněn tepelná tok (návaznost stěny)
13
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
Tepelné mosty a tepelné vazby
• Omezení výskytu teplených 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
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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 ρv [kg.m-3]. Platí: b = λ. c. ρv [W2.s.m-4.K-2] 16
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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 [m2.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 17
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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 18
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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 ρv velkou schopnost akumulace tepla. • Naproti tomu stavby z moderních zdicích materiálů či dřevostavby s lehkými obvodovými stěnami mají schopnost akumulovat teplo velmi malou.
19
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
20
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
21
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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.
22
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
Výplně otvorů
23
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
Výplně otvorů
• Revoluci v zasklení může systém multifólií, který izolačních vlastností stěn, má vysokou propustnost energie.
způsobit dosahuje a přitom sluneční
24
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
25
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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)
26
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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
27
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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.
28
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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 prostupu tepla vlastního okna
větší
než
součinitel
• Byla vyloučena kondenzace vodní páry v daném místě
29
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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).
30
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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.
31
ENS
Nízkoenergetické a pasivní stavby
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 Upas,20 v ČSN 73 0540-2 (2011): • Obvodové stěny
0,18 až 0,12 W/(m2.K)
• Střecha šikmá se sklonem nad 45°
0,18 až 0,12 W/(m2.K)
• Střecha plochá nebo šikmá do 45°
0,15 až 0,10 W/(m2.K)
• Podlaha a stěna přilehlá k zemině
0,22 až 0,15 W/(m2.K)
• Výplně otvorů ve stěně nebo střeše
0,8 až 0,6 W/(m2.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 32
Zdroj: SOLAŘ, Jaroslav. Nízkoenergetické domy. Pozemní stavitelství IV. Dostupné také z: http://fast10.vsb.cz/studijni-materialy/ps4/index.html
Děkuji za pozornost
Dotazy či připomínky:
[email protected]
ENS
Ing. Michal Kraus, Ph.D.
[email protected]
33