Zimní a letní energetika dřevostaveb Prof. Ing. Jan Krňanský, CSc. FSv ČVUT Praha, FUA TUL Insowool, s.r.o.
Struktura textu k energetice dřevostaveb • Všeobecné úvahy – O původním smyslu stavební tepelné techniky a její současné roli při navrhování – Dvojí pohled stavební tepelné techniky na budovu
• Principiální stavebně-fyzikální úvahy – Podstata zimní energetiky – Podstata letní energetiky – O paradoxu pasivních domů
• Energetické (ekonomické konsekvence) – Komplexní energetika budov – Energetické špičky a alternativní zdroje
• Rozumně navrhované budovy – – – –
Rovnocennost zimní a letní energetiky Důraz na využití správných materiálů Vyváženost investiční a provozní náročnosti Alternativní zdroje a inteligence budov je doplněk, nikoliv cíl
O původním smyslu stavební tepelné techniky • Zakladatelé stavební tepelné techniky měli od počátku oboru dva základní cíle: – Zajistit v budovách příjemné prostředí pro pobyt: • Dostatečné teplo v chladném ročním období • Příjemný chládek v horkém letním období
– Zajistit rozumně kompromisní náklady na vytápění budov optimalizací návrhu • Obalových konstrukcí budov • Otopných soustav
podle charakteru užívání dílčích částí objektů (později i ve vztahu k předpokládané délce životnosti objektů).
• V současné době jsme někdy svědky záměny cílů a prostředků: stavební tepelná technika se redukuje na tzv. „U“ fyziku: – Jediným kritériem hodnocení je energetická spotřeba na vytápění – Instalují se technologie, které při rozumném stavebním návrhu vůbec nejsou potřebné a v reálných investičních cenách nejsou rentabilní
• „U“ fyzika bývá založena na fatalistickém předpokladu, že cena energií v čase dramaticky poroste → pokud předpoklad přijmeme, lze zdůvodnit jakkoliv nesmyslný návrh konstrukce.
Dvojí pohled tepelné techniky na budovu Druh optiky
Základní smysl
Logické pozorovací období
Zimní energetika
Ochrana proti úniku tepla → Redukce nákladů na vytápění
Topná sezóna
Letní energetika
Ochrana proti tepelným ziskům → Náklady na chlazení
Několik po sobě jdoucích horkých dní a četnost jevu
Kvalitní zimní i letní energetika zajišťuje tepelnou pohodu v interiéru. Tepelná pohoda je však individuální charakteristika, každý ji vnímáme jinak. Jde v podstatě o rozpětí teplot, v němž se cítíme dobře. A také na ní musíme mít potřebné finance.
Současná tepelná technika = „U“ fyzika • Někteří stavební fyzici a profitující výrobní a stavební společnosti se dnes pokoušejí redukovat stavební fyziku na rovnici dobrá budova = budova, kde málo protopím • Co není fair vůči zákazníkovi: – Zaručíme mu, že málo protopí při rozumné teplotě interiéru ≈21°C (vyvinuli jsme za tím účelem řadu pojmů jako → nízkoenergetický → pasivní → nulový dům) – Diskrétně pomlčíme, že v letním období musí bez možnosti obrany přežít teploty i ke 30°C (práce, spánek ...........?)
• Korektní a pravdivá stavební tepelná technika: – Zákazník si volí rozpětí teplot, které považuje za svou individuální tepelnou pohodu – My nabídneme dům a vyčíslíme příslušné komplexní náklady spojené s touto volbou: tedy • náklady na pořízení stavby • Provozní energetické náklady (topení, chlazení….) • Efektivnost využití moderních technologií (řízené systémy TZB, AEZ….)
Podstata zimní energetiky • j = množství tepla, které proteče 1m2 pláště budovy (bez uvažování tepelné setrvačnosti)
1 j = −U.∆TK(≈ − ∆T) R
– Čím více izolace, tím menší j – Čím menší j, tím menší dotace teplem ΔQ (vytápění) → co nejvíce izolovat zdi i střechy → co nejlepší okna s co nejmenší plochou → Absolutně utěsnit objekt, aby nebyla infiltrace → nutnost větrat, abychom se neudusili → technologie rekuperace, abychom využili teplo odpadního vzduchu RESUMÉ: zimní energetika minimalizuje dotace interiérů teplem. K ZAPAMATOVÁNÍ: v zimě dotuje objekt teplem své okolí (což je termostat).
Podstata letní energetiky • j = množství tepla, které proteče 1m2 pláště budovy (bez uvažování tepelné setrvačnosti)
1 j = +U.∆TK(≈ ∆T) R
– Čím více izolace, tím menší j Ale: – Větší rozdíly ΔT, neboť ΔT tvoří • Teplota vzduchu • Zářivý tok ze slunce • Sálání okolními objekty
– Tepelný tok j směřuje do nitra objektu • Objekt je vlivem obalové konstrukce uzavřený systém, „termoska na čaj“ • Čím menší U (větší R), tím lepší je termoska • Nefunguje větrání okny, povrchová vrstva ohřátého vzduchu na osálaných fasádách (větrání zhoršuje situaci)
RESUMÉ: Letní energetika se stará o zajištění tepelné pohody „shora“ K ZAPAMATOVÁNÍ: budova se v létě chová jako „termoska na čaj“.
Zkušenosti z praxe a paradox PD • Všechny „black outs“ vznikly vždy pouze v letním období (energeticky vysoce náročný provoz klimatizací) • Roste počet lidí, kteří pracují doma (IT technologie, decentralizace firem) • Roste počet zákazníků, kteří se zajímají i o teploty „shora“ a případné náklady na klimatizaci • Honba za co nejnižším „U“ dramaticky zhoršuje letní energetiku. Pasivní domy tak, jak jsou dnes chápány, nejsou řešením letní energetiky. Je třeba hledat konstrukce, vyvážené z hlediska jejich zimní a letní energetiky.
Energie, ekonomika a zimní energetika • Tepelný tok ven je přímo úměrný rozdílu teplot • Tepelný tok je U-krát menší než rozdíl teplot
1 j = −U .∆T K (≈ − ∆T ) R Množství dodaného tepla ΔQ je úměrné součtu tepelných toků za topné období
∆Q =
∫ j.dt = obsah plochy topná . sezóna
Energie, ekonomika a letní energetika • Tepelný tok dovnitř je přímo úměrný rozdílu teplot • Tepelný tok je U-krát menší než rozdíl teplot
j = +U .∆T
Extrémní tropický den Běžný letní den
Množství dodaného tepla ΔQ je úměrné 1/U ploše S rostoucím počtem teplých dní roste i efekt „termosky s čajem“
Další parametry letní energetiky • • •
Barevnost a drsnost povrchu výrazně zvětšuje teploty na povrchu konstrukce (architektura). Dramaticky se uplatní zvenku nezastíněné prosklené plochy a jejich velikost (malé U). U letní energetiky se výrazně uplatňuje „tepelná paměť“ konstrukcí (tepelná kapacita, setrvačnost) → nutno počítat dobu prohřátí konstrukce (fázové posunutí teplotního kmitu) – Kapacita rozhoduje, za jak dlouho se konstrukce prohřeje (potřebujeme alespoň 6-7 hodin, protože jinak venku není dost chladný vzduch na účinné větrání okny) – Kapacita způsobuje, že většina „black outs“ vzniká v noci (teplotní vlna dorazí do interiéru se zpožděním)
•
Udržení teploty interiéru na přijatelné úrovni je drahé: energie potřebná na ochlazení prostoru o 1°C je cca 3x vyšší, než energie na ohřátí o 1°C (účinnost chladících zařízení). – Každý stupeň dolů je dražší než předchozí – Energetická spotřeba roste s počtem opakování tropických dní (logika solárních zařízení na střechách budov)
Průběh povrchové teploty na omítnuté západní stěně ze škvárobetonových tvárnic tl. 300 mm v závislosti na barevnosti povrchu, červenec
Tedy návrat k původní úvaze…….. • Kvalitní zimní i letní energetika zajišťuje tepelnou pohodu v interiéru. • Tepelná pohoda je individuální charakteristika, každý ji vnímáme jinak. • Dosažení tepelné pohody u domů bez potřebné tepelné kapacity je velmi drahé. • Čím užší rozpětí teplot v interiéru požadujeme, tím pečlivěji bychom se měli zabývat tepelnou kapacitou plášťů a venkovnímu stínění prosklených ploch. Jinak je to drahé.
• •
Optimální RD (tedy i dřevostavba) potřebuje fázové posunutí teplotního kmitu vzhledem k celému objektu alespoň 7, nejlépe však 12 hodin. Čím delší je fázové posunutí (vzhledem k uvedenému rozhraní a celému objektu), tím déle se dům brání efektu „termosky na čaj“ a dokáže přežít bez umělého dochlazování v úzkém teplotním pásmu i několik tropických dní.
Cíl: vyváženě navržený rodinný dům • Primární snaha musí být navrhnout rodinný dům tak, aby žádnou IT technologii nepotřeboval (volba materiálů k dosažení potřebných tepelně-technických charakteristik). • Základní zdůvodnění solární energetiky je v oblasti ořezání energetických špiček (eliminace black outs – globální dopady na ekonomiku) a pro přípravu TUV. Podobně inteligence budov. • Dřevostavby preferovanou skupinou staveb, neboť: – Obalové konstrukce jsou v zásadě tvořené jenom tepelnými izolacemi (ale pozor na kapacity). – Využívají obnovitelné surovinové zdroje, což je do budoucnosti zásadní kritérium pro komplexní hodnocení staveb (vložené „embodied“ energie)
U- ψ energetická stavebnice dřevostaveb společnosti
Podrobnosti technického řešení jednotlivých variant
www.insowool.cz
Různé varianty řešení konstrukcí plášťů
