MODELOVÁNÍ TEPELNÝCH MOSTŮ
Ing. Miloš Kalousek, Ph.D., Ing. Danuše Čuprová, CSc. VUT Brno Anotace U objektů, projektovaných a realizovaných v současné době, bývá většinou podceněn význam konstrukčního i tepelně technického řešení kritických detailů. Projektant často zanedbá tepelně technické řešení detailu a navrhne ho konstrukčně tak, jak byl zvyklý řešit obdobný detail v minulosti, kdy se stavělo z plných cihel. Tehdy u stejně řešeného detailu nedocházelo k poruchám, protože přes kritické místo nedocházelo k výrazně vyššímu tepelnému toku oproti ostatním částem konstrukce. Při použití současných materiálů s výrazně lepší tepelně izolační schopností však obdobný detail má natolik sníženou tepelně izolační schopnost, že už tvoří tepelný most, což je místo, v němž je výrazně vyšší tepelný tok, než v okolí. A není výjimkou, když v projektové dokumentaci pro provedení stavby chybí nejen tepelně technické, ale i konstrukční řešení detailů. V těchto případech potom pracovníci realizační firmy řeší kritické místo po svém a často je důsledkem nevhodného řešení tepelný most, na jehož vnitřním povrchu může dojít k poklesu povrchové teploty pod požadovanou hodnotu. Následně vzniklé vady a poruchy v podobě povrchové kondenzace vodní páry a růstu plísní na stavebních konstrukcích jsou obtížně odstranitelné. Při větším výskytu tepelných mostů je často potřeba dodatečně provést komplexní zateplení i nového domu, který jinak splňuje požadavky na nízkou energetickou náročnost, protože dodatečné izolování jednotlivých problematických částí by bylo ekonomicky i architektonicky nevhodné.
Abstract Thermal bridges, especially in low energy houses, increase heat losses for whole building and usually are cause of envelope structure failure. By computer simulation of details by ANSYS is possible to predict the failure just in project process. The correctness of construction design is possible to check for example by thermodiagnostics, by termovision camera. Computer simulation and thermodiagnostics can be very good tool for elimination of thermal bridges in envelope and roof of building. Contribution contains solved frequent problematic details in situ.
-1 -
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
1
MOŽNOSTI POČÍTAČOVÉ SIMULACE DETAILU
Čím vyšší požadavky na tepelně izolační vlastnosti stavebních konstrukcí klademe, tím významnější roli mají tepelné mosty. Při správném tepelně technickém návrhu konstrukce nestačí jen zvyšovat tloušťku tepelné izolace, ale musíme se snažit eliminovat nebo optimalizovat tepelné mosty. Simulace v době projektové přípravy je prevencí pozdějších vad a poruch. Kritická místa je potřebné řešit modelováním vícerozměrného teplotního pole, tzn. alespoň dvojrozměrného, v některých případech trojrozměrného teplotního pole. Již od roku 1994 je v ČSN doporučena projektantům metoda dvourozměrného teplotní pole jako nástroj na zjišťování požadavku na nejnižší vnitřní povrchovou teplotu ochlazované konstrukce. V té době ovšem byly programy, jako je např. AREA, akademickou záležitostí a k projektantům se rozšířily až na přelomu tisíciletí. V současně platné ČSN je již aktuální jak dvojrozměrné, tak i trojrozměrné teplotní pole v kritických detailech. V následující části budou podrobeny navržené a realizované stavební detaily matematickým simulacím a také termografické kontrole. 1.1 Příklady z praxe Pro posouzení byly vybrány dva detaily obvodové konstrukce, které nebyly podrobně řešeny v projektu budovy při výstavbě. Posouzení bylo provedeno programem ANSYS, metodou konečných prvků [6]. Jedná se o modelování ustáleného trojrozměrného teplotního pole s normovými okrajovými podmínkami tj. θi = 21 °C, θe = -15 °C, φi = 50 °C, φe = 84 °C. Normová nejnižší povrchová teplota tedy vychází 13,56 °C pro stěnové konstrukce a ta by měla být dosažena na každém povrchu. V prvním případě (D1) obr. 1 až 3 se jedná o tepelný most, tvořený tepelnou vazbou železobetonového sloupu a železobetonové stropní desky nad lodžií, ve druhém případě (D2) obr. 4 a 5 je problematickým místem roh místnosti, tvořený dvěma obvodovými stěnami z tvárnic Porotherm 36,5 P+D a stropní konstrukcí, v jejíž úrovni probíhá nedostatečně izolovaný železobetonový ztužující věnec viz. tab. 1.
Tab. 1 Popis modelovaných variant Popis Detail D1 Napojení sloupu do ŽB stropní desky bez přerušení tepelné izolace D2
Horní roh obvodové stěny, styk dvou obvodových stěn a jedné ŽB stropní desky
-2 -
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
Obr.1 Tepelný most D1, tvořený vazbou železobetonového sloupu a železobetonové stropní desky (fotografie a termogramy)
Obr. 2a Simulační model (vnitřní pohled) (venkovní pohled)
Obr. 2b Simulační model
Obr. 3a Povrchové teploty (°C) D1 původní D1 zateplený
Obr. 3b Povrchové teploty (°C)
-3 -
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
Obr. 4 Vnitřní roh místnosti železobetonového věnce (D2)
kolem
Obr. 5a Povrchové teploty (°C) D2 původní
nedostatečně
zaizolovaného
ztužujícího
Obr. 5b Povrchové teploty (°C) D2 zateplený
Tab. 2 Tabulka výsledných nejnižších povrchových teplot
Detail
Popis
D1 D2
Dolní roh na podlaze nad sloupkem Horní roh v rohové místnosti
Teplota θsi (° C) před úpravou 0,96 6,43
Teplota θsi (° C) po úpravě (3,69) 13,90 13,67
V obou uvedených případech (D1, D2) dochází k povrchové kondenzaci a růstu plísní na vnitřním povrchu tepelných mostů. Strop nad lodžií (D1) – viz obr.1 byl dle projektu opatřen ze spodní strany 80 mm tepelné izolace a později ještě 100 mm tl. polystyrénovou deskou, ale tímto řešením nebyl tepelný most odstraněn. Nejnižší povrchová teplota byla +0,96 °C – obr. 3a. Ten bude odstraněn až v případě vložení tepelné izolace do čel stropní desky a obalení železobetonového sloupu 100 mm tepelnou izolací a to i v místě okenních rámů. Teplota je již vyhovující 13,90 °C – obr. 3b. Na základě termovizního snímku je pro odstranění problematického místa nad francouzským oknem nutné dokonale vyplnit tepelnou izolací všechny dutiny ve střešním plášti. Jako vhodné řešení se jeví použitá tepelné izolace Ekovlna, což je tepelná izolace z odpadového novinového papíru, která se zafouká do dutin ve střešním plášti. Pro odstranění problémů je vhodné zafoukání Ekovlny do dutin ve střešním plášti nejen ze strany interiéru, ale i do části střešního pláště, přetaženého před fasádu.
-4 -
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
V rohu místnosti (D2), kde dochází k růstu plísní a povrchové kondenzaci vodních par díky nedostatečně izolovanému železobetonovému věnci. Nejnižší povrchová teplota dosahovala 6,43 °C – obr. 5a. Na základě počítačové simulace bylo dosaženo požadované teploty vnitřního povrchu v případě dodatečného zateplení ze stran exteriéru tepelnou izolací v tl. 100 mm. Nejnižší povrchová teplota dosahovala 13,67 °C – obr. 5b. Stejný problém samozřejmě vzniká i v rohu nad podlahou, kde se také projevuje vliv nedostatečně izolovaného železobetonového věnce. V realizační projektové dokumentaci není vůbec uvedena navrhovaná tloušťka izolace 250 mm tl. železobetonových ztužujících věnců, v projektu skutečného provedení tento údaj již nebyl uveden. V případě provedení počítačových simulací v době zpracování projektové dokumentace mohlo být vzniku těchto poruch zabráněno a kritická místa mohla být vyřešena tak, aby na jejich vnitřním povrchu nedocházelo ani k povrchové kondenzaci vodní páry, ani k růstu plísní. 3
DIAGNOSTIKA TEPELNÝCH MOSTŮ IN SITU Termovizní snímky jsou využívány pro bezkontaktní plošnou termodiagnostiku objektů ve stavebnictví. Snímkem z termovizní kamery lze získat přehled plošného rozložení teplot na vnitřním i na vnějším povrchu sledované konstrukce. Na základě zjištění teplejších míst na vnějším povrchu nebo chladnějších míst na vnitřním povrchu sledované konstrukce můžeme diagnostikovat tepelný most. Je tedy možné ověřit, zda konstrukce včetně detailů byly správně navrženy i provedeny. Termovizní snímky na obrázcích 1 a 2 potvrzují, že simulované detaily jsou kritické z hlediska povrchových teplot, přestože venkovní teplota vzduchu při měření byla pouze –3 °C tj. nedosahovala normových hodnot pro posuzování (-15 °C). 4
ZÁVĚR Tepelné mosty jsou častou příčinou poruch obalových konstrukcí. Odstranění některých vad a poruch je dodatečně velmi obtížně proveditelné a výsledek neodpovídá vynaloženým nákladům. V případě většího výskytu tepelných mostů je i u relativně nových budov nutné provést komplexní zateplení, protože z ekonomického i architektonického hlediska je dodatečné zateplení pouze kritických míst nevhodné. V rámci projektové přípravy staveb lze těmto poruchám předcházet počítačovou simulací kritických detailů, na jejímž základě bude detail navržen tak, aby na jeho vnitřním povrchu byla při zimních návrhových podmínkách zajištěna požadovaná teplota. Následnou bezkontaktní plošnou termodiagnostikou objektů lze zjistit, zda byl detail nejen správně navržen, ale také správně proveden. Článek vznikl v rámci projektu GAČR 103/03/D085 „Tepelně-izolační ověřování novodobých skladeb stavebních konstrukcí a materiálů budov“. “ a VVZ MSM 0021630511 „Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí.“
-5 -
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
Literatura: [1] KALOUSEK, M., Hodnocení tepelných vlastností obvodového pláště za pomocí infračervené fotografie, Ateliér otvorových výplní, ISSN 1212-4370, roč. 99, č. 1, s. 1920. [2] POČINKOVÁ, M., ČUPROVÁ, D. a kol.: Úsporný dům, vydavatelství ERA , Brno 2004, ISBN 80-86517-96-9 [3] ČSN 73 0540-2:2002 ve znění Z1:2005 Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky [4] Zákon č. 406/2000 Sb., o hospodaření s energií [5] ČSN EN ISO 13788 Tepelně vlhkostní chování stavebních konstrukcí a stavebních prvků - Vnitřní povrchová teplota pro vyloučení povrchové vlhkosti a kondenzace uvnitř konstrukce – Výpočtové metody. [6] Manual ANSYS v.8.1.
-6 -
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
