MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LESNICKÁ A DŘEVAŘSKÁ FAKULTA Ústav nábytku, designu a bydlení
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Vhodnost použití jednotlivých druhů oken v rámci měnící se teploty vzduchu v závislosti na nadmořské výšce
2012
Roman Tupý
Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Vhodnost použití jednotlivých druhů oken v rámci měnící se nadmořské výšky, zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje bakalářská práce byla zveřejněna v souladu s §47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MENDELU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací.
Autorský závazek Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace.
V Brně, dne: ………………….
Roman Tupý: …………………
Poděkování Tímto bych chtěl poděkovat mému vedoucímu panu Ing. Karlu Krontorádovi, CSc., za vedení, odborné připomínky při tvorbě této práce a trpělivosti v mém počínání. Dále děkuji panu prof. Ing. Zdeňku Žaludovi, Ph.D., jednak za to, jaký má charakter a za pomoc, bez které bych nemohl tuto práci zrealizovat. Nesmím zapomenout na Ing. Jana Brotana a Ing. Helenu Křenkovou za konzultace či rady v dané problematice. A nakonec i rodině, která mi vždy věřila a věří, podporovala a podporuje v tom, co dělám.
Autor: Roman Tupý
Název práce: Vhodnost použití jednotlivých druhů oken v rámci měnící se teploty vzduchu v závislosti na nadmořské výšce. Abstrakt: Práce je zaměřena na výpočet a porovnání součinitele prostupu tepla a tepelných ztrát v určité nadmořské výšce o různé teplotě na území Čech a Moravy. Práce je členěna na popis klimatologie a klimatu České republiky, rozbor tepelně technických vlastností a jejich výpočty. Klíčová slova: klimatologie, klima, součinitel prostupu tepla, tepelná ztráta
Autor: Roman Tupý
Title work: Suitability of use of different types of windows in the changing air temperature depending on altitude. Abstract: This work focuses on calculation and comparison of the heat passage coefficient and heat loss in a certain altitude for various temperatures in Bohemia and Moravia. The work is divided into a description of the climatology and climate of the Czech Republic, the analysis of thermal technical properties and their calculations.
Key words: klimatology, climate, heat passage coefficient, heat loss
OBSAH:
1. ÚVOD ...................................................................................................... 6 2. CÍL PRÁCE ............................................................................................. 8 3. LITERÁRNÍ PŘEHLED............................................................................ 9 3.1 Klimatologie ...................................................................................... 9 3.1.1 Dělení dle studijních hledisek .................................................. 9 3.1.2 Disciplíny aplikované klimatologie ........................................... 9 3.1.3 Klima ........................................................................................ 10 3.1.4 Kategorie klimatu ..................................................................... 10 3.1.5 Klima České republiky ............................................................. 11 3.2 Rozbor tepelně technických vlastností oken ................................. 16 3.2.1 Součinitel prostupu tepla okny ................................................. 16 3.2.2 Součinitel spárové průvzdušnosti ............................................ 18 3.3 Tepelně technické výpočty .............................................................. 20 3.3.1 Výpočet součinitele prostupu tepla jednoduchého okna .......... 21 3.3.2 Součinitel spárové průvzdušnosti ............................................ 22 3.3.3 Výpočet tepelné ztráty prostupem ........................................... 23 4. MATERIÁL A VÝPOČTY JEDNOTLIVÝCH VARIANT ........................... 25 4.1 Výpočet a porovnání součinitele prostupu tepla u jednotlivých variant 25 4.2 Výpočet a porovnání tepelných ztrát prostupem ................................ 31 5. ZÁVĚR ..................................................................................................... 33 6. SUMMARY .............................................................................................. 35 7. LITERATURA .......................................................................................... 37
1. Úvod Okna byla a jsou důležitým prvkem stavby. Plní funkci estetickou, zajišťují výměnu vzduchu v interiéru, umožňují přirozené osvětlení místnosti a kontakt s okolní krajinou. Jejich vývoj závisí na rozvoji nových materiálů, důležitých k uspokojení lidských potřeb, ale hlavně na lidské společnosti, která se poslední dobou, z větší části obyvatel, mění na dobu chudých domácností, s tím související pokles finančního základu a pohody domácnosti. Na trhu je možné se setkat s různými typy a druhy oken. Nejvíce se vyrábějí okna plastová, která svou nižší pořizovací cenou a nenáročnou údržbou, jako by odstrkovala okna dřevěná a kovová. Ovšem to nemůže odradit člověka, který miluje vůni dřeva, jeho krásný vzhled a především jeho vlastnosti, které se podstatně liší od jiných materiálů. Nevýhodou oken jako takových je to, že jsou nejslabším článkem stavby z hlediska tepelných izolací. Teplo jimi proniká prouděním a vedením. Teplo také uniká ve větší míře i ostěním (špaletou, parapetem i nadpražím oken). Okna tvoří nepatrnou část obvodového pláště, a přesto jimi mnohdy uteče i polovina potřebné energie na vytápění. Proto je důležité při koupi dbát na správný výběr materiálů tvořící jak rám, tak zasklení okna, ale hlavně sledovat hodnotu součinitele prostupu tepla celého okna. Tato hodnota úzce souvisí s tepelnou ztrátou prostupem tepla. Stavba nových objektů, ale také rekonstrukce budov se musí řídit legislativními požadavky. Základním dokumentem týkající se staveb je Směrnice rady 89/106/EHS o stavebních výrobcích a její prováděcí předpisy. V České republice je to zákon č. 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky, ve znění pozdějších předpisů; NV č. 163/2002 Sb., ve znění NV č. 312/2005 SB., kterým se stanoví technické požadavky na vybrané stavební výrobky a NV č. 190/2001 Sb., kterým se stanoví technické požadavky na stavební výrobky označené CE, ve znění NV č. 251/2003 Sb. a NV č. 128/2004 Sb.
6
Kritériem pro splnění základních legislativních norem je dodržení šesti základních požadavků: –
mechanická odolnost a stabilita
–
požární bezpečnost
–
hygiena, ochrana zdraví a životního prostředí
–
bezpečnost při užívání
–
ochrana proti hluku
–
úspora energie a ochrana tepla
7
2. Cíl práce Cílem je porovnání součinitele prostupu tepla Uw u vybraných typů oken. Dále výpočet tepelných ztrát prostupem tepla v jednotlivých nadmořských výškách o různé teplotě na území Čech a Moravy. A následná analýza a srovnání součinitele prostupu tepla s tepelnou ztrátou v určité nadmořské výšce.
8
3. Literární přehled 3.1 Klimatologie Je to věda o klimatech Země, o podmínkách a příčinách jejich formování. Věda o působení klimatu na člověka. Hlavními úkoly klimatologie je: – studovat utváření klimatu na Zemi a popisuje klimatické odlišnosti v jednotlivých regionech – klasifikovat podnebí a vymezovat klimatické oblasti – řešit kolísání a změny klimatu, pokouší se o prognózy klimatu 3.1.1 Dělení dle studijních hledisek: a) obecná
– obecné zákonitosti utváření podnebí a klimatických změn – vztahy mezi klimatickými faktory a jevy a mezi klimatickými jevy
navzájem b) regionální – studuje analytické klimatické poměry vymezeného území různé velikosti – zjišťuje prostorovou diferenciaci klimatických podmínek a provádí
klimatickou regionalizaci c) teoretická d) aplikovaná 3.1.2 Disciplíny aplikované klimatologie: a) Bioklimatologie (studium podnebí ve vztahu k živým organismům) b) Ekologická klimatologie (vztahy mezi živými organismy a klimatickou složkou přírodního prostředí. Studuje přizpůsobivost rostlin a zvířat danému podnebí) c) Historická
klimatologie
(studuje
podnebí
v historické
době
především
z hlediska kolísání podnebí na základě přímých měření i nepřímých údajů z doby předpřístrojových pozorování) d) Klimatologie měst (problém klimatu velkých měst a průmyslových aglomerací) e) Klimatologie
lesnická
(klimatické
poměry
lesa
hospodářství zejména s ohledem na pěstování dřeva)
9
pro
potřeby
lesního
f) Zemědělská klimatologie (zabývá se zejména vymezováním klimatických oblastí pro efektivní pěstování zemědělských plodin, chovu dobytka) g) Topoklimatologie (studuje vliv georeliéfu a jeho aktivního povrchu na místní klima) h) Klimatologie technická, lázeňská, lékařská, letecká, znečištění ovzduší [1]
3.1.3 Klima Definice
říká,
meteorologických
že
prvků
se neboli
jedná
o
počasí.
dlouhodobý Počasí
je
charakteristický potom
stav
režim
atmosféry,
charakterizovaný meteorologickými prvky (teplotou, tlakem, množstvím srážek…) a jevy (sněžení, déšť, bouřka…) v daném místě a čase. Můžeme tedy říct, že klima střední Evropy se vyznačuje střídáním čtyř ročních období, která přicházejí víceméně každý rok. Vztah klimatu a počasí se dá přirovnat ke vztahu zdraví celé lidské populace a zdraví jednotlivého člověka. Zdraví všech jednotlivců určuje zdraví populace, ale zdraví jednoho člověka ještě nic neříká o tom, jak na tom zdravotně jsou všichni lidé. [2] 3.1.4 Kategorie klimatu Maritimní (oceánské) a kontinentální (pevninské) a) Maritimní klima nad oceány a nad pevninou, které jsou pod vlivem oceánů. Vyznačuje se malou teplotní amplitudou, malou prašností, větší reálnou evapotranspirací. Maximum srážek připadá na zimu, minimum na léto, nejteplejším měsícem je srpen a nejchladnějším únor. b) Kontinentální klima uvnitř kontinentů, které se vyznačují velkými amplitudami teplot, menší vlhkostí vzduchu, ale větší potencionální evapotranspirací. Maximum srážek připadá na léto a minimum na zimu, nejteplejším měsícem je červenec, nejchladnějším leden.
10
Aridní a humidní a) Aridní (suché) klima – převládá výpar nad srážkami – zjednodušeně tam, kde roční úhrn srážek nedosáhne 200 mm
b) Humidní (vlhké) klima – převládají srážky nad výparem – zjednodušeně tam, kde roční úhrn srážek přesáhne 700 mm
Horské a nížinné a) Horské klima je charakterizováno většími úhrny srážek, vyšší intenzitou záření, velkou rychlostí vzduchu, nižším tlakem, menší hustotou vzduchu a nižší teplotou (zjednodušeně nad 1500 m nad mořem) b) Nížinné klima kromě opačných hodnot meteorologických charakteristik ve srovnání s horským klimatem je charakteristické větší znečištění vzduchu a méně záření (zjednodušeně do 200 m nad mořem)
[2]
3.1.5 Klima České republiky Území České republiky leží v přechodné klimatické oblasti středoevropské. Je to přechodné podnebí, kde dochází ke styku vlivu oceánu s vlivem kontinentu. Záleží na tom, zda, převládnou maritimní či kontinentální vzduchové hmoty. Směrem na východ klesá vliv oceánu, ubývá srážek a prohlubují se teplotní amplitudy. Významným faktorem ovlivňující klima jsou horské masívy, což znamená, že podstatně větší vliv na klima má nadmořská výška. Horská pásma tvoří klimatické zlomy. Patří mezi ně západní pohoří a to zejména Šumava, Český les a Krušné hory, jež jsou příčinou tzv. srážkového stínu (menší množství srážek, poněkud vyšší teploty a z hor sestupující proudění). [2]
11
Území ČR bylo na základě hodnocení klimatických a fenologických prvků rozděleno na tři klimatické oblasti a) Oblast teplá – vymezena počtem min. 50 letních dní – oblast se člení na 6 okrsků označených jako A1 – A6
b) Oblast mírně teplá – jedna její hranice je vymezena izočárou max. 50 letních dní a druhá je dána červencovou izotermou 15 °C pro Čechy a 16 °C pro Moravu a Slezsko – oblast se člení na 10 okrsků označených jako B1 – B10.
c) Oblast chladná – je tvořena zbytkem ČR, má 3 okrsky C1 – C3[2]
Obr. 1 Klimatické oblasti ČR[3]
12
Obr. 2 Průměrná měsíční teplota vzduchu- leden[3]
Typické dny a) arktický den = max. denní teplota nepřesáhne -10 °C b) ledový den = max. denní teplota nepřesáhne 0 °C c) mrazový den = minimální denní teplota nepřesáhne 0 °C d) letní den = max. denní teplota přesáhne 25 °C e) tropický den = max. denní teplota přesáhne 30 °C f) tropická noc = max. noční teplota přesáhne 20 °C[3] Teplotní poměry České republiky -
největší vliv na teplotu vzduchu má nadmořská výška (průměrný roční gradient je 0,61 °C/100m)
-
průměrná roční teplota je přibližně od 0 °C (Sněžka) do 10 °C (jižní Morava)
-
absolutní maximum je 42,2 °C (Praha Uhříněves, 1983), absolutní minimum je -40,2 °C (České Budějovice, 1929) [2]
13
V této práci je pracováno s průměrnými denními lednovými minimy z období 1981 – 2010. Výchozí data jsou zvlášť pro Moravu a Čechy. Z důvodů výše popsaných. Z každé oblasti je vybráno deset meteorologických stanic o různé nadmořské výšce a teplotě (viz. Tab. 1 a 2). Ty jsou pak graficky převedeny po 100 výškových metrech (od 200 do 1200 m n. v.).
ČECHY Meteorologická stanice Doksany Teplice Plzeň Ústí n. L. Cheb Kocelovice K. Vary M. Lázně Přimda Churáňov
Průměr denních led. minim (19812010)
Nadmořská výška
Zeměpisná šířka
Zeměpisná délka
-3,9 -3,5 -4,1 -3,6 -4,2 -4,6 -5,1 -5,2 -5,2 -6,2
158 255 328 375 483 519 603 691 742 1118
50°27'30'' 50°39'18'' 49°47'21'' 50°41'02'' 50°04'07'' 49°27'54'' 50°12'06'' 49°59'26'' 49°40'10'' 49°04'06''
014°10'13'' 013°51'08'' 013°23'12'' 014°02'28'' 012°23'28'' 013°49'52'' 012°54'51'' 012°41'46'' 012°40'40'' 013°36'54''
Tab. 1 České průměry denních lednových minim u vybraných stanic
MORAVA Meteorologická stanice Brod n. D. Kroměříž Kuchařovice Dukovany Přibyslav K. Myslová Protivanov Svratouch Červená Lysá hora
Průměr denních led. minim (19812010)
Nadmořská výška
Zeměpisná šířka
Zeměpisná délka
-4,5 -4,3 -4,1 -4,3 -5,5 -5,2 -5,7 -5,5 -6,2 -7,8
175 235 334 400 530 569 670 733 750 1324
48°52'24'' 49°17'05'' 48°52'57'' 49°05'45'' 49°34'58'' 49°09'36'' 49°28'40'' 49°44'06'' 49°46'38'' 49°32'46''
016°32'09'' 017°21'55'' 016°05'11'' 016°08'04'' 015°45'45'' 015°26'21'' 016°49'52'' 016°02'03'' 017°32'31'' 018°26'52''
Tab. 2 Moravské průměry denních lednových minim u vybraných stanic
14
Závislost teploty na nadmořské výšce
Nadmořská výška [m]
1400 1200
y = -327,77x - 969,39 R² = 0,9271
1000
y = -302,64x - 1053,8 R² = 0,9546
800
ČECHY MORAVA
600
Trend 400
Trend
200 0 -10
-8
-6
-4
-2
0
Průměrná teplota [°C]
Graf 1 Klimatický gradient pro Moravu i Čechy Z grafu č. 1 je patrné, že s rostoucí nadmořskou výškou klesá průměrná teplota vzduchu. Trend poklesu teplot je téměř totožný jak pro Moravu, tak pro Čechy ovšem s rozdílem necelého °C. Pomocí rovnice regrese jsou pak teploty přepočteny pro danou lokalitu a nadmořskou výšku.
Nadm. výška [m]
Čechy
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
-3,7 -3,9 -4,2 -4,5 -4,9 -5,1 -5,4 -5,7 -6,0 -6,3 -6,6
t [°C] Morava -4,1 -4,5 -4,8 -5,1 -5,5 -5,8 -6,1 -6,5 -6,8 -7,1 -7,5
Tab. 3 Přepočtené teploty
15
3.2 Rozbor tepelně technických vlastností oken Z tepelně technického hlediska představují okna složenou konstrukci. Jejich vlastnosti jsou určené vlastnostmi průhledných ploch (zasklení), neprůhledných ploch (vlysů křídla a rámu, výplní) a konstrukcemi styků (druhů těsnění). Ve smyslu ČSN 73 0540-2/2007 jsou u tepelných ztrát přes okenní výplně rozhodující následující veličiny: –
součinitel prostupu tepla (U)
–
součinitel spárové průvzdušnosti (iLV)
Celková tepelná bilance ztrát otvorové výplně se skládá ze ztrát tepla prostupem přes zasklení a rámy (součinitel prostupu tepla U) a ze ztrát tepla větráním (konvekcí; při kvantifikaci této ztráty se vychází ze součinitele spárové průvzdušnosti). [5] 3.2.1 Součinitel prostupu tepla (U) Součinitel prostupu tepla Uw (W/m2.K) vyjadřuje celkovou výměnu tepla mezi prostory, oddělenými otvorovými výplněmi. Pro zjednodušení uvažujeme jen hodnoty zjištěné pro svislou polohu konstrukcí. Součinitel Uw nezahrnuje tepelnou ztrátu přirozeným větráním netěsnostmi, která je vyjadřována součinitelem spárové průvzdušnosti iLV [m3/(s.m.Pa0,67)]. Hodnota Uw nezahrnuje vliv ostění, způsobu osazení do budovy. Dřívější předpisy zvyšovaly tuto hodnotu o 15 % k zahrnutí ztrát obvodu zabudování a vlivu nízké tepelné setrvačnosti. Hodnota U pro celé konstrukce otvorových výplní, pro rámy i pro zasklení lze určit: –
měřením
–
z tabulek a nomogramů
–
výpočty
Při použití tabulek, nomogramů a výpočtů vzniká otázka, nakolik jsou zjištěné hodnoty blízké hodnotě používaných výrobků. Při standardním postupu stanovení součinitele prostupu tepla konstrukce (např. výpočtem) by se měl výsledek pohybovat vždy na vyšší hodnotě než naměřené. [5] 16
Další nedostatky výpočtu spočívají v uvažování podmínek, které měření ověřuje. Jedná se například o dodržení skutečné emisivity pokovení zasklení, správnou hodnotou Uf rámu podle skutečně použité výztuže plastových rámů nebo o vliv tepelného mostu obvodového kování.
[5]
Pro každou stavební konstrukci musí být splněna podmínka U ≤ UN,
[W/(m2.K)]
kde U je součinitel prostupu tepla konstrukce a UN je jeho normou požadovaná hodnota. Způsob stanovení hodnoty UN závisí na relativní vlhkosti vzduchu φi a na převažující návrhové vnitřní teplotě θim (jedná se o návrhovou vnitřní teplotu většiny prostoru v objektu). Pokud se objekt skládá z více odlišných teplotních zón, stanovují se požadavky na stavební konstrukce pro každou zónu samostatně. Pro konstrukce v běžných objektech s převažující návrhovou vnitřní teplotou θim od 18 do 22 °C včetně a s relativní vlhkostí φi do maximálně 60 % se pro stanovení velikosti UN používají tabulkové hodnoty, které jsou uvedeny v Tab. 4. [4]
Popis konstrukce
Součinitel prostupu tepla [W/(m2.K)] Požadovaná Doporučená hodnota hodnota
Výplň otvoru ve vnější stěně a strmé střeše, z vytápěného do venkovního prostředí, kromě dveří Šikmá výplň otvoru se sklonem 45°, z vytápěného prostoru do venkovního prostředí Výplň otvoru vedoucí z částečně vytápěného prostoru do venkovního prostředí
Doporučená hodnota pro pasivní budovy
1,51)
1,2
0,8 až 0,6
1,42)
1,1
0,9
3,5
2,3
1,7
Tab. 4 Požadované a doporučené hodnoty prostupu tepla U N (ČSN 73 0540-2, 2011)[6] 1)
Nejpozději do 31. 12. 2012 se připouští hodnota 1,7 W/(m 2.K)
2)
Nejpozději do 31. 12. 2012 se připouští hodnota 1,5 W/(m 2.K) 17
Pokud je převažující návrhová vnitřní teplota θim mimo stanovené rozmezí a relativní vlhkost φi je přitom maximálně 60 %, použije se vztah [W/(m2.K)]
,
(1)
kde UN,20 je základní hodnota součinitele prostupu tepla z Tab. 4 [4]
Požadovaná normová hodnota XN,rq – hodnota dané fyzikální veličiny, vlastnosti stavebního výrobku, konstrukce, budovy apod. stanovená normou, zajišťující přípustnou úroveň pro bezpečné, technicky a ekonomicky vhodné plnění požadavků technických předpisů, zejména základního požadavku č. 6 na úsporu energie a tepelnou ochranu a základního požadavku č. 3 na hygienu, ochranu zdraví a životní prostředí. [5] Doporučená normová hodnota XN,rc – hodnota dané fyzikální veličiny, vlastnosti stavebního výrobku, konstrukce, budovy apod. stanovená normou, zajišťující nadstandardní, obvykle ekonomicky přijatelnou a technicky možnou úroveň plnění požadavků technických předpisů, zejména základního požadavku č. 6 a 3. [5]
3.2.2 Součinitel spárové průvzdušnosti (iLV) Lze definovat jako množství metrů krychlových vzduchu, které projde za jednu vteřinu jedním metrem spáry při rozdílu tlaků na opačné straně konstrukce. Součinitel
spárové
průvzdušnosti
funkčních
spár
iLV
[m3/(s.m.Pa0,67)],
stanovený podle ČSN 73 0540-3, musí u výplní otvorů a lehkých obvodových plášťů splňovat podmínku:
kde
je požadovaná hodnota součinitele spárové průvzdušnosti [m3/(s.m.Pa0,67)],
která se stanoví podle Tab. 5.
18
Požadovaná hodnota iLV,N [m3/(s.m.Pa0,67)] Funkční spára ve výplni otvoru
Budova Budova s větráním s větráním pouze přirozeným nebo nuceným nebo kombinovaným s klimatizací 0,87 . 10-4
Do 8 m včetně Ostatní vnější výplně otvorů při celkové výšce nadzemní části budovy
Nad 8 m, do 20 m včetně Nad 20 m, do 30 m včetně Nad 30 m včetně
0,60 . 10-4 0,10 . 10-4 0,30 . 10-4 0,10 . 10-4 0,05 . 10-4
Lehký obvodový plášť včetně oken a dveří
0,05 . 10-4
Tab. 5 Požadované hodnoty součinitele spárové průvzdušnosti i LV,N (ČSN 73 0540-2, 2002) [6]
19
3.3
Tepelně technické výpočty
Součinitel prostupu tepla výplně otvoru (okna Uw) Dá se vyjádřit jako celková výměna tepla v ustáleném stavu mezi dvěma prostředími vzájemně oddělenými výplní otvoru, zahrnuje vliv všech tepelných mostů, které jsou součástí výplně otvoru a nezahrnuje výměnu tepla mezi prostředími vlivem proudění vzduchu funkčními spárami a dutinami ani výměnu tepla mezi výplní otvoru a přilehlou konstrukcí. [5]
Lineární činitel prostupu tepla ψ [W/(m.K)], vliv lineárního tepelného mostu na lineární tepelnou propustnost L2D, je přídavným tepelným tokem charakterizujícím vliv lineárního tepelného mostu délky l , na tepelnou vodivost – lineární tepelnou propustnost. [5]
Součinitel spárové průvzdušnosti iLV [m3/(s.m.Pa0,67)], průměrná průvzdušnost při referenčních podmínkách vztažená na 1 m funkční spáry. Udává průměrný objemový průtok vzduchu, který proudí funkční spárou výplně otvoru délky 1 m při rozdílu tlaku vzduchu Δp = 1 Pa. [5]
20
3.3.1 Výpočet součinitele prostupu tepla jednoduchého okna
2 1
3
1 – rám 2 – křídlo 3 – zasklení Součinitel prostupu tepla jednoduchého okna se stanoví ze vztahu: [W/(m2.K)] kde
Ug
(2)
je součinitel prostupu tepla zasklení [W/(m2.K)], většinou stanovený výrobcem, nebo ze vztahu: (3)
kde dj,
je tloušťka, součinitel tepelné vodivosti j-té hmotné vrstvy zasklení [m,W/(m.K)]
Rs,k
tepelný odpor k-té vzduchové vrstvy [m2.K/W], stanovený podle ČSN EN ISO 10077-1
Rsi
odpor při přestupu tepla na vnitřní straně okna [m 2.K/W], stanovený podle ČSN EN ISO 10077-1
Rse
odpor při přestupu tepla na vnější straně okna [m2.K/W] stanovený stejně jako Rsi
Uf
součinitel prostupu tepla rámu, popř. rámu s izolačním obkladem [W/(m2.K)], stanovený podle ČSN EN ISO 10077-1
Ag
plocha zasklení [m2] stanovená podle ČSN EN ISO 10077-1
Af
plocha rámu [m2] stanovená podle ČSN EN ISO 10077-1
lg
celkový viditelný obvod zasklení [m] stanovená podle ČSN EN ISO 10077-1
21
lineární činitel prostupu tepla zasklení [W/(m.K)], způsobený tepelnou
g
vazbou mezi zasklením, distančním rámečkem a rámem podle ČSN EN ISO 10077-1 V případě jednoduchého zasklení se poslední člen v čitateli ve vztahu (2) uvažuje nulový (bez vlivu distančního rámečku), protože jakákoliv korekce je zanedbatelná. [5] Pokud je plocha zasklení různá při pohledu z interiéru a z exteriéru, uvažuje se ve výpočtu vždy plocha menší. U plochy rámu je tomu naopak. Obvod zasklení se uvažuje stejně jako plocha rámu. [4]
3.3.2 Součinitel spárové průvzdušnosti Je vypočten ze vztahu: (4) kde
QV je objemový tok vzduchu při rozdílu tlaků Δp [m 3/h] L
délka spáry vzorku [m]
Δp
rozdíl tlaků, které působí na obou stranách otvorové výplně [Pa]
0,67 tlakový exponent, který vyjadřuje normativní závislosti QV a Δp
Součinitel spárové průvzdušnosti je veličina, se kterou se počítá při stanovení tepelné ztráty větráním. Jde o veličinu, která se při stanovení výpočtovou metodou ne příliš přesná, neboť pro její výpočet se používá mnoha zaokrouhlených hodnot z výpočtové
normy.
K přesnému
stanovení
hodnoty
součinitele
spárové
průvzdušnosti dojde pouze při experimentální zkoušce na konkrétním zkušebním vzorku. Z těchto důvodů se dále touto veličinou práce nezabývá. [5]
22
3.3.3 Výpočet tepelné ztráty prostupem Tepelná ztráta místnosti prostupem tepla Qp [W] se určí podle vztahu: (5) kde
Q0 je základní tepelná ztráta prostupem tepla [W] p1
přirážka na vyrovnání vlivu chladných konstrukcí
p2
přirážka na urychlení zátopu
p3
přirážka na světelnou stranu
Základní tepelná ztráta prostupem Q0 se rovná součtu tepelných toků prostupem tepla v ustáleném stavu jednotlivými konstrukcemi ohraničujícími vytápěnou místnost do venkovního prostředí nebo sousedních místností. [5] (6) je ochlazovaná část stavební konstrukce [m2]
kde
součinitel prostupu tepla [W/(m2.K)], podle ČSN 73 0540-4: 2005 ti
výpočtová vnitřní teplota [°C] výpočtová teplota prostředí na vnější straně konstrukce [°C]
Je-li u některé ze stavebních konstrukcí teplota na vnější straně vyšší než teplota ve vytápěné místnosti, má tepelný tok prostupující touto konstrukcí zápornou hodnotu; v tomto případě jde o tepelný zisk, který zmenšuje základní ztrátu místnosti prostupem tepla, Q0.
Přirážkou na vyrovnání vlivu chladných stavebních konstrukcí p1 se umožňuje zvýšení teploty vnitřního vzduchu tak, aby i při nižší povrchové teplotě ochlazovaných konstrukcí bylo ve vytápěné místnosti dosaženo požadované výpočtové vnitřní teploty, ti, pro kterou se počítá základní tepelná ztráta, Q0. [5]
23
Přirážka na vyrovnání vlivu chladných konstrukcí, p 1, závisí na průměrném součiniteli prostupu tepla všech konstrukcí místnosti, kc, který se stanoví ze vztahu: (7) kde
je
celková plocha všech konstrukcí ohraničujících vytápěnou místnost [m2]
ti
výpočtová vnitřní teplota [°C]
te
výpočtová venkovní teplota [°C]
Přirážka na vyrovnání vlivu chladných konstrukcí, p1, se pak stanoví ze vztahu: (8)
Přirážka na urychlení zátopu p2 je uvažována pouze v případech, kdy ani za nejnižších venkovních teplot není možné zajistit nepřerušovanou dodávku tepla. Za normálních okolností se tato přirážka neuvažuje, protože za výpočtových podmínek se předpokládá nepřerušovaný provoz vytápění. [7] O výši přirážky na světelnou stranu p3 rozhoduje poloha nejvíce ochlazované konstrukce v místnosti. V případě, kdy má místnost dvě ochlazované konstrukce, rozhoduje poloha jejich společného rohu. V případě, kdy má místnost tři nebo čtyři ochlazované konstrukce, počítáme s přirážkou nejvyšší. Světová strana
J
JZ
Z
SZ
Přirážka p3
-0,05
0
0
0,05 0,1
S
SV
V
JV
0,05 0,05 0
Tab. 6 Hodnoty přirážky p3 podle světové strany [7] V této práci budeme počítat s tím, že zkoumaná výplň otvoru v budově je směřována na severní stranu.
24
4. Materiál a výpočty jednotlivých variant 4.1 Výpočet a porovnání součinitele prostupu tepla u jednotlivých variant Pro výpočet bylo použito různých materiálů a rozměrů rámu a zasklení. Dvou typů plynů vyplňující prostor mezi jednotlivými skly izolačního dvojskla a trojskla. Ve všech variantách je použito okno jednoduché jednokřídlové, otvíravé dovnitř, nedělené poutcem. Rám i křídlo je vyroben z eurohranolu o tloušťce 72 mm (tvoří jej tři lamely) a 96 mm (tvoří jej čtyři lamely). Celkem 40 variant, které jsou podobného charakteru, ale s jinými tepelně technickými vlastnostmi. Celkové rozměry oken všech variant jsou stejné, abychom minimalizovaly vliv šířkových a výškových rozměrů při výpočtu součinitele prostupu tepla oknem Uw a mohli hodnotit pouze tloušťkové
rozměry
a
druhy
materiálů
použitých
v jednotlivých
variantách
vyobrazených v tab. 8 a 9. Ve výpočtech je počítáno s hodnotami Ug, Uf a
g
dle ČSN EN ISO 10077-1
z tabulky C. 2, obrázku D. 2 a tabulky E. 2. Hodnoty Ag, Af a lg jsou stanoveny měřením konkrétních rozměrů, viz tab. 7.
ROZMĚRY [m] šířka okna
výška okna
šířka zasklené plochy
1,15 1,45 Tab. 7 Rozměry okna
0,93
výška zasklené plochy 1,194
25
zasklená plocha plocha rámu Ag [m2] Af [m2] 1,110
0,557
délka viditelného obvodu zasklení lg [m] 4,248
xenon
vzduch
xenon
vzduch
xenon
vzduch
xenon
vzduch
96[mm]
72[mm]
měkká
tvrdá
VARIANTA
ZASKLENÍ IZOLAČNÍ DVOJSKLO TLOUŠŤKA NEPOKOVENÉ DŘEVINA 1 TABULE POKOVENÁ TEPELNĚ RÁMU (n. emisivita ZLEPŠENÝ (n. emisivita ≤ 0,1) 0,89) DISTANČNÍ 4-6-4 4-16-4 4-6-4 4-16-4 RÁMEČEK
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
Tab. 8 Materiálové a rozměrové varianty s použitím izolačního dvojskla 26
96[mm]
TLOUŠŤKA RÁMU
72[mm]
měkká
DŘEVINA
tvrdá
VARIANTA
IZOLAČNÍ TROJSKLO 2 TABULE POKOVENÉ (n. emisivita ≤ 0,1) 4-12-4-12-4 vzduch
TEPELNĚ ZLEPŠENÝ DISTANČNÍ RÁMEČEK
xenon
33 34 35 36 37 38 39 40 Tab. 9 Materiálové a rozměrové varianty s použitím izolačního trojskla
27
Uw [W/(m2.K)] Varianta
před zaokrouhlením
Požadovaná normová Doporučená n. hodnota hodnota
po zaokrouhlení
1,7
1,5
1,2
1 3,02 3,0 2 2,55 2,6 3 2,61 2,6 4 2,55 2,6 5 2,57 2,6 6 1,77 1,8 7 1,90 1,9 8 1,77 1,8 9 2,92 2,9 10 2,46 2,5 11 2,52 2,5 12 2,46 2,5 13 2,48 2,5 14 1,68 1,7 15 1,81 1,8 16 1,68 1,7 17 2,90 2,9 18 2,44 2,4 19 2,50 2,5 20 2,44 2,4 21 2,46 2,5 22 1,66 1,7 23 1,80 1,8 24 1,66 1,7 25 2,83 2,8 26 2,36 2,4 27 2,43 2,4 28 2,36 2,4 29 2,39 2,4 30 1,59 1,6 31 1,72 1,7 32 1,59 1,6 Tab. 10 Výsledky výpočtů součinitele prostupu tepla variant č. 1 až 32
28
2
Požadovaná normová hodnota
po zaokrouhlení
1,7
Uw [W/(m .K)] Varianta před zaokrouhlením
Doporučená n. hodnota
1,5
1,2
33 1,57 1,6 34 1,24 1,2 35 1,48 1,5 36 1,15 1,2 37 1,47 1,5 38 1,13 1,1 39 1,39 1,4 1,06 1,1 40 Tab. 11 Výsledky výpočtů součinitele prostupu tepla variant 33 až 40
Skupiny Varianty Uw [W/(m2.K)] variant a 1 3 b 9, 17 2,9 c 25 2,8 d 2-5 2,6 e 10-13, 19, 21 2,5 f 18, 20, 26-29 2,4 g 7 1,9 h 6, 8, 15, 23 1,8 i 14, 16, 22, 24, 31 1,7 j 30, 32, 33 1,6 k 35, 37 1,5 l 39 1,4 m 34, 36 1,2 n 38, 40 1,1 Tab. 12 Seřazení všech variant do skupin od největší po nejmenší hodnotu Uw Legenda: Nevyhovuje normovým hodnotám Vyhovuje požadované normové hodnotě, nejpozději do konce roku 2012 Vyhovuje požadované normové hodnotě, dle ČSN 73 0540-2, 2011 Vyhovuje doporučené normové hodnotě
29
3 2,8 2,6
Uw [W/(m2.K)]
2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
k
l
m
n
Skupiny variant Graf č. 2 Grafické vyjádření tab. 12 Varianty splňující doporučené normové hodnoty Hlavními důvody, proč splňují tuto hodnotu, jsou výborné tepelně technické vlastnosti pokoveného izolačního trojskla 4-12-4-12-4 plněného xenonem. Dalším hlediskem je materiál a tloušťka rámu, kdy měkčí dřevina o větší tloušťce má lepší tepelně technické vlastnosti oproti tvrdším dřevinám. Varianty splňující požadované normové hodnoty Nejlépe obstály varianty, kde bylo použito pokovené izolační trojsklo 4-12-4-12-4 plněné vzduchem. Dále pak ty s pokoveným izolačním dvojsklem 4-16-4 plněné xenonem s použitím měkké dřeviny rámu obou rozměrů a také u rámu z tvrdé dřeviny tloušťky 96 mm. Varianty nesplňující normové hodnoty Jsou to všechny ostatní varianty, jejichž vzájemné hodnoty se od sebe více či méně liší. Nejhůře dopadli varianty s nepokoveným izolačním dvojsklem 4-6-4 plněné vzduchem. Dále, kde bylo použito nepokovené dvojsklo 4-16-4(plněno vzduchem i plynem) u rámů z tvrdého materiálu v obou tloušťkách. 30
4.2 Výpočet a porovnání tepelných ztrát prostupem Pro výpočet jsou použity tři varianty, které spadají do tří skupin, a to varianta č. 40, která splňuje doporučenou normovou hodnotu. Dále varianta č. 37 splňující požadovanou normovou hodnotu a varianta č. 20, která nesplňuje žádnou z výše uvedených hodnot. S poslední variantou je počítáno kvůli porovnání tepelných ztrát prostupem s takovou konstrukcí, jaká odpovídá normovým hodnotám.
Nadm. výška [m]
Území
Tepelná ztráta Qp [W] varianta č. 40 Uw=1,1[W/(m2.K)]
varianta č. 37 Uw=1,5[W/(m2.K)]
varianta č. 20 Uw=2,4[W/(m2.K)]
200 56,0 80,0 1200 63,9 91,3 200 55,1 78,7 ČECHY 1200 61,8 88,3 Tab. 13 Vypočtené hodnoty tepelných ztrát prostupem
141,0 160,9 138,7 155,7
MORAVA
Z tabulky 13 i z grafu č. 3 je zřejmé, že s rostoucí nadmořskou výškou a s ní klesající teplotou vzduchu se zvyšují tepelné ztráty, které jsou nejvyšší u varianty č. 20 dosahujících hodnot 160 W v 1200 metrů nad mořem na území Moravy, avšak na území Čech je tato hodnota nižší a to 155,7 W. Výsledné hodnoty varianty č. 37 jsou takřka poloviční vzhledem k předchozí variantě a hodnoty var. č. 40 odpovídají téměř jedné třetině zmíněných hodnot. V tab. 14 pak vidíme, o kolik jsou ztráty variant č. 40 a 37 menší než ztráta var. č. 20. Z čehož lze usoudit, že do vyšších nadm. výšek je vhodnější použít varianty splňující doporučené hodnoty (varianty 34, 36, 38 a 40). Do nižších poloh varianty splňující požadované normové hodnoty (varianty 14, 16, 22, 24, 30, 31, 32, 33, 35, 37 a 39).
Území
Nadm. Výška
Tepelná ztráta Qp W varianta č. 40
varianta č. 37
varianta č. 20
200 85,0 61,0 0,0 1200 97,0 69,6 0,0 200 83,6 60,0 0,0 ČECHY 1200 93,9 67,4 0,0 Tab. 14 Rozdíl tepelné ztráty variant č. 40 a 37 od varianty č. 20 MORAVA
31
160,0 Qp [W]
140,0 120,0
Varianta č. 40 Varianta č. 37
100,0
Varianta č. 20 Morava
80,0
Čechy 60,0 40,0 0
200
400
600
800
1000
1200
Nadmořská výška [m]
Graf č. 3 Závislost nadmořské výšky na tepelné ztrátě jednotlivých variant
Rozdíl Qp ve Rozdíl Qp v 200 m. n. m. 1200 m. n.m. 40 0,9 2,1 37 1,3 3,0 20 1,3 5,2 Tab. 15 Rozdíly tepelných ztrát jednotlivých variant v určitých nadm. výškách Čech a Moravy Varianta
Tabulka 15 poukazuje na velikost rozdílu tepelné ztráty v rámci stejné nadmořské výšky na území Čech a Moravy s použitím stejné varianty okna. Rozdíly jsou minimální, avšak čím nižší součinitel prostupu tepla, tím nižší rozdíl tepelných ztrát. Ovšem se zvyšující se nadmořskou výškou, tento rozdíl stoupá.
32
5. Závěr Cílem této bakalářské práce bylo porovnání součinitele prostupu tepla Uw u vybraných typů oken. Dále výpočet tepelné ztráty prostupem tepla v jednotlivých nadmořských výškách na území Čech a Moravy. A následné srovnání těchto veličin. V první části je zmínka o klimatologii, jako vědní disciplíně a její úkoly, které jsou důležitou a nutnou podmínkou k poznání klimatu Země či určitého regionu. Toto klima bývá mnohdy různé i na místech vzájemně sousedících. Proto je vhodné dívat se na pojem klima pohledem, který nám umožní vnímat změny, které se v něm odehrávají, a které jsou někdy prvotním faktorem při zkoumání jiných než např. zemědělských či leteckých problematik. Další část je zaměřena na tepelně technické vlastnosti oken. Nejdůležitějšími jsou součinitel prostupu tepla, který vyjadřuje celkovou výměnu tepla mezi prostory, oddělenými otvorovými výplněmi. Jeho důležitou součástí jsou hodnoty požadované a doporučené, které nám říkají, jakou hodnotu bychom měli dodržet např. při navrhování či rekonstrukci jednotlivých konstrukcí a variant výrobků. Druhým je součinitel spárové průvzdušnosti udávající množství vzduchu, které projde přes jeden metr spáry. V třetí části je vysvětlena problematika tepelně technických výpočtů, a to součinitele prostupu tepla Uw jednoduchého okna a tepelné ztráty prostupem tepla přes okenní konstrukci Qp. V následujícím oddíle je definován materiál a rozměry jednotlivých variant. V zásadě jde o jednokřídlové dřevěné okno stejných rozměrů (šířka a výška). Dvou druhů dřevin použitých pro výrobu eurohranolu. Ty se liší tloušťkou a počtem slepených lamel. Bylo tedy použito eurohranolu tloušťky 72 a 96 mm, zasklení izolačním dvojsklem a trojsklem o různých tloušťkách a jiným vyplňujícím plynem. Částí této kapitoly je porovnání součinitele prostupu tepla všech variant (výpočty jsou uvedeny v příloze 1). Nejlépe vyšly ty varianty, které obsahovaly pokovené izolační trojsklo 4-12-4-12-4 plněno xenonem. Pak to samé sklo plněné vzduchem. Dále pak ty s pokoveným izolačním dvojsklem 4-16-4 plněné xenonem s použitím měkké dřeviny rámu obou rozměrů, taktéž u rámu z tvrdé dřeviny tloušťky 96 mm. Toto byly varianty, které odpovídaly požadovaným i doporučeným normovým hodnotám. 33
Všechny zbylé varianty těmto hodnotám neodpovídaly. Vyšší hodnota U W kopírovala horší tepelně technické vlastnosti nepokoveného dvojskla 4-16-4 a 4-6-4 plněného xenonem a vzduchem. Pak také druh i tloušťku rámu. Z výpočtů tepelných ztrát v poslední kapitole nejde přesně určit vhodnost použití jednotlivých variant oken v rámci měnící se teploty vzduchu v závislosti na nadmořské výšce. Spíše jde o rozdíly, které se mění podle velikosti součinitele prostupu tepla. Do vyšších nadmořských výšek bych volil takové okno, které splňuje doporučenou normovou hodnotu a do nížin okna splňující požadovanou normovou hodnotu.
34
6. CONCLUSION The aim of the thesis was to compare the heat transfer coefficient Uw for selected types of windows. Furthermore, the calculation of heat loss caused by heat transfer in different altitudes in Bohemia and Moravia and subsequent comparison of the results. The climatology is mentioned in the first part as a scientific discipline and its tasks which are important and necessary for understanding of the Earth's climate or a particular region. This climate is often different in places adjacent to each other. It is therefore appropriate to look at the concept of climate by view that allows us to perceive the changes which takes place in it and which are sometimes the primary factor in the exploration other than agricultural or air issues. Another part of the thesis focuses on the heat-technical characteristics of windows. The most important is the heat transfer coefficient, which expresses the total heat reversal between the spaces separated by aperture fillings. Its important components are required and recommended values that tell us the value we should meet e.g. when design or constructing of certain reconstructions and variant of product. The second important characteristic is the coefficient of air permeability of feeler indicating the amount of air that passes through one meter of gap. In the third part are explained the heat-technical calculations as the heat transfer coefficient Uw of simple window and heat loss caused by heat passage through window construction Qp. In the following section is defined the material and dimensions of individual variants. In principle, it is the same size (width and height) single-leaf wooden window. Two tree species used for production of EURO baulks. They differ in thickness and the number of bonded plates. It was therefore used EURO baulks of thickness 72 and 96 mm, double glazing isolation glass unit and triple of the range of thicknesses and other filling the gases. Part of this chapter is comparison of the heat passage coefficient of all variants (the calculations are given in Appendix 1). The best results came from variants which included plated isolating triple 4-12-4-12-4 filled with xenon. Good results came from the same glass filled by air and those with plated double glass 4-16-4 filled with xenon, the softwood frame in both dimensions, 35
but only in the frame of hard wood thickness 96 mm. These were variants that meet the required and recommended standard values. All remaining options did not correspond to these standard values. The higher value of UW copied worse thermal technical characteristics of metallized double glazing 4-16-4 and 4-6-4 filled with xenon and air. Type and thickness of the frame. The calculations of heat losses in the last chapter does not accurately determine the suitability of individual types of window in the changing air temperature depending on altitude. Rather, these differences vary according to size of the heat transfer coefficient. There is a rule that the lower heat transfer coefficient causes the lower heat loss. Therefore, I would elect the windows which meet the recommended standardized value rather than windows that do not meet this condition.
36
7. LITERATURA Seznam použitých internetových odkazů [1] http://rosta-netek.own.cz/gis/kliml_skripta.pdf [2]http://web2.mendelu.cz/af_217_multitext/ke_stazeni/bioklimatologie/bioklimatologi e_texty.pdf [3]http://web2.mendelu.cz/af_217_multitext/ke_stazeni/bioklimatologie/zfprezentace/11.pdf [4]www.google.com/url?q=http://kps.fsv.cvut.cz/file_download.php%3Ffid%3D2393& sa=U&ei=J4WlT7PINo-EhQft7ajcAg&ved=0CAgQFjAC&client=internal-udscse&usg=AFQjCNE0SmnwkvDERbu1290Qiwc6oqvJKg [5]https://is.mendelu.cz/auth/lide/clovek.pl?zalozka=13;id=3424;studium=30656;down load_prace=1 [6]www.google.com/url?q=http://www.ec.cz/download1.php%3Fid%3D127&sa=U&ei=3C6mT9nzIomewaeoKHRAg&ved=0CAQQFjAA&client=internal-uds-cse&usg=AFQjCNFiR9QhUhkmK-hhLOm4l48JWij2Q [7] http://vytapeni.tzb-info.cz/docu/tabulky/0001/000107_help.html#mistnost_p2 [8] http://www.sgpstandard.cz/editor/files/stav_vyr/web.htm [9] http://www.timber.cz/rs-cz/vyroba-a-prodej-lepenych-eurohranolu/ Seznam odborné literatury [10] POLÁŠEK J., 2005. Technická normalizace a posuzování shody. 1. vydání. Brno: MZLU, 200 s. ISBN: 80-7157-876-2 [11] POLÁŠEK J., ŠPAČEK T., 2007. Stavebně truhlářská výroba-základy konstrukce a technologie. 1. vydání. Brno: MZLU, 148 s. ISBN: 978-80-7375050-3 [12] VAVERKA J., 2006. Stavební tepelná technika a energetika budov. 1. vydání. Brno: VUTIUM, 637 s. ISBN: 80-214-2910-0 [13] ČSN EN ISO 10077-1
Tepelné chování oken, dveří a okenic
Výpočet
součinitele prostupu tepla, Část 1: Všeobecně, 2007. [14] ČSN 73 0540-4
Tepelná ochrana budov, Část 4: Výpočtové metody, 2005.
37
