TEPELNĚ TECHNICKÉ NAVRHOVÁNÍ A POSUZOVÁNÍ SLAMĚNÝCH KONSTRUKCÍ-ŠÍŘENÍ TEPLA A VLHKOSTI POJEDNÁNÍ K DISERTAČNÍ PRÁCI

Obsah: 1 Úvod.............................................................................................................................................2 2 Současný stav řešené problematiky .............................................................................................2 2.1 Specifika izolací z balíků slámy...............................................................................................2 2.2 Tepelný odpor ..........................................................................................................................3 2.3 Konvekce teoreticky ................................................................................................................4 2.4 Tepelná vodivost ......................................................................................................................5 3 Výsledky vlastní dosavadní práce................................................................................................5 3.1 Měření vodivosti přístrojem Izomet.........................................................................................5 3.2 Aplikace teorie o šíření tepla konvekcí ve slaměné konstrukci ...............................................6 3.3 Odezva kritické místnosti slaměného domu na tepelnou zátěž v letním období .....................7 3.4 Měření v neustáleném teplotním stavu – na reálné stavbě.......................................................8 3.4.1 Měření prostupu tepla ..........................................................................................................8 3.4.2 Měřené a vypočtené parametry ............................................................................................8 3.4.3 Tepelný odpor určený výpočtem z naměřených hodnot tepelné vodivosti........................11 3.4.4 Měření proudění vzduchu uvnitř slaměné stěny ................................................................11 3.5 Měření v ustáleném stavu ......................................................................................................12 3.5.1 Metoda chráněné teplé skříně a metoda kalibrované teplé skříně ....................................12 3.5.2 Zkušební zařízení s chráněnou teplou skříní .....................................................................12 3.5.3 Zkušební zařízení s kalibrovanou teplou skříní ................................................................13 3.5.4 Metoda desky ....................................................................................................................13 3.5.5 Optimalizace jednoduché teplé skříně ...............................................................................14 3.5.6 Jednoduchá teplá skříň .......................................................................................................16 4 Cíl disertace................................................................................................................................18 4.1 Přínos pro vědu ......................................................................................................................18 4.2 Přínos pro praxi......................................................................................................................18 Použité zdroje informací ....................................................................................................................19

TEPELNĚ TECHNICKÉ NAVRHOVÁNÍ A POSUZOVÁNÍ SLAMĚNÝCH KONSTRUKCÍ-ŠÍŘENÍ TEPLA A VLHKOSTI POJEDNÁNÍ K DISERTAČNÍ PRÁCI

1 ÚVOD Přes zjevné výhody, jako jsou minimální spotřeba energie na výrobu a provoz, nízká cena, dostatečná životnost a následná jednoduchá a ekologicky výhodná likvidace, využití lokálních zdrojů, přínos pro místní ekonomiku a vhodnost pro stavbu svépomocí, brání širšímu využívání slaměných balíků ve stavebnictví zejména nedostatek zkušeností, chybějící metodika pro navrhování, chybějící závazné technické parametry a z toho plynoucí oprávněná nedůvěra investorů. 2

SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY Z výše uvedených důvodů není možné stavebního potenciálu slaměných balíků využít zatím naplno. Zatímco v oblastech výzkumu slaměných konstrukcí z hlediska požární bezpečnosti a statiky bylo již v zahraničí dosaženo jednoznačných výsledků [5], v oblasti tepelně technické tomu tak zatím není. Byla již provedena celá řada jednotlivých měření tepelně technických vlastností slaměných konstrukcí [2,5], mechanismus přenosu tepla uvnitř slaměných konstrukcí však zatím popsán nebyl a neexistuje žádná odpovídající metodika jejich tepelně technického navrhování a posuzování. 2.1 Specifika izolací z balíků slámy Od konvenčních tepelných izolací se izolace ze slaměných balíků liší zejména mnohem větší průvzdušností a tloušťkou. S rostoucím teplotním spádem, průvzdušností a tloušťkou vrstvy roste vliv šíření tepla prouděním (konvekcí) uvnitř tepelně izolační vrstvy [1,2,5]. Druhým významným specifikem je velká vlhkostní citlivost slámy. Sláma bez problémů snese opakované cykly vlhnutí a vysychání. Je li však dlouhodobě vystavena relativní vlhkosti prostředí překračující 70% nebo pokud její hmotnostní vlhkost přesáhne 30%, zplesniví [3]. Mechanismus šíření vlhkosti ve slaměných stěnách byl popsán prozatím pouze pro svislé konstrukce skladby hliněná omítka-slaměný balík-hliněná omítka [7,10]. Takové konstrukce jsou z vlhkostního hlediska považovány za bezpečné. Z tohoto hlediska však zatím nebyl proveden žádný výzkum vodorovných konstrukcí a konstrukcí jiných skladeb. Velikost konvekce a obsah vlhkosti ve slaměných stěnách závisí podstatnou měrou na použitém stavebním systému, technologii a kvalitě provedení. Zahraniční a historické zkušenosti ukazují, že nejlépe fungují stěny z nosné slámy oboustranně omítnuté hliněnými omítkami. Ve stěnách z nosné slámy je vliv konvekce menší. V zatížených slaměných stěnách se balíky rozpínají do stran a eliminují tak mezery. Slaměná hmota je rovnoměrně stlačena a průvzdušnost je tak snížena. Hliněné omítky mají díky svým specifickým vlastnostem příznivý vliv na obsah vlhkosti ve slaměných stěnách [10]. Ve vlhkých stěnách tepelná vodivost roste, tepelný odpor klesá. To působí další nárůst vlhkosti a může vést až k plesnivění slaměné stěny v její patě, kde se má akumulovaná vlhkost tendenci hromadit [5]. Vedle klasického, historického, nebrasského stylu stavění z nosné slámy, vhodného pouze pro stavbu malých jednopodlažních domků se v posledních dvou desetiletích vyvíjejí systémy nové, umožňující z nosné slámy stavět nejrůznější stavby od standardních rodinných domů až po rozsáhlé průmyslové objekty. Ať už je to patentovaná CUT (cell under tension) technika přírodního stavitele Toma Rijvena, hybridní systém vyvinutý britskou neziskovou společností Amazon Nails či stavění z obřích balíků (big bale building) používané v německy mluvících zemích, ve všech systémech je sláma v konstrukcích rovnoměrně zhutněna, je co možná nejvíce bez dutin a mezer a je omítána hliněnými omítkami přímo na slámu.

2


V současnosti je však nejschůdnějším kompromisem pro běžnou výstavbu použití slaměného balíku pouze jako náhrady konvenční tepelné izolace, kdy jsou balíky uzavřeny v konstrukci dřevostavby, pro následující zřejmé důvody: - pracnost shodná s klasickou dřevostavbou; - zlevnění stavby snížením nákladů na tepelnou izolaci; - minimální potřeba znalosti speciálních technologií; - možnost dodávky stavby zaučenou firmou specializovanou na dřevostavby. Zatím ale nebyl stanoven odpovídající postup výpočtu tepelného odporu takových konstrukcí, není znám postup určení rizika kondenzace vlhkosti a růstu plísní uvnitř a na povrchu konstrukce. Na takových konstrukcích zatím nebylo provedeno žádné publikované měření těchto parametrů či pozorování těchto jevů.

Obr. 1 – Balíky slámy uzavřené v konstrukci dřevostavby. Domek v Dolanech u Prahy. Příčný řez. (Návrh Ing. Daniel Grmela).

2.2 Tepelný odpor Tepelný odpor konstrukcí ze slaměných balíků je silně závislý na objemové hmotnosti (míře slisování) slámy. Nejvyšší hodnoty mají konstrukce z balíků slisovaných cca na 90 kg/m3 [8,9]. Malé balíky (cca 35x50x65 cm) jsou v praxi k dostání slisované obvykle na 40-70 kg/m3. V takových balících se zvýšenou mírou uplatňuje konvekce a tepelný odpor klesá [1]. Obří balíky (cca 90x125x250 cm) bývají obvykle slisované na 130-140 kg/m3, při takových hustotách je sice konvekce minimalizována, avšak zvyšuje se tepelná vodivost jako taková. V tuzemsku i zahraničí se tepelně-technické výpočty posuzující slaměné konstrukce doposud počítají stejně jako výpočty posuzující konstrukce konvenční. Vychází z předpokladu, že tepelný odpor je roven prostému podílu tloušťky a tepelné vodivosti. Vliv konvekce v závislosti na geometrických parametrech, průvzdušnosti a okrajových podmínkách se neuvažuje. V německu existuje závazný předpis pro tepelně-technické posuzování konstrukcí z balíků slámy [6], který od r. 2006 oficiálně povoluje provádět tepelně-technické výpočty s hodnotami

3


součinitele tepelné vodivosti λ = 0,080 W/(m.K) ve směru rovnoběžném se stébly a 0,052 W/(m.K) ve směru na stébla kolmém. Obsahem dokumentu je detailní popis „normovaných” balíků a suché konstatování hodnot tepelné vodivosti. O vlivu konvekce v něm žádná zmínka není. Nemiah Stone [5] sice konvekci vliv na velikost tepelného odporu slaměných stěn přisuzuje, pro složitost celého děje prostupu tepla slaměnou stěnou však nepovažuje za možné vyjádřit jeho velikost. Omezuje se pouze na výčet hodnot jednotlivých měření tepelných odporů slaměných stěn různých tlouštěk, aniž by uváděl, za jakých okrajových podmínek byly tyto hodnoty naměřeny. Výzkum provedený dánským institutem pro stavební technologie [2] ukázal o 47 % vyšší prostup tepla změřený na omítnuté slaměné stěně (U=0,21 W/m2.K) oproti prostupu tepla určenému výpočtem (U = 0,15 W/m2.K) ze změřených tepelných vodivostí a tlouštěk vrstev. Okrajové podmínky měření udány nejsou. 2.3 Konvekce teoreticky Vliv proudění na tepelný tok se vyjadřuje tzv. Nusseltovým číslem. Je-li rovno jedné, je to případ, kdy se proudění nijak tepelně neprojevuje, tepelný tok se realizuje jen zářením a vedením ve vzduchu a vedením ve vláknech. Je-li rovno dvěma, pak to znamená, že proudění snížilo tepelný odpor izolační vrstvy na polovinu [1]. Porézní izolační materiály proudění potlačují, kladou mu odpor. Odpor kladený proudění lze charakterizovat jediným geometrickým parametrem, permeabilitou, která má rozměr plochy a značí se obvykle K. Porézní tepelně izolační materiály ji mají v rozmezí 10-7 až 10-10 metru čtverečního, lépe se to pamatuje v milimetrech čtverečních, kdy je to od jedné desetiny do jedné desetitisíciny [1]. Abychom získali Nusseltovo číslo Nu, vyjdeme z modifikovaného Rayleighova čísla Ram pro porézní vrstvy. Ram je úměrné výšce porézní dutiny H, teplotnímu rozdílu T a permeabilitě K. Pro obvyklou zimní teplotu v dutině a obvyklé materiály s λ = 0,04 W/(m.K) je to kolem Ram = 0,7 (H / 1 dm) (T / 10 K) (K / 0,01 mm2) (2) Vodorovné homogenní vrstvy, i když v nich teplota klesá směrem vzhůru, zůstávají bez konvekce, pokud platí, že: Ram<40 (nebo <25, je-li vrstva nahoře otevřená, což by ale být neměla už kvůli možným poryvům větru). Nad tímto limitem platí: Nu = 1 + 0,04 (Ram − 40) (3) Ve svislých vrstvách, jimiž jde tepelný tok příčně, se konvekce odehrává vždy. Ale Nusseltovo číslo zůstává pod 1,1 je-li Ram nižší než 10. Má-li konvektivní buňka čtvercový průřez (to muže být případ stěn z balíku slámy, vlivem nehomogenity na rozhraní balíku) pak zhruba platí, že Nu = 1 + Ram/100 pro Ram < 15, Nu = 0,8 + Ram/ 36 pro 15 < Ram < 40, Nu = 1 + Ram/ 45 pro 40 < Ram < 100. (4) [1] S podobnými výsledky lze použít kvadratickou funkci: Nu = a + b.Ra + c.Ra Nu = a + b.Ram + c.Ram2 a = 0,792385 b = 0,0291139 c = -4,88E-05 (5) [14,15] Snížit modifikované Rayleighovo číslo lze bud snížením permeability, tedy přidáním dostatečně jemnozrnné frakce nebo rozdělením vrstvy na několik vrstev menších tloušťek.

4


2.4 Tepelná vodivost Tepelná vodivost slámy závisí na orientaci stébel. Ve směru kolmém na stébla je nižší než ve směru podél stébel. Rozdíly v hodnotách uvedených v následující tabulce jsou dány různou vlhkostí, různými druhy slámy, různou mírou slisování a různými okrajovými podmínkami. Zdroj teplota vlhkost objemová tepelná tepelná ekvivalentní hmotnost vodivost vodivost tepelná kolmo na podél stébel vodivost stébla (°C) (%) λ (W/mK) λ (W/mK) λ (W/mK) Andersen [2] 0,05 0,082 0,085 Stone [5] 0,099* Strawbale guide [3] 0,09 ByogByg [2] 75 0,052 0,057 ByogByg [2] 90 0,06 0,056 Hause der zuk. [2] 100 0,38 Christian [2] 62 resp. 81 0,057 0,082 McCabe [2] 150 0,048 0,06 Sandia national [2] 90 0,05-0,06** 0,05-0,06** Bautechnik inst. [6] 23 <15 90-120 0,067 0,044 Grmela 20,6 14 70 0,063 0,052 Tab. 1 – tepelné vodivosti udávané různými autory * přepočteno z IP (inch-pound) jednotek R=1.45 Btu/hr.s.f. °F/inch ** orientace nespecifikována 3

VÝSLEDKY VLASTNÍ DOSAVADNÍ PRÁCE

3.1 Měření vodivosti přístrojem Izomet Izomet je mikroprocesorem řízený ruční přístroj na přímé měření součinitele tepelné vodivosti, měrné objemové tepelné kapacity, součinitele teplotní vodivosti a teploty kompaktních, sypkých a kapalných materiálů pomocí výměnných jehlových a plošných sond. Vzorky slámy a hliněných omítek jsem odebral ze stavby nízkoenergetického přírodního domu ve Sluneční ulici v Hradčanech u Tišnova. (dostupné z http://www.rigi.cz/) K měření fyzikálních veličin slámy jsem užil jehlovou sondu. Směr tepelého toku Kolmo na stébla

θ (°C)

λ (W/mK)

19,1 0,0506

cp106 (J/m3 K) 0,125

a ρ 2 10 (m /s) (kg/m3) 6

0,406

w (%)

70 14

20,6 0,0519

0,137

0,378

70

Rovnoběžně 20,6 0,0629 0,192 0,328 70 se stébly Tab. 2 - Tepelně fyzikální vlastnosti slámy

14

5


Obr. 2 – jehlová sonda Isometu ve vzorku Obr. 3 – vzorek hliněné omítky, s plošnou slámy sondou Hodnoty součinitele tepelné vodivosti naměřené Izometem korespondují s hodnotami uváděnými v zahraniční literatuře. K měření fyzikálních veličin hliněné omítky jsem užil příložnou sondu. θ (°C)

λ (W/mK)

cp106 (J/m3 K)

a 10-6(m2/s)

ρ (kg/m3)

w (%)

20,46

0,52

0,71

0,732

1823

6

20,46

0,516

0,706

0,731

1823

6

20,46

0,542

0,707

0,766

1823

6

Tab. 3 – Tepelně technické vlastnosti hliněné omítky 3.2 Aplikace teorie o šíření tepla konvekcí ve slaměné konstrukci Teorii o šíření tepla ve slaměné konstrukci jsem aplikoval na řadu výpočtů. Dosazoval jsem různé hodnoty permeability, různé tloušťky izolace v konstrukci a její dělení na různý počet vrstev neprůvzdušnou zábranou. Vyjádřil jsem velikost Nusseltova čísla, tepelného odporu a prostupu tepla v závislosti na teplotním spádu. Výsledky jsem znázornil v závislosti na teplotním spádu v grafech. Uvádím zde dva z nich pro tloušťku slaměné izolace 500mm a permeabilitu K = 0,1 mm. Vliv přenosu tepla konvekcí na velikost tepelného odporu v závislosti na vnější teplotě (tl. izolace 0,5 m)

Závislost Rk na tloušťce vrstev 20

Tepelný odpor (z Nu lineárně) Tepelný odpor (z Nu kvadraticky)

Vnější teplota (°C)

Vnější teplota (°C)

15

25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20

10 500 mm

5

2x250 mm

0

3x167 mm

-5

4x125 mm

-10 -15 -20

0

5

10

Rk (W/m2K)

Graf 1 – Vliv přenosu tepla konvekcí na velikost tepelného odporu

0

2

4

6

8

10

Rk (W/m 2K)

Graf 2 – Závislost tepelného odporu na tloušťce dělení vrstev 6


Z dosud provedených měření (kap. ) vyplývá, že konvekce na velikost tepelného odporu slaměných vrstev vliv sice má, ovšem podstatně menší, než jak by vyplývalo z Hollanovy teorie. 3.3 Odezva kritické místnosti slaměného domu na tepelnou zátěž v letním období Pro nebezpečí negativního vlivu nízké objemové hmotnosti slámy na tepelnou stabilitu místností slaměného domu v letním období jsem tuto problematiku prověřil v programu Simulace 2007. Posuzoval jsem kritickou místnost rodinného domu na pozemku C3 ve Sluneční ulici v Hradčanech u Tišnova [11]. Kapitolu uvádím pouze pro úplnost přehledu výsledků dosavadní práce. Tímto tématem jsem se zabýval pouze okrajově, v rámci hledání cílů disertační práce a dále se mu věnovat nehodlám. Porovnal jsem různé varianty zasklení a stínění výplní otvorů a dvě varianty obvodového pláště: slaměnou a zděnou z cihel plných pálených [11,12]. kombinace

výpočtový model

ϴi,max (°C)

ϴr (°C) ϴo (°C) ∆ϴ a,max (°C)

stíněno-sláma 28,73 28,32 stíněno-cihla 29,01 28,61 RC/ČSN nestíněno-sláma 47,23 46,96 nestíněno-cihla 40,72 40,26 stíněno-sláma 28,11 27,46 stíněno-cihla 27,46 26,79 MTJ/STN nestíněno-sláma 44,71 44,59 nestíněno-cihla 37,79 37,45 Tab. 4 – Srovnání výsledků

28,44 28,73 47,03 40,38 27,78 27,13 44,65 37,62

8,1 8,2 23,8 23,8 5,4 10 15,3 17,5

Legenda k tabulce: ϴi, max … teplota vnitřního vzduchu (°C); RC … R-C metoda; ϴr … střední radiační teplota (°C); MTJ - metoda tepelné jímavosti; ϴo … výsledná operativní teplota (°C); ČSN - výpočet dle ČSN 730540-4 [17]; ∆ϴ a,max ... nejvyšší denní vzestup teploty (°C); STN - výpočet dle STN 730540-4 [18]. Varianty: stíněno … dveře a okna s reflexivním 4 mm sklem a světlými lamelovými žaluziemi zvenčí; nestíněno … dveře a okna se sklem čirým 3 mm s propustností 0,85, bez dalších stínících prvků (kromě přesahu střechy); sláma … konstrukce mají skladbu dle projektové dokumentace [11,12]; zeď … ve skladbě vnějších stěn jsou slaměné balíky nahrazeny zdivem z pálených cihel. Vyhodnocení Požadavek na nejvyšší denní vzestup teploty v kritické místnosti varianty „stíněno“ + „sláma“ vyšetřovaného objektu v letním období dle ČSN 73540-2 [16] není splněn: ∆ϴ a,max = 8,1 °C > ∆ϴ a,max,N = 5 °C Při ploše průsvitných výplní otvorů dle [12] ( tj. 25% z plochy obvodového pláště), by však splněn nebyl, ani kdyby byl obvodový plášť místo ze slámy vyzděn z plných pálených cihel. Hodnota ∆ϴ a,max by dokonce byla ještě o 0,1 °C vyšší. Při užití metodiky výpočtu dle STN 730540-4 [18] je příznivý vliv slaměného obvodového pláště na nejvyšší denní vzestup teploty v letním období ještě výraznější.

7


Z porovnání způsobů stínění otvorů vyplývá, že jsou to právě tyto, jež mají na velikosti vzestupu denní teploty v letním období největší podíl. Jejich větším zastíněním či zmenšením jejich plochy by bylo požadavku ∆ϴ a,max,N = 5 °C možno vyhovět. Ve variantě „stíněno“ + „sláma“ není splněn ani požadavek na nejvyšší denní teplotu vzduchu v kritické místnosti dle ČSN 73 540-2 [16]: ϴ ai,max = 28,73 °C > ∆ϴ ai,max, N = 27 °C Přesnější výpočtový model (R-C) dává pro variantu s pálenými cihlami hodnotu ϴ ai,max mírně vyšší než méně přesný model MTJ. Při použití obyčejného zasklení a při absenci stínění výplní otvorů má sláma v porovnání s pálenými cihlami nepříznivý vliv na ϴ ai,max. Vzhledem k její nízké akumulační schopnosti je rozdíl výrazný, ať použiji tu či onu metodu výpočtu. Přesto je patrné, že při vhodné volbě velikostí průsvitných výplní otvorů, jejich vhodném zasklení a stínění a při použití dostatečného objemu vnitřních konstrukcí z materiálů s velkou objemovou hmotností a tepelnou kapacitou (např. těžké podlahy, vnitřní hliněné omítky, vnitřní přizdívky a příčky z nepálených cihel), lze navrhovat slaměné domy schopné splnit požadavky na tepelnou stabilitu místností. 3.4 Měření v neustáleném teplotním stavu – na reálné stavbě 3.4.1 Měření prostupu tepla Objektem, na kterém jsem provedl dále popsané měření, je rodinný dům na pozemku C3 ve Sluneční ulici v Hradčanech u Tišnova [11]. Měření jsem provedl ve dnech 16.1.-20.1. 2009 na západní obvodové stěně v 2.NP. Pro měření jsem použil universální měřící přístroj s programovatelnými konektory ALMEMO 3290-8, výrobce AHLBORN. Přístroj je založen na kombinaci mikroprocesorem řízeného indikačního přístroje o velké rozlišovací schopnosti s inteligentními ALMEMO konektory. Tyto konektory jsou vybaveny pamětí EEPROM, do které jsou uloženy parametry snímače. K přístroji lze připojit různá čidla. Přístroj "přečte" parametry čidla z paměti konektoru a automaticky nastaví potřebné funkce. Data jsou zobrazena na LCD displeji. Veškeré naměřené a vypočtené hodnoty lze ukládat do paměti přístroje s kapacitou 130 kB. Výstup na zapisovač, tiskárnu a počítač se realizuje připojením příslušného kabelu. ALMEMO 3290-8 má 9 universálních vstupů a 2 výstupy. 3.4.2 Měřené a vypočtené parametry Měřil jsem vnitřní a vnější povrchové teploty konstrukce, teplotu vnějšího a teplotu a relativní vlhkost vnitřního i vzduchu a hustotu tepelného toku. Pro zjištění uvedených veličin jsem použil tato čidla (výrobce AHLBORN): termočlánky NiCr-Ni, typ T683-2; kapacitní čidlo FH A646-1 (tj. kombinované čidlo teplota - vlhkost vzduchu); alfametr (výrobce AHLBORN).

8


Pro určení tepelného odporu stačilo změřit následující veličiny:

obvodové

konstrukce by za ustálených podmínek

Θi teplotu vzduchu v interiéru [ C] q hustotu tepelného toku [W.m2] Θe teplota vzduchu v exteriéru [°C] Θsi teplotu vnitřního povrchu stěny [°C] Θse teplotu vnějšího povrchu stěny [ C] Dále jsem měřil také: ρi relativní vlhkost v interiéru [%] Tyto veličiny byly měřeny automaticky v nastavených intervalech každých 15 min v průběhu pěti dnů a hodnoty ukládány do paměti přístroje. Z naměřených hodnot je pro ustálený teplotní stav možno vypočítat: hi součinitel přestupu tepla na vnitřní straně konstrukce, [W/(m2.K)] he součinitel přestupu tepla na vnější straně konstrukce, [W/(m2.K)] R tepelný odpor konstrukce, [m2.K/W] Rsi odpor při přestupu tepla na vnitřní straně konstrukce, [m2.K/W] Rse odpor při přestupu tepla na vnější straně konstrukce, [m2.K/W] RT tepelný odpor při prostupu tepla, [m2.K/W] U součinitel prostupu tepla [W/(m2.K)] Θw teplotu rosného bodu. [°C] V neustáleném teplotním stavu však při prostupu tepla obvodovou stěnou dochází ke složitému jevu. Vedle prostého prostupu tepla se zde uplatňuje minimálně také vliv akumulace a teplotního útlumu, proto jsou výsledky získané postupem platným pro ustálený stav pouze orientační. Následující výpočty jsou provedeny s průměrnými vstupními hodnotami. Použité vztahy dle [22].

hi =

q 2,76 = = 4,68 W/(m2.K) θ i − θ si 16,53 − 15,94

he =

q 2,76 = = 1,29 W/(m2.K) θ e − θ se − 3,32 − (−1,18)

R=

θ si − θ se 15,94 − (−1,18) q

=

2,76

= 6,20 m2.K/W

9


Rsi =

1 1 = = 0,21 m2.K/W hi 4,68

Rse =

1 1 == = 0,78 m2.K/W he 1,29

RT = Rsi + R + Rse = 0,21 + 6,20 + 0,78 = 7,19 m2.K/W 1 1 = = 0,14 W/(m2.K) U= RT 7,19

Θw=

 ϕ  0,1247   i   ( ) . 109,8 + Θ i  − 109,8 =  100   

 57,57  0,1247   .(109,8 + 16,53) − 109,8 = 8,12 °C   100  

(ALMEMO spočte automaticky)

Obr. 4 – Instalace měřícího přístroje na stavbě

Obr. 5 - Rozmístění a upevnění čidel v interiéru

Obr. 6 - Rozmístění a upevnění čidel v exteriéru

10


Graf 3 – Neustálený teplotní stav – hustota tepelného toku slaměnou stěnou 3.4.3 Tepelný odpor určený výpočtem z naměřených hodnot tepelné vodivosti Omítka hliněná tl. do = 0,05m oboustranně, λo= 0,53 W/(mK) Slaměný balík tl. ds = 0,5m, λs= 0,063 W/(mK) Ro = 2.do/λo= 2.0,05/0,53 = 0,18 m2.K/W Rs = ds/λs = 0,5/0,063 = 7,94 m2.K/W Rv = Ro+Rs = 7,94+0,18 = 8,12 m2.K /W > Rm = 6,2 m2.K /W do … tloušťka vrstev hliněné omítky, ds … tloušťka vrstvy slámy [m] λo … tepelná vodivost hliněné omítky, λs … tepelná vodivost slámy [W/mK] Ro … tepelný odpor vrstev hliněné omítky, Rs … tepelný odpor vrstvy slámy [m2.K /W] Rv … tepelný odpor konstrukce určený výpočtem, Rm … tepelný odpor konstrukce určený měřením [m2.K/W] Tepelný odpor určený z tepelné vodivosti a tloušťky je asi o čtvrtinu vyšší než tepelný odpor určený z tepelného toku a povrchových teplot. 3.4.4 Měření proudění vzduchu uvnitř slaměné stěny Měření jsem provedl 14.2. na západní obvodové stěně v 2.NP stejného objektu. Rychlost proudění vzduchu jsem měřil thermoanometrickým čidlem Ahlborn FVA 935. Čidlo měří od minimální rychlosti proudění 0,04m/s. Při teplotním spádu 17°C nebylo tímto čidlem žádné proudění uvnitř slaměné stěny potvrzeno.

11


Obr. 7 - Thermoanometrické čidlo ve slaměné stěně 3.5

Měření v ustáleném stavu Pro orientační měření tepelného odporu slaměných izolací o velkých tloušťkách a průvzdušnostech v ustáleném teplotním stavu jsem sestavil měřící zařízení – jednoduchou teplou skříň. Při návrhu zařízení jsem vycházel z metody chráněné teplé skříně [19], z metody kalibrované teplé skříně [19] a z metody desky [20]. 3.5.1 Metoda chráněné teplé skříně a metoda kalibrované teplé skříně [19] Oba typy zkušebního zařízení, metoda chráněné teplé skříně a metoda kalibrované teplé skříně, mají reprodukovat smluvní okrajové podmínky na vzorku mezi dvěma tekutými prostředími, kterými je obvykle atmosférický vzduch, každé při stálé teplotě. Vzorek je umístěn mezi teplou a chladnou komorou, ve kterých jsou známé teploty prostředí. Měření probíhá při ustálené teplotě vzduchu, povrchových teplotách a celkovém vstupním tepelném výkonu v měřicí skříni. Z těchto měření jsou vypočteny tepelně-technické vlastnosti vzorku. 3.5.2 Zkušební zařízení s chráněnou teplou skříní [19] U zkušebního zařízení s chráněnou teplou skříní, je měřicí skříň umístěna v kompenzační skříni. Prostředí v ní je řízeno tak, aby byl minimalizován boční tepelný tok vzorkem, Φ2 a ztrátový tepelný tok stěnami měřicí skříně, Φ3. V ideálním případě, kdy je stejnorodý vzorek umístěn ve zkušebním zařízení a když jsou teploty prostředí na obou stranách zkušebního vzorku ustálené a stejné a dále, když povrchová teplota a součinitel přestupu tepla na chladné straně jsou ustálené a rovnoměrné, potom stejné teploty prostředí uvnitř a vně měřicí skříně způsobují stejnou teplotu povrchu vzorku a naopak, t.j. Φ2=Φ3=0. Celkový tepelný tok vzorkem v měrné ploše měřicí skříně bude potom roven tepelnému toku vstupujícímu do měřicí skříně.

12


Obr. 8 - Zkušební zařízení s chráněnou teplou skříní [19]

3.5.3 Zkušební zařízení s kalibrovanou teplou skříní [19] U zkušebního zařízení s kalibrovanou teplou skříní (viz obr. 9) je měřicí skříň obklopena prostředím s řízenou teplotou, která nemusí být nutně stejná jako je teplota v měřicí skříni. Ztrátový tepelný tok stěnami skříně Φ3 je malý v důsledku použití konstrukce skříně s vysokým tepelným odporem. Celkový vstupní topný výkon ΦP musí být opraven o ztráty stěnami měřicí skříně Φ3 a okrajové ztráty vzorku Φ4. Cesta okrajového tepelného toku je na obr. 10, který zobrazuje detaily vzorku a rámu vzorku s přilehlými stěnami teplé a chladné skříně. Opravy na tepelné ztráty stěnami měřicí skříně a okrajové ztráty se stanoví ze zkoušek na kalibračních vzorcích o známém tepelném odporu. Pro kalibraci okrajových ztrát by měly kalibrační vzorky zahrnovat tloušťky a tepelné odpory v rozsahu jako u vzorků, na kterých se mají zkoušky provádět a teplotu v rozsahu zamýšleném při zkouškách na vzorcích.

Obr. 9 – Zkušební zařízení s kalibrovanou teplou skříní [19]

3.5.4 Metoda desky [20] Podstatou metody je navodit ve zkušebním vzorku (dvojici zkušebních vzorků) ustálený tepelný stav a na základě průměrných hodnot: - tepelného toku; - teploty vztažné plochy teplého povrchu zkušebního vzorku (dvojice zkušebních vzorků);

13


- teploty vztažné plochy chladného povrchu zkušebního vzorku (dvojice zkušebních vzorků); - tloušťky zkušebního vzorku (dvojice zkušebních vzorků), - výpočtem stanovit součinitel tepelné vodivosti (ekvivalentní součinitel tepelné vodivosti) zkušebního vzorku zkušebních vzorků. Při měření musí být zajištěna v nejvyšší míře konstantní teplota chladné desky a teplé desky. 3.5.5 Optimalizace jednoduché teplé skříně Cílem je dosáhnout co možná nejrovnoměrnějšího rozvrstvení pole teplot po výšce vzorku za účelem minimalizace bočních ztrát zároveň s udržením směrů tepelných toků v jednom směru v co možná největší šířce podélného řezu. Teplotní pole a směry tepelných toků jsem modeloval v programu Area 2007. Fáze 1: izolace polystyrenem 300 mm bočnice i dno.

Obr. 10 – Fáze 1 – pole teplot Obr. 11 – Fáze 1 – směry tepelných toků Fáze 2: skříň vnitřní - izolace polystyrenem 300 mm, bočnice i dno; skříň vnější bez tepelné izolace.

Obr. 12 – Fáze 2 – pole teplot

Obr. 13 – Fáze 2 – směry tepelných toků

14


Fáze 3: skříň vnitřní - izolace polystyrenem: bočnice 300 mm, dno 300 mm, skříň vnější bočnice: 100 mm, dno: 100 mm.



Fáze 4: skříň vnitřní - bočnice 300 mm polystyren, dno 300 mm vzduchová mezera, skříň vnější - bočnice: 100 mm polystyren, dno: 100 mm polystyren.



Fáze 5: skříň vnitřní - bočnice 300 mm polystyren, dno bez tepelné izolace, skříň vnější bočnice: 100 mm polystyren, dno: 100 mm polystyren.

15




Fáze 6: skříň vnitřní - bočnice 100 mm polystyren, dno 100 mm polystyren, skříň vnější bočnice: 100 mm polystyren, dno: 100 mm polystyren.



Chráněnou teplou skříň se mi nepodařilo nasimulovat tak, abych dosáhl kýžených požadavků. Proto jsem se rozhodl pro napodobení kalibrované teplé skříně. Vrátil jsem se k fázi 1 a maximalizoval tepelnou izolaci dna a bočnic. Pomocí výsledného zařízení bude s jistými omezeními možné napodobit jak metodu kalibrované teplé skříně (vzorek mezi dvěma tekutými prostředími), tak metodu desky (vzorek mezi dvěma pevnými prostředími). 3.5.6 Jednoduchá teplá skříň Dno a bočnice teplé skříně jsou izolovány polystyrenem. Dno skříně je vyhříváno elektrickou plotnou. Teplo z elektrické plotny je po celé ploše dna rozvedeno hliníkovou deskou tl. 5 mm (tepelná vodivost λ = 203 W.m/K). Víko skříně je chlazeno vodou s ledem. Má tvar ploché vany, s výškou 250 mm a je vybaveno přepadem pro odtok přebytečné vody z rozpuštěného ledu. Je vyrobeno z ocelového plechu tl. 2 mm. V druhé fázi bude skříň otočena na bok a chlazena mrazákem. Dovnitř skříně se umístí měřený vzorek-slaměný balík. Tepelný odpor měřeného vzorku se určí z tepelného toku balíkem a teplot na teplé a chladné straně měřeného vzorku při ustáleném teplotním stavu.. Tepelný tok balíkem se určí jednak z rozdílu výkonu topné plotny a tepelného toku stěnami a 16


dnem skříně, jednak se změří měřidlem tepelného toku.. Topná plotna je napájena, regulována a její příkon je měřen pomocí dvou školních zdrojů stejnosměrného napětí zapojených pro dosažení potřebného výkonu do série. Ф=P

(1) Ф … tepelný tok do teplé skříně (W) P … výkon~příkon (W)

kde

q = qv+qz

(2)

q=Ф

(3)

kde

Rv =

kde

q … hustota tepelného toku z teplé skříně (W/m2) qv… hustota tepelného toku skrze měřený vzorek (W/m2) qz… hustota tepelného toku ztrátová (skrze dno a bočnice teplé skříně) (W/m2)

θ t − θ ch qv

(4)

Rv … tepelný odpor měřeného vzorku (m2K/W) θt … teplota na teplém povrchu měřeného vzorku (° C) θch … teplota na chladném povrchu měřeného vzorku (° C)

Ztrátovou hustotu tepelného toku qz určím: 1) Z měřených povrchových teplot na vnitřní a vnější straně teplé skříně a z tepelného odporu dna a bočnic teplé skříně vypočteného na základě tepelných vodivostí a tloušťek použitých materiálů udaných výrobcem a pro kontrolu změřených (přístrojem Izomet, délkovým měřidlem). 2) Alfametrem. 3) Kalibrací skříně pomocí vzorku se známým tepelným odporem. Druhou možností je určení tepelného toku skrze vzorek alfametrem a užití postupu z kap. 3.4.2. Tím je dána možnost kontroly měření. Tak bude možné sledovat velikost tepelného odporů fragmentů slaměných stěn v závislosti na teplotním spádu, směru orientace stébel, tloušťce vrstvy izolace, průvzdušnosti a způsobu omítnutí či vložení mezi další konstrukční vrstvy. Průvzdušnost vzorků bude stanovena na zařízení vyvinutém Ing. Znajdou na ústavu Stavebních hmot a dílců [13]. Celé zařízení jsem již sestrojil, ale ještě jsem na něm neměřil.

17


Obr. 22 - Jednoduchá teplá skříň

4

CÍL DISERTACE Cílem disertace je sestavení fyzikálního modelu šíření tepla a vlhkosti ve slaměných konstrukcích a vypracování metodiky stanovení tepelného odporu, rizika kondenzace vodní páry a růstu plísní uvnitř konstrukce. Vytyčený cíl vychází z potřeb projekce a realizace slaměných staveb. Hodlám k němu dospět tvorbou hypotézy a matematicko-fyzikálního modelu (matematickou analýzou s využitím teorie podobnostních čísel a měřením tepelně fyzikálních veličin (tepelné vodivosti, průvzdušnosti, měrné tepelné kapacity a prostupu tepla) v laboratorních podmínkách i na reálných stavbách. 4.1

Přínos pro vědu Fyzikální model šíření tepla a vlhkosti uvnitř slaměných konstrukcí: - matematicko-fyzikální analýza s využitím teorie podobnostních čísel; - počítačová simulace.

4.2 Přínos pro praxi Metodika stanovení tepelného odporu, rizika kondenzace vodní páry a růstu plísní uvnitř konstrukce: - stanovení velikosti tepelného odporu, rizika kondenzace vodní páry a růstu plísní uvnitř slaměných konstrukcí (stěn, podlah a střech) v závislosti na míře slisování slámy

18


(průvzdušnosti), na tloušťce dělení slaměné vrstvy a na velikosti teplotního a vlhkostního spádu. Včetně využití k: optimalizaci skladeb konstrukcí; optimalizaci řešení detailů; doplnění postupu pro výpočet celoroční bilance zkondenzované a vypařitelné vodní páry uvnitř konstrukce dle [17]; upravení postupu pro výpočet roční potřeby tepla dle [21].

POUŽITÉ ZDROJE INFORMACÍ [1] Hollan, J. (2008) Jak fungují tepelné izolace a kdy dokonale, Sborník Juniorstav 2008, VUT v Brně , Brno. [2] Andersen, J., M., Andersen B., M., (2004) Halmhuse, Udformning og materialeegenskaber, Danish Building and Urban Research, www.sbi.dk, Dánsko [3] Jones, B. (2001) Information guide to strawbale building, www.strawbalefutures.org.uk. [4] Rijven, T. (2008) Between earth and straw, Goute de Sable, Francie [5] King, B. (2006) Design of Straw Bale Buildings, The State of the Art, Green Building Press, San Rafael, California, USA. [6] Deutsches Institut fur Bautechnik (2006) Allgemeiner bauaufsichtlicher Zullasung fur Baustrohballen, Deutsches Institut fur Bautechnik, Berlin, Německo. [7] WIHAN, Jakub, HUMIDITY IN STRAW BALE WALLS. Dostupný z: http://www.jakubwihan.com/pdf/thesis.pdf. [8] PFEIFEROVÁ, Magda, SRDEČNÝ, Karel, ŠIMEK, Miroslav. (2001) Slaměný dům. České Budějovice: ROSA o. p. s. 70 s. ISBN 80-238-6834-9. [9] HUDEC, Mojmír. (2007) Slaměný balík jako stavební komponent – přednáška k příležitosti Světového dne pasivního domu 2007. [10] WIHAN, Jakub. (2007) Vlhkost ve slaměné stěně a její vliv na tlení slámy, Materiály pro stavbu 5/2007. [11] GRMELA, Daniel. (2008) Tepelně technické posuzování slaměných konstrukcí. Seminární práce. 67 s. [12] BROTÁNEK, Aleš. (2006) Nízkoenergetický slaměný dům v Hradčanech u Tišnova. Dokumentace provedení stavby. [13] ZNAJDA, Tomáš. (2005) Modelování procesu průvzdušnosti stavebními materiály a konstrukcemi. Disertační práce. [14] HOLLAN, J. (2008) Emailová korespondence s autorem pojednání. [15] BEJAN, Adrian. (1995) Convection Heat Transfer. New York John Wiley&Sons. 623 s. ISBN 0-471-57972-6. [16] ČSN 73 0540-2: 2007 Tepelná ochrana budov. Část 2: Požadavky. [17] ČSN 73 0540-4: 2005 Tepelná ochrana budov. Část 4: Výpočtové metody. [18] STN 730540-4: 2002 Tepelná ochrana budov. Část 4: Výpočtové metody.

19


[19] [20] [21] [22]

ČSN EN ISO 8990 (730557): 1998 Tepelná izolace - Stanovení vlastností prostupu tepla v ustáleném stavu - Kalibrovaná a chráněná teplá skříň. ČSN 72 7012-3 (727012): 1994 Stanovení součinitele tepelné vodivosti materiálů v ustáleném tepelném stavu. Metoda desky. Část 3: Metoda měřidla tepelného toku. ČSN EN 832: 2000 Tepelné chování budov - Výpočet potřeby energie na vytápění Obytné budovy. VVZ MSM 261 100008: Výzkum a vývoj nových materiálů z nových surovin a zajištění vyšší trvanlivosti ve stavbě konstrukcí. (2000) Závěrečná zpráva.

20

TEPELNĚ TECHNICKÉ NAVRHOVÁNÍ A POSUZOVÁNÍ SLAMĚNÝCH KONSTRUKCÍ-ŠÍŘENÍ TEPLA A VLHKOSTI POJEDNÁNÍ K DISERTAČNÍ PRÁCI

Recommend Documents