VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY TEPELN TECHNICKÉ VLASTNOSTI RÁMU OKENNÍ VÝPLN A P IPOJOVACÍ SPÁRY

VYSOKÉ UýENÍ TECHNICKÉ V BRNċ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV POZEMNÍHO STAVITELSTVÍ FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF BUILDING STRUCTURES

TEPELNċ TECHNICKÉ VLASTNOSTI RÁMU OKENNÍ VÝPLNċ A PěIPOJOVACÍ SPÁRY THERMAL PROPERTIES OF THE WINDOW FRAME AND CONNECTION JOINTS

TEZE DISERTAýNÍ PRÁCE SHORT VERSION OF DISSERTATION

AUTOR PRÁCE

ING. LUKÁŠ HEJNÝ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BRNO 2014

DOC. ING. MILOŠ KALOUSEK, PH.D.

TepelnČ technické vlastnosti rámu okenní výplnČ a pĜipojovací spáry

Klíþová slova Ekvivalentní tepelná vodivost; lineární þinitel prostupu tepla; povrchová teplota; pĜipojovací spára; souþinitel prostupu tepla; tepelný odpor; tepelný tok; teplotní faktor vnitĜního povrchu; teplý distanþní rámeþek.

Key words Equivalent thermal conductivity; Linear thermal transmittance; Surface temperature; connecting point; The heat transfer coefficient; thermal resistance; Heat flow rate; Temperature factor at the internal surface Warm Edge.

Rukopis disertaþní práce je uložen na Ústavu pozemního stavitelství, FakultČ stavební, VUT v BrnČ. © Ing. Lukáš Hejný, 2014 2


OBSAH

1. ÚVOD .................................................................................................................................. 5 2. PěEHLED SOUýASNÉHO STAVU PROBLEMATIKY A ZÁKLADNÍ FYZIKÁLNÍ VELIýINY ................................................................................................................................... 6 2.1. Dosavadní zpĤsob Ĝešení osazení okenních výplní ....................................................... 6 2.1.1. Pokyny pro navrhování dle ýSN 73 0540-2 .............................................................. 6 2.1.2. Osazení okenních výplní na jednovrstvé zdivo .......................................................... 6 2.1.3. Osazení okenních výplní na zateplené zdivo ............................................................. 6 2.1.4. Osazení okenních výplní v nízkoenergetických domech ............................................ 7 2.1.5. Osazení okenních výplní na líc zdiva s pĜetažením tepelnou izolací ........................ 7 2.1.6. Další možnosti osazení okenních výplní .................................................................... 7 2.2. Fyzikální veliþiny týkající se Ĝešeného tématu .............................................................. 7 2.2.1. Souþinitel prostupu tepla okenní výplnČ ................................................................... 7 2.2.2. Lineární a bodový þinitel prostupu tepla .................................................................. 8 2.2.3. Povrchová teplota a teplotní faktor........................................................................... 8 3. CÍLE DISERTAýNÍ PRÁCE .............................................................................................. 9 4. MODELY TEPLOTNÍCH POLÍ ......................................................................................... 9 4.1. vylepšení tepelnČ technických vlastností rámu a kĜídla okna ....................................... 9 4.2. Vhodný zpĤsob osazení okenních výplní .................................................................... 11 5. OVċěENÍ VYPOýÍTANÝCH HODNOT ........................................................................ 17 5.1. MČĜení termovizní kamerou ........................................................................................ 17 5.2. Laboratorní mČĜení ...................................................................................................... 19 5.2.1. Metoda teplé skĜínČ ................................................................................................. 19 5.2.2. Popis mČĜícího boxu ................................................................................................ 20 5.2.3. Osazení rámu a kĜídla okna do mČĜícího boxu ....................................................... 20 5.2.4. Výsledky z mČĜení a výpoþet vstupních údajĤ pro simulace ................................... 22 5.2.5. Porovnání namČĜených hodnot s vypoþítanými hodnotami .................................... 23 6. VÝSLEDKY A ZÁVċR DISERTAýNÍ PRÁCE ............................................................. 25 6.1. Vylepšení tepelnČ technických vlastností rámu a kĜídla okna..................................... 25 6.2. Vhodný zpĤsob osazení okenních výplní .................................................................... 25 6.2.1. Osazení okenní výplnČ v obvodové stČnČ ................................................................ 25 6.2.2. Vylepšení tepelnČ technických vlastností pĜipojovací spáry ................................... 25 6.3. ZávČr ............................................................................................................................ 26 7. DOPORUýENÍ PRO TECHNICKOU PRAXI ................................................................. 26 8. MOŽNOSTI DALŠÍHO VÝZKUMU ............................................................................... 27 9. SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJģ ................................................................................... 28 10. CURRICULUM VITAE .................................................................................................... 29 11. ABSTRACT ....................................................................................................................... 31

3


4


1. ÚVOD VýplnČ otvorĤ patĜí k technicky nároþným konstrukcím objektĤ. Jsou souþástí obalové konstrukce budovy a náleží mezi nejexponovanČjší stavební prvky. Z energetického hlediska jsou Ĝazeny mezi nejslabší þásti obvodových plášĢĤ budov. Jejich správný návrh patĜí k urþujícím pĜedpokladĤm tepelnČ technické kvality budovy. Jsou na nČ kladeny vysoké požadavky a oþekávány funkce, které jsou þasto protichĤdné. TepelnČ technickou kvalitu obalových konstrukcí budov ve velké míĜe ovlivĖují lineární a bodové tepelné mosty. Tyto tepelné mosty vznikají pĜi napojování konstrukcí, prostupy obalovými konstrukcemi aj. Eliminace tČchto tepelných mostĤ je možná pouze za pĜedpokladu správného vyĜešení a optimalizace problematických detailĤ a jejich správné provedení. Bezchybný návrh a jednoduchost Ĝešení jsou kritéria, kterým je nutno vČnovat pozornost. PĜedevším u pasivních a nízkoenergetických budov platí heslo „detail dČlá stavbu“. Problematických detailĤ, zapĜíþiĖujících vznik tepelných mostĤ a následné poruchy, v obalových konstrukcích budov je velmi mnoho. ýást práce je vČnovaná Ĝešení stykĤ okenních výplní se stavební konstrukcí, které patĜí k nejproblematiþtČjším místĤm obvodové konstrukce. Tento stavební detail musí kromČ splnČní tepelnČ technických požadavkĤ, pĜenést bezpeþnČ rĤzná zatížení z okenní výplnČ do obvodové stČny, eliminovat objemové zmČny tČchto konstrukcí, vyrovnat výrobní tolerance hrubé stavby a zabezpeþit fyzikální celistvost obvodové stČny. Slabým místem okenní výplnČ, z hlediska tepelnČ technických vlastností, je i rám okna. Rámy dosahují mnohem nižších souþinitelĤ prostupu tepla než zasklení. Tento rozdíl souþinitelĤ prostupu tepla je nejvíce patrný u oken osazovaných do nízkoenergetických objektĤ. Komory v rámech oken jsou sice vyplĖovány izolaþními materiály, ale jejich souþinitel prostupu tepla, i pĜes jejich zateplení, výraznČ zhoršuje celkový souþinitel prostupu tepla okenní výplnČ. Proto je þást práce zamČĜena na vylepšení tepelnČ technických vlastností rámĤ oken.

5


2. PěEHLED SOUýASNÉHO STAVU PROBLEMATIKY A ZÁKLADNÍ FYZIKÁLNÍ VELIýINY 2.1. DOSAVADNÍ ZPģSOB ěEŠENÍ OSAZENÍ OKENNÍCH VÝPLNÍ ZpĤsob, jakým je okno osazeno (upevnČno) pĜes obvodový rám k ostČní, má vliv na správnou funkci, manipulaci, tepelnou i zvukovou izolaci a zajišĢuje i jeho bezpeþnost osazení. ZpĤsob osazení okenních výplní záleží pĜedevším na druhu samotné konstrukce, na skladbČ použitých materiálĤ, druhu ostČní a v neposlední ĜadČ také na velikosti okna. Na zpĤsob osazení okna je kladeno mnoho požadavkĤ, napĜ. umožnČní dilatace (ve smČru výšky i šíĜky), zamezení zatékání srážkové vody do vnitĜní þásti konstrukce, zamezení infiltrace po obvodu rámu, univerzálnost, dostateþná životnost použitého systému apod. [8] 2.1.1. Pokyny pro navrhování dle ýSN 73 0540-2 K rozhodujícím prvkĤm tepelnČ technické kvality budovy patĜí koncepþnČ správné Ĝešení oken, dveĜí a prosklených ploch a jejich tepelní vazby na obvodové konstrukce. Okenní výplnČ by se mČly osazovat do obvodových stČn v rovinČ navazující na tepelnČ izolaþní vrstvu. Je vhodné þásteþné pĜekrytí okenního rámu tepelnČ izolaþní vrstvou. Osazovací spára mezi ostČním otvoru a rámem okna musí být úþinnČ a trvale tepelnČ izolována a tČsnČna. ZvláštČ peþlivČ je tĜeba Ĝešit detail pĜekrytí osazovací spáry protidešĢovou zábranou na vnČjší stranČ (vodonepropustnou, paropropustnou) a parozábrany pĜi vnitĜní stranČ. Tepelný tok, který vzniká v pĜipojovací spáĜe mezi okenní výplní a obvodovou konstrukcí, je vyjádĜen lineárním þinitele pĜipojovací spáry. [2] 2.1.2. Osazení okenních výplní na jednovrstvé zdivo Osazení okenních výplní na jednovrstvé zdivo je jedním z nejþastČjších zpĤsobĤ používaných v minulosti, ale je aplikován i v dnešní dobČ. Okno je osazeno pĜibližnČ ve dvou tĜetinách šíĜky obvodové konstrukce. U tohoto zpĤsobu osazení vzniká zvýšený tepelný tok, a tím zvýšení lineárního þinitele pĜipojovací spáry, který má vliv také na celkový souþinitel prostupu tepla okenní výplnČ. 2.1.3. Osazení okenních výplní na zateplené zdivo Okno je osazeno stejnČ jako v pĜedchozím pĜípadČ, ale s tím rozdílem, že je provedena tepelná izolace ostČní a nadpraží v tl. 30 mm až 40 mm k rámu okna. Tato varianta je v dnešní dobČ nejþastČjší u zateplených budov. U tohoto zpĤsobu pĜiteplení rámu dochází již ke snížení tepelných ztrát pĜipojovací spárou.

6


2.1.4. Osazení okenních výplní v nízkoenergetických domech U tČchto objektĤ je kladen velký dĤraz na eliminaci teplených mostĤ a tím dosažení co nejmenší tepelné ztráty objektĤ. Okenní výplnČ se u tČchto staveb nejþastČji osazují pĜed líc obvodové konstrukce. PĜedsazení okna je pomocí kotevních prvkĤ. UmístČní okenní výplnČ je do tepelné izolace. Dále je možné provedení pĜetažení teplené izolace 30 mm až 40 mm pĜes rám. V tČchto pĜípadech dochází ke znaþnému snížení lineárního þinitele pĜipojovací spáry. 2.1.5. Osazení okenních výplní na líc zdiva s pĜetažením tepelnou izolací Tento zpĤsob spoþívá v osazení okenní výplnČ na líc zdiva, kdy je tepelná izolace pĜetažena pĜes rám 30 mm až 40 mm. Osazení okna na líc zdiva, s pĜetažením tepelnou izolací pĜes rám, není pĜíliš aplikováno. Lineární þinitel pĜipojovací spáry tohoto zpĤsobu osazení je podrobnČ Ĝešen v dalších þástech práce. 2.1.6. Další možnosti osazení okenních výplní Další z možností osazení okenních výplní je jeho zabudování do rámĤ z recyklovaného plastu, který je pĜedem vložen do stavebního otvoru pro okno þi dveĜe. V dnešní dobČ se používají rĤzné zdící materiály, které mají v místČ osazení okna zabudované tepelnČ izolaþní materiály, pro snížení tepelného mostu a lineárního þinitele pĜipojovací spáry. ZpĤsoby a poloha osazení oken v dĜevostavbách jsou stejné jako u všech pĜedchozích variant. Rozdíl je jen v kotvení a nosné konstrukci pro okenní výplnČ.

2.2. FYZIKÁLNÍ VELIýINY TÝKAJÍCÍ SE ěEŠENÉHO TÉMATU V následující þásti jsou popsány nejdĤležitČjší veliþiny týkající se tepelnČ technických vlastností okenní výplnČ. NejdĤležitČjší hodnotou z hlediska porovnání tepelnČ technických vlastností okna je souþinitel prostupu tepla okenní výplnČ. NeménČ dĤležitými veliþinami jsou lineární a bodový þinitel prostupu tepla, povrchové teploty a teplotní faktor. 2.2.1. Souþinitel prostupu tepla okenní výplnČ Souþinitel prostupu tepla okenní výplnČ je jednou z nejdĤležitČjších charakteristik. Konstrukce oken musí splĖovat podmínku U UN, kde U je souþinitel prostupu tepla [W.m-2.K-1] a UN je požadovaná hodnota souþinitele prostupu tepla [W.m-2.K-1]. Požadované a doporuþené hodnoty souþinitele prostupu tepla UN,20 jsou uvedeny v tabulce 3 ýSN 73 0540-2.

7


V normách jsou uvedeny vztahy pro výpoþty souþinitelĤ prostupu tepla pro jednoduchá okna, dvojitá okna, okna s jednoduchým zasklením, okna s vícenásobným zasklením, okna s uzavĜenými okenicemi a pro rĤzné typy dveĜí. Dále jsou uvedeny vztahy týkající se pouze jednoduchého okna s vícenásobným zasklením a s plastovými rámy. 2.2.2. Lineární a bodový þinitel prostupu tepla Lineární þinitel prostupu tepla Ȍ [W.m-1.K-1] je veliþina, která charakterizuje tepelnČ technické vlastnosti dvourozmČrných tepelných mostĤ a vazeb (pro trojrozmČrné tepelné mosty se používá bodový þinitel prostupu tepla Ȥ [W.K-1]). VyjadĜuje množství tepla [W], které prochází pĜi jednotkovém teplotním rozdílu jednotkovou délkou tepelného mostu. Lineární i bodový þinitel prostupu tepla Ψk [W.m-1.K-1] a χj [W.K-1] tepelných vazeb mezi konstrukcemi musí u budov s pĜevažující návrhovou vnitĜní teplotou θim = 20 °C splĖovat podmínku Ψk Ψk,N a χj χj,N. 2.2.3. Povrchová teplota a teplotní faktor ProstĜednictvím povrchové teploty se stanovuje, zda stavební konstrukce v navrženém provedení (složení) vyhoví požadavku, aby na jejím povrchu nemohlo dojít ke kondenzaci vzdušné vlhkosti a posléze k pĜípadným dalším negativním jevĤm (napĜ. hniloba, plíseĖ aj.). Aby bylo možno toto posoudit, provádí se výpoþet þi mČĜení povrchové teploty v interiéru. [10] Stanovením teploty na povrchu konstrukce șsi a odpovídajícího teplotního faktoru vnitĜního povrchu fRsi je možné ovČĜit a posoudit v ustáleném teplotním stavu riziko rĤstu plísní, popĜ. problémy s povrchovou kondenzací. Tyto parametry se posuzují pĜedevším v kritických detailech stavebních konstrukcí, kterými jsou napĜíklad tepelné mosty v konstrukcích a tepelné vazby mezi konstrukcemi. U stykĤ stavebních konstrukcí s okenní výplní se splnČní požadavkĤ podle ýSN 73 0540-2 ovČĜuje na Ĝezu lineární tepelnou vazbou napĜ. rámem se zasklením v místČ ostČní, vþetnČ všech zabudovaných konstrukcí. Nebere se zĜetel na venkovní a vnitĜní žaluzie apod. V tČchto místech se vždy posuzují nejnižší zjištČné vnitĜní povrchové hodnoty șsi,min a jí odpovídající nejnižší zjištČné teplotní faktory povrchu fRsi,min. Pro konstrukce, ve kterých mĤžeme uvažovat jednorozmČrné šíĜení tepla (1D), je možné stanovit povrchové teploty dle jednouchých vztahĤ napĜ. v ýSN 73 0540-4. U složitČjších þástí konstrukcí, kde nelze uvažovat jednorozmČrné šíĜení tepla, se vnitĜní povrchové teploty stanoví Ĝešením plošného teplotního pole (2D) pro nemČnný charakteristický Ĝez lineárním tepelným mostem nebo lineární vazbou. NejsložitČjší pĜípady, kdy nelze uvažovat jednorozmČrné ani

8


dvojrozmČrné šíĜení tepla se provede výpoþet pomocí detailu (3D) trojrozmČrného šíĜení tepla. Povrchovou teplotu lze také vyjádĜit tzv. teplotním faktorem vnitĜního povrchu, což je pomČrné vyjádĜení povrchové teploty v závislosti na teplotČ interiéru a exteriéru. Vypoþtená teplota þi teplotní faktor se následnČ porovnává s kritickou teplotou þi kritickým teplotním faktorem, pro nČž platí, že pĜi dosažení právČ této hodnoty je konstrukce ohrožena zmínČnou kondenzací vzdušné vlhkosti. Kritický teplotní faktor se poþítá z rovnice s pĜirozenČ logaritmickou závislostí vztahu na návrhové a kritické vnitĜní vlhkosti bezprostĜednČ u vnitĜního povrchu konstrukce. VnitĜní povrchová teplota se ovČĜuje dvourozmČrným výpoþtovým modelem za ustáleného teplotního stavu na Ĝezu lineární tepelnou vazbou v kritických detailech (tj. Ĝez pĜipojovací spárou, zasklívací spárou apod.). [10]

3. CÍLE DISERTAýNÍ PRÁCE Vylepšení tepelnČ technických vlastností rámu okenních výplní snížením souþinitele prostupu tepla. Nalezení optimálního Ĝešení osazení okenních výplní nejen u staveb s nízkou energetickou nároþností.

4. MODELY TEPLOTNÍCH POLÍ K dosažení výše stanovených cílĤ je potĜeba provést simulace teplotních polí modelĤ okenní výplnČ. V této kapitole jsou uvedeny možnosti pro vylepšení tepelnČ technických vlastností rámu okenních výplní a osazení v obvodové stČnČ.

4.1. VYLEPŠENÍ TEPELNċ TECHNICKÝCH VLASTNOSTÍ RÁMU A KěÍDLA OKNA Možnost, jak dosáhnout lepších hodnot souþinitele prostupu tepla rámu je vložení vakuové izolace do rámu okna místo stávajících materiálĤ umístČných v dutinách rámu. Vložením vakuové izolace do rámu oken dojde ke snížení souþinitele prostupu tepla rámu Uf a následnČ snížení souþinitele prostupu tepla celého okna Uw. Stávající rámy okenních výplní urþených pĜedevším pro nízkoenergetické a pasivní domy mají dutiny vyplnČné tepelnou izolací (EPS, PU) s hodnotami Ȝ = 0,03 – 0,04 W.m-1.K-1 a dosahují hodnot souþinitele prostupu tepla nejlépe Uf = 0,7 W.m-2.K-1. Nahrazením tČchto materiálĤ vakuovou izolací, která má hodnotu Ȝ = 0,005 – 0,008 W.m-1.K-1, dojde ke snížení souþinitele prostupu tepla. Výpoþty byly provedeny pro okno TOPLINE PLUS, jedná se o okenní výplnČ urþené pĜedevším pro pasivní a nízkoenergetické domy. Tato okenní výplĖ má v 9


rámu vloženu tepelnou izolaci z tuhého PU. Souþinitel prostupu tepla rámu okna VEKA TOPLINE PLUS je Uf = 0,7 W.m-2.K-1. Tato hodnota byla pĜevzata z technického listu výrobku. Výpoþet byl proveden s vložením vakuové izolace do komor tohoto okna. Výpoþet se provádí podle ýSN EN ISO 10077-2 pĜíloha C, která urþuje postup pĜi stanovení souþinitele prostupu tepla profilu rámu. Výpoþet pomocí dvojrozmČrného teplotního pole se provádí podle postupu stanoveného v této normČ, tak aby vytvoĜený výpoþtový model odpovídal co nejvíce skuteþnému provedení pĜi mČĜení rámu ve zkušebnČ a bylo možné porovnání vypoþítaného souþinitele prostupu tepla rámu s deklarovanou (namČĜenou) hodnotou. Vypoþítaný souþinitel prostupu tepla rámu pro okno s tepelnou izolací z polyuretanu je Uf = 0,683 W.m-2.K-1. NamČĜená hodnota ve zkušebnČ (deklarovaná hodnota výrobcem pro tento typ okna) je Uf = 0,70 W.m-2.K-1. Hodnota souþinitelĤ prostupu tepla (vypoþítaná a namČĜená ve zkušebnČ) je srovnatelná. Je tedy možné provést výpoþet s nahrazením tepelné izolace z polyuretanu vakuovou izolací. Rozdíl mezi tČmito hodnotami je zĜejmČ zpĤsobený ideálním vyplnČním komor tepelnou izolací v poþítaþovém modelu. Celý poþítaþový model pro výpoþet souþinitele prostupu tepla rámu okna s vakuovou izolací zĤstane beze zmČn, dojde jen ke zmČnČ tepelné vodivosti izolace v komorách rámu a kĜídla. Vypoþítaný souþinitel prostupu tepla rámu pro okno s tepelnou izolací z vakuové izolace je Uf = 0,408 W.m-2.K-1. Tab. 1 Porovnání souþinitele prostupu tepla rámu Varianty

Souþinitel prostupu tepla rámu Uf [W.m-2.K-1]

Rám s tepelnou izolací z tuhého PU

0,68

Rám s tepelnou izolací z VI

0,41

NamČĜená, deklarovaná hodnota výrobcem

0,70

Užitný vzor V roce 2009 byl podán užitný vzor na výše uvedený zpĤsob využití vakuové izolace, pro zateplení komor rámĤ a kĜídel. Užitný vzor byl pĜijat ÚěADEM PRģMYSLOVÉHO VLASTNICTVÍ a zapsán pod „Znaþkou zápisu PUV 200921591“. PĤvodci užitného vzoru jsou Doc. Ing. Miloš Kalousek, Ph.D. a Ing. Lukáš Hejný.

10


4.2. VHODNÝ ZPģSOB OSAZENÍ OKENNÍCH VÝPLNÍ PĜedevším problémy s dosavadními zpĤsoby osazování okenních výplní u nízkoenergetických a pasivních domĤ vedly ke snaze o nalezení optimálního Ĝešení. Problémy spojené s dosavadním zpĤsobem jsou podrobnČ popsány v disertaþní práci. Je proveden návrh osazení okenní výplnČ na vnČjší líc zdiva s pĜetažením tepelné izolace pĜes rám. Dále je vypoþítán lineární þinitel pĜipojovací spáry, souþinitel prostupu tepla okna se zapoþítáním lineárního þinitele prostupu tepla, náklady na ukotvení a náklady na pokrytí tepelných ztrát okenní výplnČ. Tato varianta je porovnána s variantou osazení okna do tepelné izolace. Porovnání je provedeno pro plastové okno TOPLINE PLUS od firmy VEKA a.s. První varianta (Obr. 1): okno uloženo v tepelné izolaci, která pĜesahuje pĜes rám 30 mm, ukotvení pomocí ocelových kotev do zdiva v ostČní, do železobetonového vČnce v nadpraží a položené na dĜevČném hranolku 86/120 mm u parapetu. Druhá varianta (Obr. 2): okno uloženo na zdivu se zateplením rámu, tepelná izolace vytažena pĜes rám 30 mm u ostČní a nadpraží a kotveno šrouby. V obou variantách jsou použity stejné vlastnosti materiálĤ a stejné okrajové podmínky. TEPELNÁ IZOLACE, EPS TL. 300 MM, BACHLa.s. , -1 2 -1 R = 7,89 m.K.W 2 STċRKA TL. 10 MM, R = 0,01 m.K.W

TEPELNÁ IZOLACE, EPS TL. 300 MM, BACHLa.s. , -1 2 -1 R = 7,89 m.K.W 2 STċRKA TL. 10 MM, R = 0,01 m.K.W VNċJŠÍ STċRKOVÁ OMÍTKA -1 2 TL. 6 MM, R = 0,01 m.K.W

VNċJŠÍ STċRKOVÁ OMÍTKA -1 2 TL. 6 MM, R = 0,01 m.K.W PUR PċNA

PLASTOVÉ OKNO TOPLINE PLUS (VEKA a.s.), -2 -2 -1 Ug = 0,6 W.m.K, Uf = 0,7 W.m.K

PUR PċNA

PLASTOVÉ OKNO TOPLINE PLUS (VEKA a.s.), -2 -2 -1 Ug = 0,6 W.m.K, Uf = 0,7 W.m.K

OCELOVÝ KOTEVNÍ PRVEK ŠROUB DL. 100 MM O 2 MM PAROTċSNÁ PÁSKA ILLBRUCK PAROTċSNÁ PÁSKA ILLBRUCK 2

-1

2

-1

ZDIVO KERATHERM 30 P+D, R = 1,20 m.K.W

2

-1

2

-1

ZDIVO KERATHERM 30 P+D, R = 1,20 m.K.W

VNITěNÍ OMÍTKA TL. 30 MM, R = 0,02 m.K.W

Obr. 1 Osazení okna v tepelné izolaci – ostČní

VNITěNÍ OMÍTKA TL. 30 MM, R = 0,02 m.K.W

Obr. 2 Osazení okna na zdivu - ostČní

Posuzované detaily byly modelovány v programu ANSYS 11.0, ANSYS Workbench a výpoþet proveden metodou MKP. Návrhové hodnoty materiálĤ a výpoþty lineárního þinitele prostupu tepla a dalších fyzikálních veliþin byly stanoveny dle ýSN 73 0540-2,3,4, ýSN EN ISO 10077-1,2, ýSN EN ISO 14683, ýSN EN ISO 10211 a ýSN EN 12831. Hodnoty mČrných tepelných tokĤ z programu ANSYS Workbench byly využity k výpoþtu tepelné propustnosti a 11


lineárního þinitele prostupu tepla a souþinitel prostupu tepla celé konstrukce. Ze získaných dat byla vypoþítána tepelná ztráta prostupem jedním oknem a stanovena celková cena potĜebná na pokrytí nákladĤ na vytápČní. Tato cena byla porovnána s cenami na ukotvení jednotlivých variant osazení okenních výplní. V následující tabulce jsou uvedeny vypoþítané hodnoty lineárního þinitele prostupu tepla posuzovaných detailĤ. S oznaþením „a“ jsou hodnoty pro detaily mimo kotvy a s oznaþením „b“ jsou v místČ kotvy. Dále jsou uvedeny hodnoty șsim - prĤmČrná vnitĜní teplota a Ȍf - lineární þinitel prostupu tepla pĜipojovací spáry. Tab. 2 Lineární þinitel prostupu tepla posuzovaných detailĤ Ozn. detailu T1-a T2-a T3-a S1-a S2-a S3-a

Ȍf Ozn. șsim Popis (W.mPopis detailu (°C) 1 .K-1) Uložení okenní výplnČ na tepelné izolaci T1 - T3 Parapet 19,509 0,033 T1-b Parapet 19,461 OstČní 19,767 -0,017 T2-b OstČní 19,731 Nadpraží 19,799 -0,028 T3-b Nadpraží 19,796 Uložení okenní výplnČ na zdivu S1 - S3 Parapet 19,407 0,070 S1-b Parapet 19,433 OstČní 19,715 0,000 S2-b OstČní 19,706 Nadpraží 19,699 0,005 S3-b Nadpraží 19,691 șsim (°C)

Ȍf (W.m1 .K-1) 0,051 -0,005 -0,027 0,061 0,003 0,008

Na obrázku 3 a 4 je znázornČno teplotní pole detailu þásti okna uloženého v tepelné izolaci a na zdivu, v místČ ostČní.

19,715 °C 19,767 °C

Obr. 3 Osazení okna v tepelné izolaci – Obr. 4 Osazení okna na zdivu – ostČní, ostČní, mimo kotvu (T2-a) mimo kotvu (S2-a) Z hodnot získaných ze simulací byl proveden výpoþet souþinitele prostupu tepla okna pro jednotlivé varianty. Teprve na základČ této hodnoty souþinitele prostupu tepla, která je nejdĤležitČjší srovnávací hodnotou pro tepelnČ technické vlastnosti okenních výplní, lze provést závČry vlivu uložení okna v jednotlivých variantách. 12


Celková hodnota souþinitele prostupu tepla okna Uw se zapoþítanými hodnotami Ȍf (výpoþet dle ýSN EN ISO 10077-1,2): okno uložené v tepelné izolaci Uw = 0,6901 W.m-2.K-1, okno uložené na zdivu Uw = 0,7481 W.m-2.K-1. Hodnota souþinitele prostupu tepla okna Uw bez zapoþítaných hodnot Ȍf je pro okna uložené v tepelné izolaci a na zdivu Uw = 0,6979 W.m-2.K-1. Souþinitel prostupu tepla okna Uw bez zapoþítaných hodnot Ȍf je o 1,12% vČtší než Uw okna uloženého v tepelné izolaci. Hodnota Uw okna uloženého na zdivu je o 7,75% vČtší než Uw okna uloženého v tepelné izolaci. Tab. 3 Porovnání celkového souþinitele prostupu tepla okna Uw Varianta Uw (W.m-2.K-1) Okno uložené v tepelné izolaci se zapoþítanými hodnotami Ȍf 0,690 Okno uložené na zdivu se zapoþítanými hodnotami Ȍf 0,748 0,698 Okno uložené na zdivu i v tepelné izolaci bez zapoþítaných hodnot Ȍf Na základČ provedených výpoþtĤ dvojrozmČrného teplotního pole vyplynulo, že pĜi dostateþném zateplení obvodové konstrukce a pĜetažení tepelné izolace min. 30 mm pĜes rám jsou hodnoty lineárního þinitele prostupu tepla v obou variantách srovnatelné. Celkové hodnoty Uw jsou pĜi osazení okna v tepelné izolaci o nČco pĜíznivČjší, ale nesmíme opomenout vyšší náklady a nároþnČjší provedení pĜi tomto uložení. Ekonomické posouzení je provedeno v následujícím odstavci. Dále je provedeno srovnání tepelných ztrát prostupem a potĜeby tepla na jejich pokrytí jedním oknem. Porovnání bylo provedeno pro okno uložené v teplené izolaci a pro okno uložené na zdivu, s pĜetažením rámu tepelnou izolací. Tab. 4 Hodnoty souþinitelĤ prostupu tepla, tepelných ztrát prostupem a roþní potĜeba energie pro krytí tepelných ztrát prostupem Veliþina

Okno osazené v tepelné izolaci

Okno uložené na zdivu

Uw (Wm-2K-1)

0,690

0,748

Evp (kWh/a)

128

138

0,050

0,054

ĭp (kW)

PĜepoþet potĜeby tepla na pokrytí tepelných ztrát pĜi pĜestupu tepla jednou okenní výplní je proveden pro ceny pĜi vytápČní objektu zemním plynem a elektĜinou. Ceny byly stanoveny pro prĤmČrnou domácnost s roþním odbČrem zemního plynu v pásmu do 30 MWh/rok. Pro domácnost s roþním odbČrem elektrické energie byla cena stanovena pro jednotarifovou sazbu (pro malou spotĜebu). Ceny jsou stanoveny dle aktuálního ceníku pro rok 2014 dvou

13


významných dodavatelĤ energií, spoleþností RWE (zemní plyn) a E.ON (elektrická energie). Ceny kotevních prvkĤ jsou pĜevzaty z ceníku firmy SFS intec s.r.o. Veškeré výpoþty, jak tepelné ztráty, tak poþty a typy kotev apod. byly provedeny pro okno o rozmČrech 1500/1500 mm. Tab. 5 Náklady na pokrytí tepelných ztrát Zemní plyn

ElektĜina

Náklady na ukotvení okna

Okno v tepelné izolaci

178,33 Kþ

625,13 Kþ

1.433,13 Kþ

Okno na zdivu

192,26 Kþ

667,64 Kþ

80,04 Kþ

Rozdíl

13,93 Kþ

42,51 Kþ

1.353,09 Kþ

Popis

Náklady na pokrytí tepelných ztrát prostupem tepla jedním oknem za rok pĜi osazení na zdivu jsou a) pĜi vytápČní objektu zemním plynem o 13,93 Kþ vČtší než pĜi uložení na tepelné izolaci, b) pĜi vytápČní objektu elektĜinou o 42,51 Kþ vČtší než pĜi uložení na tepelné izolaci. Náklady na ukotvení jednoho okna na tepelné izolaci jsou o 1.353,09 Kþ vČtší než pĜi uložení okna na zdivu. Vylepšení tepelnČ technických vlastností pĜipojovací spáry vakuovou izolací Dodateþné zateplení pĜipojovací spáry okenní výplnČ vakuovou izolací slouží k vylepšení tepelnČ technických vlastností. Okno je osazeno na líc obvodové konstrukce a tepelná izolace je pĜetažena min. 30 mm pĜes rám. Do dutiny, která vzniká pĜi kontaktním zateplování, tedy mezi obvodovou konstrukcí a tepelnou izolací, je umístČna vakuová izolace. Tato izolace je osazena v místČ pĜesahu rámu mezi okenní výplní a tepelnou izolací (tj. 30 mm) a dále mezi obvodovou stČnou a tepelnou izolací (120 mm). RozmČry vakuové izolace jsou: výška 150 mm, tloušĢka 10 mm, délka min. 70 mm. PĜi dodateþném zateplení deskami s vakuovou izolací dojde ke zlepšení tepelnČ technických vlastností okenních výplní, což má za následek zvýšení povrchové teploty na vnitĜní stranČ konstrukce, snížení lineárního þinitele prostupu tepla a zvýšení souþinitele prostupu tepla rámu.

14

TepelnČ technické vlastnosti rámu okenní výplnČ a pĜipojovací spáry TEPELNÁ IZOLACE, EPS TL. 300 MM, -1 2 -1 R = 7,89 m.K.W 2 STċRKA TL. 10 MM, R = 0,01 m.K.W 2

-1

VNċJŠÍ STċRKOVÁ OMÍTKA TL. 6 MM, R = 0,01 m.K.W

VAKUOVÁ IZOLACE 10x150 mm PUR PċNA PLASTOVÉM OKNO TOPLINE PLUS , -2 -1 -2 -1 Ug = 0,6 W.m.K, Uf = 0,7 W.m.K

PAROTċSNÁ PÁSKA ILLBRUCK 2

-1

2

-1

ZDIVO KERATHERM 30 P+D, R = 1,20 m.K.W VNITěNÍ OMÍTKA TL. 30 MM, R = 0,02 m.K.W

Obr. 5 Osazení okna na zdivu s vloženou vakuovou izolací Okno s tepelnou izolací, urþené pro nízkoenergetické a pasivní domy Porovnání bylo provedeno pro tĜi varianty osazení okenní výplnČ v obvodové konstrukci. V tČchto tĜech variantách byla porovnána okna urþená pĜedevším pro nízkoenergetické a pasivní domy. V první variantČ bylo zvoleno tradiþní osazení okenní výplnČ u pasivních a nízkoenergetických domĤ a to pĜed líc obvodové konstrukce na tepelnou izolaci. Ve druhé variantČ bylo okno uloženo na hranu vnČjšího líce obvodové konstrukce a rám okna byl zateplen pĜetažením tepelné izolace 30 mm pĜes rám. Ve tĜetí variantČ bylo okno osazeno stejnČ jako ve druhé variantČ, ale rám okna byl následnČ pĜiteplen vakuovou izolací. Ve všech variantách byly zvoleny stejné vlastnosti materiálĤ, typy oken a okrajové podmínky. Porovnání výsledkĤ je možné provést v tabulce 6. Tab. 6 Porovnání lineárního þinitele a souþinitele prostupu tepla a teploty v pĜipojovací spáĜe jednotlivých variant Popis osazení Ȍf Uw șsim -1 -1 -2 -1 (W.m .K ) (W.m .K ) (°C) Uložení v tepelné izolaci -0,017 0,652 19,767 Uložení na zdivu 0,000 0,698 19,715 Uložení na zdivu s vakuovou -0,018 0,647 19,769 izolací Výsledná hodnota souþinitele prostupu tepla okna Uw osazeného v tepelné izolaci pĜed lícem zdiva je Uw = 0,652 W.m-2.K-1, Uw okna osazeného na zdivu s pĜetažením tepelnou izolací, ale bez vložení vakuové izolace je Uw = 0,698 W.m-2.K-1 a hodnota Uw okna osazeného na zdivu s pĜetažením tepelnou izolací a s vloženou vakuovou izolací je Uw = 0,647 W.m-2.K-1. Hodnoty souþinitele prostupu 15


tepla Uw u okna osazeného ve variantČ þíslo tĜi jsou srovnatelné s hodnotami okna uloženého v tepelné izolaci (varianta 1) a výraznČ lepší než ve variantČ 2. Dále je provedeno cenové porovnání osazení oken v jednotlivých variantách. Výsledné ceny jsou uvedeny v tabulce. Uvedené ceny jsou pouze za materiál, bez ceny montážních prací. Cena vakuové izolace je stanovena firmou TACHTECH s.r.o. Tab. 7 Porovnání nákladĤ pro jednotlivé varianty Varianta osazení oken Okno v tepelné izolaci Okno na zdivu bez vakuové izolace Okno na zdivu s vloženou vakuovou izolací

Náklady na poĜízení kotevních prvkĤ 1.433,13 Kþ 80,04 Kþ 1.094,50 Kþ

Okno bez tepelné izolace, urþené pro bČžné objekty Dále je proveden výpoþet souþinitele prostupu tepla celého okna Uw a porovnání pro bČžný typ okna s rozmČry 1500 x 1500 mm a vlastnostmi Ug = 1,2 W.m-2.K-1, Uf = 1,5 W.m-2.K-1, Ȍg = 0,03 W.m-1.K-1. Jedná se o osazení okenní výplnČ na cihlové zdivo se zateplením EPS tl. 140 mm. V první variantČ bylo poþítáno s nulovou hodnotou lineárního þinitele prostupu tepla (bez vlivu pĜetažené tepelné izolace þi vakuové izolace), ve druhé variantČ byl zohlednČn lineární þinitel pĜipojovací spáry okna s pĜetaženou tepelnou izolací 30 mm pĜes rám okna a ve tĜetí variantČ je okno pĜitepleno dodateþnou vakuovou izolací. Okno bylo zvoleno EuroFutur Classic od firmy Kömmerling. PĜi výpoþtu byly voleny rĤzné délky vakuové izolace (varianty byly provedeny pro délky po 10 mm). NejekonomiþtČjší varianta byla pro délku vakuové izolace 70 mm od hrany zdiva. Délka izolace nad tuto délku již nemČla výraznČjší vliv na tepelnČ technické vlastnosti pĜipojovací spáry a nebylo by tedy efektivní její umístČní. Tab. 8 Porovnání lineárního þinitele a souþinitele prostupu tepla jednotlivých variant Popis osazení Ȍf (W.m-1.K-1) Uw (W.m-2.K-1) Bez zapoþítání Ȍf 0,000 1,361 Uložení na zdivu bez vakuové izolace -0,077 1,155 Uložení na zdivu s vakuovou izolací -0,089 1,123 Výsledná hodnota souþinitele prostupu tepla bČžného okna Uw bez zapoþítaného lineárního þinitele pĜipojovací spáry, Uw = 1,361 W.m-2.K-1, Uw okna osazeného na zdivu s pĜetažením tepelnou izolací, ale bez vložení vakuové izolace Uw = 1,155

16


W.m-2.K-1 a hodnota Uw okna osazeného na zdivu s pĜetažením tepelnou izolací a s vloženou vakuovou izolací Uw = 1,123 W.m-2.K-1. Na základČ provedených výpoþtĤ dvojrozmČrného teplotního pole vyplynulo, že pĜi zateplení obvodové konstrukce a pĜetažení tepelné izolace min. 30 mm pĜes rám a umístČním vakuové izolace dojde k výraznému vylepšení tepelnČ technických vlastností pĜipojovací spáry. Z výsledkĤ výpoþtĤ vyplývá, že pĜi dodateþném zateplení vakuovou izolací dojde ke snížení lineárního þinitele pĜipojovací spáry a souþinitele prostupu tepla okenní výplnČ. Kombinace pĜetažení tepelné izolace pĜes rám a dodateþné pĜiteplení okenní výplnČ je vhodná pĜedevším u nízkoenergetických a pasivních domĤ, kde se již nemusí osazovat okna pĜed zdivo do tepelné izolace. Užitný vzor V roce 2009 byl podán užitný vzor na výše uvedený zpĤsob využití vakuové izolace, na zaizolování pĜipojovací spáry vakuovou izolací. Užitný vzor byl pĜijat ÚěADEM PRģMYSLOVÉHO VLASTNICTVÍ a zapsán pod „Znaþkou zápisu PUV 2009-21593“. PĤvodci užitného vzoru jsou Doc. Ing. Miloš Kalousek, Ph.D. a Ing. Lukáš Hejný.

5. OVċěENÍ VYPOýÍTANÝCH HODNOT V této kapitole jsou popsány postupy a uvedeny výsledky z mČĜení, jak na stavbách, tak na modelu vytvoĜeném v laboratoĜi. Tyto namČĜené hodnoty byly porovnány s vypoþítanými hodnotami.

5.1. MċěENÍ TERMOVIZNÍ KAMEROU V této kapitole je provedeno porovnání povrchových teplot z termovizních snímkĤ s výpoþtovým modelem z programu ANSYS. Porovnání se týkalo povrchových teplot okenní výplnČ osazené v tepelné izolaci. PĜi mČĜení termovizní kamerou byla teplota vnitĜního vzduchu șai = 13 °C a teplota vnČjšího vzduchu șae = -2,5 °C. Tyto okrajové podmínky byly použity na model okna uvedeného na Obr. 6 a 7. Cílem bylo dosažení co nejrealistiþtČjších podmínek modelu, které byly pĜi poĜizování termovizních snímkĤ. Jedná se o trojrozmČrné teplotní pole s namodelovanými kotvícími prvky. Dále bylo uvažováno s hodnotami tepelného odporu pĜi pĜestupu tepla Rsi = 0,13 m2.K.W-1 a Rse = 0,04 m2.K.W-1. Hodnoty tepelných odporĤ byly stanoveny dle normových hodnot s pĜihlédnutím k aktuálním povČtrnostním podmínkám pĜi poĜizování termovizních snímkĤ v interiéru a exteriéru. Nebylo provedeno mČĜení ke stanovení jejich skuteþných hodnot. Z tohoto dĤvodu jsou výsledky této kapitoly pouze orientaþní a nelze je považovat za zcela prĤkazné. 17


Na následujících obrázcích je uveden model a znázornČno teplotní pole okna osazeného v obvodové stČnČ. Svislá Ĝezová rovina byla vedena v polovinČ okna. Z obrázku je patrné, do jaké vzdálenosti od okna jsou izotermy ve stČnČ ovlivnČny právČ osazením okenní výplnČ.

Obr. 6 TrojrozmČrný model osazení okna v tepelné izolaci

Obr. 7 TrojrozmČrný model osazení okna v tepelné izolaci

Na následujících obrázcích je porovnání termovizních snímkĤ s modelem a porovnání jednotlivých povrchových teplot v exteriéru. NamČĜená teplota v rohu okna u zasklení byla 3,6 °C, v rohu u pĜipojovací spáry 1,1 °C. Teploty z provedené simulace byly u zasklení 3,2 °C a u pĜipojovací spáry 0,5 °C. 3,6 °C 3,2 °C

1,1 °C 0,5 °C

Obr. 8 Termovizní snímek - exteriér

Obr. 9 Výstup z výpoþtĤ - exteriér

Na následujících obrázcích je porovnání termovizních snímkĤ s modelem a porovnání jednotlivých povrchových teplot v interiéru. NamČĜená teplota v rohu okna u zasklení byla 12,3 °C, v rohu u pĜipojovací spáry 12,5 °C. Teploty z provedené simulace byly u zasklení 9,7 °C a u pĜipojovací spáry 12,2 °C. 18


12,3 °C 9,7 °C

12,5 °C 12,2 °C

Obr. 10 Termovizní snímek - interiér

Obr. 11 Výstup z výpoþtĤ - interiér

Rozmezí povrchových teplot bylo v prĤmČru kolem 0,6 °C, jen v jednom bodČ byla hodnota kolem 2,6 °C. Tyto rozdíly jsou zpĤsobeny nepĜesností pĜístroje, možnou chybou výpoþtu v místČ elementu a pĜedevším uvažovanými okrajovými hodnotami tepelného odporu pĜi pĜestupu tepla, které se liší od reálných hodnot. Jelikož nebyly stanoveny hodnoty tepelných odporĤ pĜi pĜestupu tepla v reálném þase mČĜení termovizní kamerou, ale byly do výpoþtu vloženy normové hodnoty, musíme vzít výsledky z porovnání pouze jako orientaþní. I pĜes tyto okolnosti jsou získané hodnoty srovnatelné.

5.2. LABORATORNÍ MċěENÍ V této þásti je provedeno porovnání tepelných tokĤ a hodnot získaných z modelu z programu ANSYS s namČĜenými hodnotami v laboratoĜi na vytvoĜeném modelu v mČĜícím boxu. Dále byl proveden popis metody teplé skĜínČ. V této kapitole je také popis mČĜícího boxu, který byl využitý pro mČĜení hodnot rámu okna. 5.2.1. Metoda teplé skĜínČ Stanovení tepelnČ technických vlastností konstrukcí (prostupy tepla konstrukcí a pĜedevším prostup tepla rámu a kĜídla) je možné provádČt pĜímo mČĜením, pĜi normalizovaných podmínkách, metodou kalibrované nebo chránČné skĜínČ podle ýSN ISO 8990 a EN ISO 12567-1. Pro mČĜení prostupu tepla rámu se postupuje podle ýSN EN 12412-2 a ýSN ISO 8990 a EN ISO 12567-1. Metoda teplé skĜínČ mĤže být použita jak pro celé rámy, tak pro þásti rámu. V našem pĜípadČ byla zvolena druhá možnost a to þást rámu s kĜídlem okenní výplnČ. Tento zpĤsob mČĜení prostupu tepla je vhodný pĜedevším u rámu a kĜídla okna, kde výsledný prostup tepla je souhrnem kombinace vedení tepla, sálání a proudČní. Metoda teplé skĜínČ spoþívá ve stanovení celkového množství tepla, 19


které projde z jedné strany vzorku na druhou stranu pro daný rozdíl tepla, nezávisle na jednotlivých zpĤsobech šíĜení tepla. Výsledné hodnoty prostupu tepla jsou však vČtšinou závislé pĜímo na zvoleném vzorku, okrajových podmínkách, smČru toku tepla, teplotách, rychlosti proudČní vzduchu, relativní vlhkosti apod. 5.2.2. Popis mČĜícího boxu MČĜení bylo provádČno na mČĜícím boxu, kde bylo možné simulovat teplotu na vnČjší stranČ konstrukce. VnitĜní strana konstrukce byla umístČna v prostĜedí laboratoĜe, kde teplota vnitĜní strany byla simulována skuteþnou teplotou v laboratoĜi. Byla snaha o co nejvČtší pĜiblížení teplot v boxu a laboratoĜi, které by odpovídaly co nejvíce normovým návrhovým teplotám. MČĜící box v laboratoĜi má vnČjší rozmČry 2000 mm x 2000 mm x 2500 mm. Jeho nosnou kostru tvoĜí hranoly o rozmČrech 40/60/2000 mm, které jsou navzájem pospojovány vruty a ocelovými hĜeby. PlášĢ tohoto boxu je tvoĜen OSB deskami a tepelnou izolací z desek EPS na bázi grafitu.

Obr. 12 Izolace mČĜícího boxu s výparníkem

Obr. 13 Rám mČĜícího boxu s izolací

Prostor uvnitĜ mČĜícího boxu byl chlazen agregátem umístČným na horní stranČ boxu. Tento agregát byl opatĜen dvČma teplotními þidly, mČĜící teplotu uvnitĜ boxu, které automaticky spíná pĜi zvýšení teploty chlazení. Druhé þidlo bylo umístČno ve výparníku, které Ĝídí odtávání zmrzlého kondenzátu. Ovládací panel celého zaĜízení byl umístČn na konstrukci mČĜícího boxu. 5.2.3. Osazení rámu a kĜídla okna do mČĜícího boxu Po opatĜení þásti rámu a kĜídla okna v délce 800 mm a zajištČní tepelnČ izolaþních materiálĤ, EPS, tČsnících pásek, PUR pČny apod., byla sestavena

20


konstrukce, která byla následnČ vložena do mČĜícího boxu. Schéma provedené konstrukce je na obr. 14.

Obr. 14 Schéma uložení rámu do Obr.15 RozmístČní þidel v boxu mČĜícího boxu. 1 – EPS tl. 100 mm, 2 – EPS tl. 40 mm, 3 – rám a kĜídlo okna Zasklení bylo nahrazeno polystyrenovou deskou tl. 40 mm. Rám byl následnČ osazen mezi polystyrenové desky, které se usadily již do mČĜícího boxu. Lepení bylo provedeno PUR pČnou. Na závČr bylo provedeno utČsnČní spojĤ parotČsnou hliníkovou páskou. Po zabudování modelu do mČĜícího boxu bylo provedeno rozmístČní mČĜících teplotních þidel a jejich napojení na mČĜící ústĜednu. Byla snaha o rozmístČní þidel dle ýSN EN 12412-2. RozmístČní þidel však bylo limitované poþtem dostupných þidel, ale je dostaþující pro získání potĜebných hodnot k další práci. Celkem bylo osazeno a rozmístČno 9 þidel, která jsou dále oznaþena þísly 0 až 8. ýidla rozmístČna v laboratoĜi a v boxu byla rozmístČna vždy na protČjších stranách konstrukce.

21


Obr. 16 ZnázornČní rozmístČní þidel Na obrázku 16 je znázornČno rozmístČní þidel pro mČĜení hodnoty: 2 – povrchová teplota na EPS v laboratoĜi, 3 – hustota tepelného toku na EPS v laboratoĜi, 4 – hustota tepelného toku na rámu okna v laboratoĜi, 5 – teplota pĜed oknem a EPS v laboratoĜi, 6 – povrchová teplota na EPS v boxu, 7 – teplota pĜed oknem a EPS v boxu, 8 – hustota tepelného toku na EPS v boxu. 5.2.4. Výsledky z mČĜení a výpoþet vstupních údajĤ pro simulace MČĜené veliþiny byly zaznamenávány každých 15 minut. První mČĜení probíhalo 3 dny, bČhem kterých bylo namČĜeno 295 hodnot. Po prostudování získaných hodnot prvního mČĜení bylo zjištČno, že nejvČtším problémem jsou odpory na pĜestupu tepla ovlivnČné laminárním proudČním vzduchu po konstrukcích. I když se v našem pĜípadČ jedná o výraznČ „plochou“ svislou konstrukcí (rám okna se svislou tepelnou izolací), kde nedochází k výrazným zmČnám laminárního proudČní po povrchu, je toto proudČní vzduchu na povrchu mČĜené konstrukce a mČĜícího boxu nejvČtším problémem. Toto proudČní výraznČ ovlivĖuje stanovení odporĤ na pĜestupu tepla konstrukcí, což vede k ovlivnČní dalších poþítaných a mČĜených veliþin. Ze získaných výsledkĤ bylo zjištČno, že nejvČtší výkyvy prodČní vzduchu byly uvnitĜ boxu. Tyto výkyvy byly zpĤsobeny ventilátorem umístČným ve výparníku. Z tohoto dĤvodu byla uvnitĜ boxu, pĜed mČĜenou konstrukci, vložena igelitová plachta, která zabránila pĜímému ofukování mČĜené konstrukce ventilátorem výparníku. Zamezením prodČní vzduchu od ventilátoru na mČĜené konstrukce došlo k výraznému potlaþení výkyvĤ v mČĜených veliþinách.

22


Po umístČní plachty bylo zahájeno druhé mČĜení hodnot, které probíhalo 12 dní a bylo namČĜeno 1032 hodnot pro každou sledovanou veliþinu. Následující tabulka uvádí statisticky zpracované výsledky z namČĜených hodnot. Tab. 9 Výsledné hodnoty z namČĜených dat Oznaþení 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Popis VnitĜní teplota v laboratoĜi (stálé þidlo) Teplota v boxu (stálé þidlo u kompresoru) Povrchová teplota na EPS v laboratoĜi Hustota tepelného toku na EPS v laboratoĜi Hustota tepelného toku na rámu v laboratoĜi Teplota pĜed modelem v laboratoĜi Povrchová teplota na EPS v boxu Teplota pĜed modelem v boxu Hustota tepelného toku na EPS v boxu

Jednotka °C °C °C W.m-2 W.m-2 °C °C °C W.m-2

NamČĜená hodnota 19,476 -15,213 15,769 -11,960 -14,954 18,761 -10,234 -12,948 11,032

Z hodnot uvedených v tabulce 10 jsou vypoþítány odpory pĜi pĜestupu tepla na vnitĜní a vnČjší stranČ, které jsou dále použity v poþítaþových aplikacích. V následující tabulce jsou uvedené hodnoty odporĤ pĜi pĜestupu tepla na vnitĜní a vnČjší stranČ dle výše uvedených zpĤsobĤ výpoþtu. Tab. 10 Odpory pĜi pĜestupu tepla na vnitĜní a vnČjší stranČ jednotlivých variant Výpoþet pomocí tepelných Výpoþet pomocí podobnosti Veliþina tokĤ trojúhelníkĤ 2 -1 Rsi 0,250 m .K.W 0,273 m2.K.W-1 Rse 0,246 m2.K.W-1 0,248 m2.K.W-1

5.2.5. Porovnání namČĜených hodnot s vypoþítanými hodnotami Hodnoty odporĤ pĜi pĜestupu tepla uvedené v pĜedcházející kapitole jsou použity ve vytvoĜeném modelu v programu ANSYS. Z výpoþtového programu jsou stanoveny hodnoty ve stejných místech jako v reálném modelu v laboratoĜi. V následující tabulce jsou uvedeny vypoþítané a namČĜené hodnoty. Výpoþet byl proveden pro dvČ varianty odporĤ pĜi pĜestupu tepla.

23


Tab. 11 Porovnání výsledkĤ Oznaþení

Popis

NamČĜená hodnota

Vypoþítané Vypoþítané hodnoty hodnoty ) 1* 2*)

VnitĜní teplota v laboratoĜi 19,476 (stálé þidlo) (°C) Teplota v boxu (stálé þidlo u 1 -15,213 kompresoru) (°C) Povrchová teplota na EPS 2 15,769 16,004 15,770 v laboratoĜi (°C) Hustota tepelného toku na 3 -11,960 -11,015 -10,915 EPS v laboratoĜi (W.m-2) Hustota tepelného toku na 4 -14,954 -15,551 -15,402 rámu v laboratoĜi (W.m-2) Teplota pĜed modelem 5 18,761 v laboratoĜi (°C) Povrchová teplota na EPS 6 -10,234 -10,236 -10,233 v boxu (°C) Teplota pĜed modelem 7 -12,948 v boxu (°C) Hustota tepelného toku na 11,032 11,027 10,927 8 EPS v boxu (W.m-2) 1*) Vypoþítané hodnoty pomocí hustoty tepelného toku 2*) Vypoþítané hodnoty pomocí podobnosti trojúhelníkĤ 0

V tabulce 11 je možné provést srovnání namČĜených a vypoþítaných hodnot ze simulaþního programu. NejvČtší rozdíl je u hodnoty hustoty tepelného toku na rámu okna. Tento rozdíl je pravdČpodobnČji zpĤsoben vypoþítanými hodnotami ekvivalentní tepelné vodivosti vzduchových dutin, které byly zadány do simulaþních výpoþtĤ. Hodnoty povrchových teplot ze simulace jsou porovnatelné s namČĜenými hodnotami. Z namČĜených hodnot a vypoþítaných výsledkĤ jsou patrné jisté odchylky, které lze pĜiþíst více faktorĤm. NejvČtší podíl na rozdílných výsledcích je zpĤsoben nezajištČním konstantních podmínek v boxu a laboratoĜi, kalibrací mČĜících pĜístrojĤ, zaokrouhlováním výsledkĤ, vypoþítanými hodnotami ekvivalentní tepelné vodivosti vzduchu v rámu a kĜídle okna apod. I když byla snaha pro mČĜení dle metodiky uvedené v ýSN EN 12412-2 a navazujících norem, bylo potĜeba provést urþitá odchylná Ĝešení. NapĜ. poþet mČĜících þidel apod. Pro pĜesnČjší a prĤkaznČjší výsledky by bylo vhodné rozmístČní více mČĜících þidel, která by vylouþila pĜípadné odchylky. Dále by bylo

24


vhodné provádČt mČĜení nejen na výĜezu okenní výplnČ (i když nám norma dovoluje tuto možnost), ale na celém oknČ s více þidly.

6. VÝSLEDKY A ZÁVċR DISERTAýNÍ PRÁCE 6.1. VYLEPŠENÍ TEPELNċ TECHNICKÝCH VLASTNOSTÍ RÁMU A KěÍDLA OKNA Zkoumáním a provedením výpoþtĤ a poþítaþových simulací bylo prokázáno, že nahrazením doposud bČžných tepelných izolací v dutinách rámĤ a kĜídel oken vakuovou izolací, dojde k výraznému zlepšení hodnost souþinitele prostupu tepla rámu okna. Tepelné izolace používané v dutinách rámĤ dosahují hodnot tepelné vodivosti Ȝ = 0,03 – 0,04 W.m-1.K-1 a dosahují hodnot souþinitele prostupu tepla okolo Uf = 0,7 W.m-2.K-1. Nahrazením tČchto materiálĤ vakuovou izolací, která má hodnotu Ȝ = 0,005 W.m-1.K-1, dojde ke snížení souþinitele prostupu tepla Uf = 0,4 W.m-2.K-1. Snížením hodnoty Uf dojde k výraznému snížení souþinitele prostupu tepla celého okna UW. V roce 2009 byl podán užitný vzor na výše uvedený zpĤsob využití vakuové izolace, pro zateplení komor rámĤ a kĜídel. PĤvodci užitného vzoru jsou Doc. Ing. Miloš Kalousek, Ph.D. a Ing. Lukáš Hejný.

6.2. VHODNÝ ZPģSOB OSAZENÍ OKENNÍCH VÝPLNÍ 6.2.1. Osazení okenní výplnČ v obvodové stČnČ Simulace teplotních polí byly provedeny pro dva zpĤsoby osazení okenní výplnČ. Jedním ze zpĤsobĤ bylo osazení okna na zdivo s pĜetažením rámu tepelnou izolací. Druhým zpĤsobem bylo osazení okna pĜed líc zdiva, do tepelné izolace. Na základČ provedených výpoþtĤ dvojrozmČrného teplotního pole vyplynulo, že pĜi dostateþném zateplení obvodové konstrukce a pĜetažení tepelné izolace min. 30 mm pĜes rám jsou hodnoty lineárního þinitele prostupu tepla v obou variantách srovnatelné. Celkové hodnoty Uw jsou pĜi osazení okna v tepelné izolaci o nČco pĜíznivČjší, ale nesmíme opomenout vyšší náklady a nároþnČjší provedení pĜi tomto uložení. Je tedy možné konstatovat, že uložení okna na líc zdiva je z ekonomického hlediska a z prosté doby návratnosti investic výhodnČjší než upĜednostĖované osazení okna u pasivních domĤ do teplené izolace. 6.2.2. Vylepšení tepelnČ technických vlastností pĜipojovací spáry Vylepšení tepelnČ technických vlastností pĜipojovací spáry okenní výplnČ bylo dosaženo dodateþným zateplením pĜipojovací spáry vakuovou izolací. Okno je osazeno na líc obvodové konstrukce a tepelná izolace je pĜetažena min. 30 mm 25


pĜes rám. Do dutiny, která vzniká pĜi kontaktním zateplování, tedy mezi obvodovou konstrukcí a tepelnou izolací je umístČna vakuová izolace. PĜi dodateþném zateplení okenní výplnČ deskami s vakuovou izolací dojde ke zlepšení tepelnČ technických vlastností, což má za následek zvýšení povrchové teploty na vnitĜní stranČ konstrukce, snížení lineárního þinitele prostupu tepla a snížení souþinitele prostupu tepla rámu. PĜi osazení bČžných oken, s vyšším souþinitelem prostupu tepla rámu okna a pĜi jejich zateplení vloženou vakuovou izolací a s pĜetažením tepelné izolace min. 30 mm pĜes rám, dosáhneme výrazného snížení hodnoty souþinitele prostupu tepla. V roce 2009 byl podán užitný vzor na výše uvedený zpĤsob využití vakuové izolace, na zaizolování pĜipojovací spáry vakuovou izolací. PĤvodci užitného vzoru jsou Doc. Ing. Miloš Kalousek, Ph.D. a Ing. Lukáš Hejný.

6.3. ZÁVċR Jedním ze stanovených cílĤ disertaþní práce bylo vylepšení tepelnČ technických vlastností rámu okenních výplní snížením souþinitele prostupu tepla rámu. Vložením vakuové izolace do dutin rámu okna bylo dosaženo snížení souþinitele prostupu tepla rámu okenní výplnČ. Druhým cílem bylo nalezení optimálního Ĝešení osazení okenních výplní nejen u staveb s nízkou energetickou nároþností. Byl nalezen optimální zpĤsob osazení okenních výplní z hlediska tepelnČ technického, ekonomického i technologického. Jedná se o zpĤsob osazení okna na líc zdiva s pĜetažením tepelné izolace pĜes rám okna. Je vhodné provést vložení vakuové izolace do dutiny mezi zateplovací systém a zdivo a tím vylepšení tepelnČ technických vlastností pĜipojovací spáry a následnČ celkového souþinitele prostupu tepla. PĜi zhodnocení výsledkĤ a závČrĤ z provedených simulací a výpoþtĤ, lze konstatovat, že cíle disertaþní práce byly naplnČny, a to v celém rozsahu, tak jak byly definovány.

7. DOPORUýENÍ PRO TECHNICKOU PRAXI V této þásti jsou struþnČ uvedeny doporuþení vyplývající z výsledkĤ disertaþní práce. 1) ZmČnou tepelných izolací v dutinách rámĤ a kĜídel okenních výplní je možné dosáhnout nižších hodnot souþinitele prostupu tepla rámu okna. 2) Osazení okenních výplní (pĜedevším u pasivních a nízkoenergetických domĤ) na líc zdiva, s pĜetažením tepelnou izolací pĜes rám a vložením vakuové izolace zajišĢuje: ménČ technických problémĤ pĜi osazování okenních výplní oproti osazení pĜed líc zdiva, 26


ménČ technických problémĤ pĜi osazování tČsnících pásek oproti osazení pĜed líc zdiva, nižší náklady kotvení oproti osazení pĜed líc zdiva, dokonalejší zateplení pĜipojovací spáry, snížení celkového souþinitele prostupu tepla okenní výplnČ a tím snížení nákladĤ na pokrytí tepelných ztrát.

8. MOŽNOSTI DALŠÍHO VÝZKUMU V disertaþní práci jsem se zamČĜil pouze na Ĝešení dílþí þásti problematiky týkající se okenních výplní. BČhem práce bylo zajímavé sledovat vývoj problematiky týkající se výplní otvorĤ. Jednalo se pĜedevším o zlepšení tepelnČ technických vlastností oken, v návaznosti na þím dál pĜísnČjší normové požadavky. Dále byla velmi zajímavá diskuze kolem zpĤsobĤ osazování oken apod. PĜi práci na disertaþní práci jsem se také setkal s Ĝadou dalších, neménČ zajímavých a podstatných problémĤ a detailĤ, týkajících se výplní otvorĤ. Jedním ze zajímavých témat je Ĝešení ukotvení venkovního parapetu k rámu okna. Na ĜadČ staveb jsem se setkal s problémovými detaily. Dalším zajímavým tématem je osazení rámu dveĜí, napojení rámu ke konstrukci. V oblasti výplní otvorĤ je Ĝada problémĤ, které je možné vyĜešit nebo alespoĖ optimalizovat stávající zpĤsoby Ĝešení. Konstrukce výplní otvorĤ se stále vyvíjejí a je tedy nemalý prostor pro další práci v této oblasti. ýást této práce se zabývá uplatnČním vakuové izolace v okenních výplních. Další práce proto mĤže být vČnována aplikaci této izolace do dutiny dveĜního kĜídla.

27


9. SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJģ [1] [2]

[3]

[4]

[5]

[6] [7]

[8] [9] [10] [11]

[12]

BARTÁK, K. Okna - opravy, výmČny, výbČr. Praha: Grada, 2003. 102 s. ISBN 80-247-0454-4 ýSN 73 0540-2:2011+Z1 Tepelná ochrana budov - þást 2: Požadavky. Praha: ÚĜad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011. 56 s. ýSN 73 0540-3:2005 Tepelná ochrana budov - þást 3: Návrhové hodnoty veliþin. Praha: ÚĜad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2005. 96 s. ýSN EN ISO 10077 - 1: 2007 Tepelné chování oken, dveĜí a okenic Výpoþet souþinitele prostupu tepla - ýást 1: VšeobecnČ. Praha: ÚĜad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2007. 44 s. ýSN EN ISO 12567-1:2011 (73 0579) Tepelné chovaní oken a dveĜí Stanovení souþinitel prostupu tepla metodou teplé skĜínČ - ýást 1: Celková konstrukce oken a dveĜí. Praha: ýeský normalizaþní institut. 2011. 42 s. HALAHYJA, M. a kolektiv. Stavebná tepelná technika, akustika a osvetlenie. Bratislava: ALFA, 1985. 748 s. HALLIDAY.D; RESNICK. R.; WALKER. J. Fyzika - þást 2, Mechanika Termodynamika. Brno: VUTIUM a PROMETHEUS Praha, 2006. 576 s. ISBN 80-214-1868-0 KOýÍ, I. Okna. Praha: Grada, 2000. 82 s. ISBN 80-247-9023-8 KOHOUTOVÁ, H.; MOLL, I. Úvod do pravdČpodobnosti a matematické statistiky. Brno: CERM, 2001. 192 s. ISBN 80-214-1811-7 PETRTYL, Z.; ŠUBRT. R. Moderní okna. Praha: Grada, 2012. 135 s. ISBN 978-80-247-4286-1 ěEHÁNEK, J. Ekvivalentní souþinitel tepelné vodivosti uzavĜených vzduchových vrstev ve stavebních konstrukcích. Praha: Výzkumný ústav pozemních staveb, vedoucí pracovištČ vČdeckotechnického rozvoje s meziodvČtvovou pĤsobností, 1984. 60 s. ŠIMONÍK, J. Fyzika - termika. 3. vydání. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1977. 82 s.

Pozn.: další zdroje jsou uvedeny v disertaþní práci.

28


10.

CURRICULUM VITAE

Osobní údaje Jméno a pĜíjmení Adresa Mobilní telefon E-mail Státní pĜíslušnost Datum narození Pohlaví Stav

Lukáš Hejný Potoky 3888, Zlín 760 01, ýeská republika +420 777 808 612 [email protected], [email protected] ýeská republika 13. 5. 1983 muž ženatý

VzdČlání 2007 – dosud

Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta stavební. Doktorský studijní program. Obor: Pozemní stavby.

2002 – 2007

Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta stavební. Studijní program: Stavební inženýrství. Studijní obor: Pozemní stavby. Dosažená kvalifikace: Inženýr (Ing.).

1993 – 2002

Gymnázium Zlín - Lesní þtvrĢ.

Autorizace a osvČdþení 2010 – Autorizace z oboru Pozemní stavby, þ. autorizace 1005399 2010 – Autorizace z oboru Požární bezpeþnost staveb, þ. autorizace 1005399 2011 – OsvČdþení MPO vypracovávat prĤkazy energetické nároþnosti budovy, þ. oprávnČní 0923 Pracovní zkušenosti 2006 – dosud

OSVý. Projektant v oboru pozemních staveb a požární bezpeþnost staveb, odborné posudky – tepelná technika.

Schopnosti, znalosti a dovednosti Jazykové znalosti:

nČmecký jazyk – pokroþilá anglický jazyk – základní

Poþítaþové znalosti a dovednosti: Microsoft Windows, Microsoft Office (Word, Excel, PowerPoint). CAD programy: AutoCAD, Photoshop, Rhinoceros 3D. Soubor programĤ Stavební fyzika (Svoboda). ANSYS. ěidiþský prĤkaz:

skupiny B 29


Užitné vzory [1] [2]

KALOUSEK, M.; HEJNÝ, L.; Vysoké uþení technické v BrnČ: Rám okna nebo dveĜí. 20114, užitný vzor. Praha (2009). KALOUSEK, M.; HEJNÝ, L.; Vysoké uþení technické v BrnČ: Tepelná izolace osazení oken nebo dveĜních rámĤ. 20095, užitný vzor. Praha (2009).

VČdecko-výzkumná þinnost - realizované projekty [1] VnitĜní grant FAST na rok 2009 (Ústav PST) s názvem: „MČĜení tepelného toku okenních profilĤ a pomocná mČĜení povrchové teploty pĜi stanovení vzduchotČsnosti“, ěešitel: Ing. Lukáš Hejný, spoluĜešitel: Ing. Barbora Koláþková a Ing. JiĜí Da-vid. Grant byl pĜidČlen [2] VnitĜní grant FAST na rok 2009 (Ústav PST) s názvem: "MČĜení prĤvzdušnosti obvodových plášĢĤ", ěešitel: Ing. Barbora Koláþková, spoluĜešitel: Ing. Lukáš Hejný. Grant byl pĜidČlen Publikace autora - vybrané [1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6] [7]

KALOUSEK, M.; HEJNÝ, L. Lineární þinitel prostupu tepla pĜipojovací spáry okenních výplní. Pasivní domy 2008, Brno: Centrum pasivního domu, 2008. s. 373-374. ISBN: 978-80-254-2848-1. KALOUSEK, M.; HEJNÝ, L. Vhodný zpĤsob osazení okenních výplní. Budovy a prostredie 2008 - trvalo udržateĎná výstavba, Bratislava: STU Bratislava, 2008. s. 121-124, (4 s.). ISBN 978-80-227-2981-9 HEJNÝ, L.; REMEŠ, M. Vybrané technické vlastnosti oken, analýza zpĤsobu osazení. Realizace staveb 3/2009, Praha: Jaga Media, s.r.o., 2009. s. 14 -17, (4 s.). ISSN 1802-0631 KALOUSEK, M.; HEJNÝ, L. Vylepšení tepelnČ technických vlastností pĜipojovací spáry výplní otvorĤ, Budovy a prostredie. Bratislava: STU Bratislava, 2009, (4 s. 121-124). ISBN 978-80-227-3180-5 KALOUSEK, M.; HEJNÝ, L. Vhodný zpĤsob osazení okenních výplní, XII Mezinárodní vČdecká konference u pĜíležitosti 110. výroþí založení FAST VUT v BrnČ a XIV. výroþí založení Stavebních veletrhĤ Brno, Sekce 2 Pozemní stavby a architektura, (4 s. 37-40). ISBN 978-80-7204-629-4 REMEŠ, J.; HEJNÝ, L. Plochy ve stavebnictví : 1. díl - podlahové plochy. StĜechy, fasády, izolace, 2011, roþ. 18, þ. 3, s. 12-13. ISSN: 1212- 0111 REMEŠ, J.; HEJNÝ, L. TepelnČtechnické hodnocení spádových vrstev z tepelné izolace v plochých stĜechách. Tepelná ochrana budov, 2012, roþ. 15, þ. 1, s. 6-10. ISSN: 1213- 0907

Pozn.: celý pĜehled publikací je uvedeny v disertaþní práci.

30


11.

ABSTRACT

This thesis deals with the solution problem of fitting a window in the wall, especially for passive houses. It provides options to optimize the window connection joints, improve the thermal transmittance of the window frame, thereby reducing the total heat loss through the window. In the first part of the thesis is a research literature on the windows and heat technical and physical mechanisms. Are described equations and physical processes taking place in the windows and related building structures. This section describes the basic points in history, technical description of windows, etc. and present ways of assembly Installation the window and the influence of the thermal properties of the heat loss. The next part deals with the description of the work and the results obtained in the course of doctoral study. Describes the main objectives of the dissertation thesis, calculations and simulations of temperature fields and the results of the calculated values. Furthermore are described and analyzed measurement data and compared with the calculated values. At the end dissertation thesis are given opportunities to improve the current solution regarding the heat transfer coefficient of the frame, the optimal way of installation fillers windows in the perimeter wall and improve the thermal properties of the connecting joint.

31

VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY TEPELN TECHNICKÉ VLASTNOSTI RÁMU OKENNÍ VÝPLN A P IPOJOVACÍ SPÁRY

Recommend Documents