Vliv materiálů obvodové konstrukce na výkon stěnového systému s trubkami ve vnitřní omítce

Jaký je vliv materiálu tepelné izolace na výkon systému s trubkami ve vnitřní omítce? Zkoumaným parametrem simulací je tepelná izolace, která je součástí kontaktního zateplovacího systému.

Součástí studie je fasádní bílý polystyren (EPS-F), minerální vlna (MW), šedý polystyren EPS-G a fenolová pěna. Zkoumána byla i nosná část obvodové konstrukce sestávající z pálené cihly, pórobetonu – YTONG a ze železobetonu.

Jednu z možností při návrhu stěnového vytápění a chlazení představuje stěnový sálavý systém s trubkami ve vnitřní omítce. U tohoto systému se trubky RAUTHERM S vloží do vodicí lišty RAUFIX upevněné na stěně. Pro stěnové topení jsou vhodné omítkové malty s pojivem: sádra, cement, vápno/cement nebo výrobci doporučené výrobky. Omítky pro stěnové topné systémy musí mít dobrou tepelnou vodivost, která se disponuje vysokou objemovou hmotností ve vysušeném stavu.

Tepelněizolační omítky nebo lehčené omítky vzhledem k horší tepelné vodivosti nejsou na stěnové vytápění vhodné. Omítka na stěnovém vytápění se může uzavřít obkladem až po důkladném vysušení a vytvrzení, nejdříve za 28 dní. Celková tloušťka omítky je cca 40 mm. Vrstva omítky nad trubkami je 15 mm až 20 mm. Omítání stěny se provádí pouze při natlakování systému. Stěnové vytápění v podomítkovém systému je použitelné ve všech druzích budov a pro každý účel, tedy ať už jako základní, nebo podpůrný zdroj tepla.

Výhodami stěnového systému jsou tichý provoz, možnost vytápění i chlazení, neviditelnost systému a nulové víření prachu. Nevýhodou systému je podmínka včas naplánovat interiér domu či bytu, protože v místech stěnového vytápění by neměly být obrazy ani nábytek. Probíraný typ stěnového systému s trubkami ve vnitřní omítce je možné instalovat i při obnově budov [1].

Tento systém byl již zkoumán a běžně je realizován v praxi. Studie [2] ukazuje, že spotřeba energie může při vložení potrubí do obvodového pláště budovy výrazně poklesnout. Ve studii [3] byla zkoumána účinnost akumulace tepla podobného stěnového topného a chladicího systému. Tepelná odezva systému aktivovaného betonového jádra byla pomalejší oproti ostatním systémům. Stěnový systém s trubkami ve vnitřní omítce je definován i podle [4].

Přechod tepla stavební konstrukcí ovlivňují do značné míry materiály, ze kterých daná stavební konstrukce sestává. Jednotlivé materiály mohou mít různé materiálové charakteristiky. Tato studie zkoumá vliv materiálu tepelné izolace a nosné konstrukce obvodové stěny na tepelný, respektive chladící výkon stěnového systému s trubkami ve vnitřní omítce. Jde o parametrickou studii vlivu materiálů různých tepelných izolací: fasádní polystyren (EPS-F), minerální vlna (MW), šedý polystyren (EPS-G), fenolová pěna (FP) a vlivu různých materiálů nosné stavební konstrukce obvodové stěny: pórobeton, železobeton a pálená cihla. V této studii je pro stěnový systém uvažována trubka RAUTHERM S PE – Xa 10,1 x 1,1 mm s roztečí 100 mm.

 

Materiály tepelné izolace a nosné stavební konstrukce

Jedním z nejtradičnějších materiálů fasádního kontaktního zateplovacího systému je fasádní expandovaný polystyren EPS-F, jak je vidět na obr. 1a. Pěnový polystyren EPS má velmi nízkou nasákavost. Pěnový polystyren EPS má velmi nízkou tepelnou vodivost, což je dáno jeho buněčnou strukturou skládající se z mnoha uzavřených polystyrenových buněk tvaru mnohostěnu obsahujících vzduch, který má pouze nepatrnou tepelnou vodivost. Práce s fasádním polystyrenem je velmi jednoduchá, díky jeho rozměrům a váze [5].

Izolační desky GreyWall na obr. 1b jsou nejnovějším typem EPS desek využívajícím nanotechnologie pro profesionální zateplení, bez obsahu CFC a HCFC známé jako freony. Miliony buněk izolantu se stopovou přísadou grafitu účinně odrážejí teplo k jeho zdroji a zlepšují tak izolační vlastnosti. Moderní technologie zajišťuje stálou kvalitu a minimální energetickou náročnost výroby, což deskám zajišťuje výborný poměr cena/výkon [6].

Fenolová pěna, viz obr. 2 vlevo, izoluje dvakrát lépe, a proto postačují menší tloušťky než u jiných tepelných izolací. Izolační desky z fenolické pěny jsou nejúčinnější tepelný izolant vyznačující se nízkým koeficientem lambda (λ_D již od 0,025 W/m.K) a tuhým jádrem z fenolické pěny s uzavřenou buněčnou strukturou. Povrchy desek tvoří speciální textilie a kompozitní fólie, které jsou s tuhým jádrem dokonale spojeny během výrobního procesu [7].

Použití izolačních materiálů z minerálních vláken, viz obr. 2 vpravo, je z hlediska vytvoření tepelné pohody vnitřního prostředí a dosažení minimálních tepelných ztrát správnou volbou při návrhu skladby jednotlivých stavebních konstrukcí. Nízká tepelná vodivost izolace z minerální vlny umožňuje snížení tepelných ztrát. Izolační materiály z minerální vlny jsou nehořlavé a v případě vzniku požáru nedochází k rozvoji a šíření plamene na jejich povrchu a vytváření toxických zplodin [9].

Na obr. 3 jsou vidět materiály nosné stavební konstrukce použité v parametrických simulacích a to: a) cihla PROTHERM PROFI DRYFIX, která představuje spojení pálené cihly a minerální vlny tím, že jsou otvory v cihlách již ve výrobě vyplněny hydrofobizovanou minerální vlnou [10]; dalším materiálem je b) YTONG – pórobetonová tvárnice, která umožňuje snadné a rychlé zdění bez odpadu s unikátními tepelněizolačními vlastnostmi [11] a nakonec c) železobeton, který nemá dobré tepelněizolační vlastnosti, ale naopak díky dobré tepelné vodivosti má nezanedbatelné akumulační schopnosti.

Parametrické simulace

Výpočty týkající se tepelného toku byly vypočteny stacionárními a číselnými simulacemi pomocí softwaru Calais 4,0 [12, 13], který byl ověřen v souladu s normou EN ISO 10211 [12, 13].

Princip výpočtu

Software Calais 4,0 byl primárně vyvinut tak, aby simuloval stacionární a dynamický 2D přenos tepla vedením [12, 13]:

(1)

kde T je teplota (K); S je interní zdroj tepla (W/m³); τ je čas (y); λ je tepelná vodivost (W/(m.K)); ρ je objemová hmotnost (kg/m³); a c je měrná tepelná kapacita při konstantním tlaku (J/kg.K)) [12, 13].

Tepelně-fyzikální vlastnosti materiálů jsou považovány za konstantní, izotropní a teplota je nezávislá ve všech simulacích. Okrajové podmínky definující specifický tepelný tok na povrchu výpočetní domény se vypočtou podle Newtonova ochlazovacího zákona (2), za předpokladu, že hranice adiabatických stěn jsou stanoveny podle (3), jak je znázorněno na obr. 4 [12, 13]:

(2)

(3)

kde w je index označující povrch objektu; f je index označující okolní tekutinu; n je index označující směr kolmý na povrch; a h je součinitel prostupu tepla W/(m².K), včetně konvekce a tepelného sálání ze sálavého povrchu do okolního prostředí [12, 13].

Součinitel prostupu tepla konvekcí pro vodu na povrch potrubí se vypočítá podle:

(4)

kde λ_L je tepelná vodivost tekutiny (W/(m.K)); l je charakteristický rozměr (m). Nu je číslo Nusselt, které představuje poměr konvektivní převodového převodu, který je určen jako funkce Grashof, Prandtl a Reynolds čísla [12, 13].

Součinitel prostupu tepla pro povrch vody na potrubí byl stanoven na 1000 W/(m².K) podle rovnice (4). Celkový součinitel prostupu tepla h (kombinovaná konvekce a sálání) mezi sálavým povrchem a vnitřním prostorem je 8 W/(m².K) pro vyhřívanou stěnu. Vnější konvektivní součinitel prostupu tepla je 25 W/(m².K) pro zimní období a 15 W/(m².K) pro letní období, což odpovídá rychlosti větru cca 5 m/s vypočítaného podle zjednodušené metody v normě EN ISO 6946. Rychlost větru představuje světlo až jemný vánek na stupnici Beaufort. U izolovaných budov by taková rychlost větru měla mít malý nebo žádný vliv na koeficient přenosu tepla na vnitřním povrchu [12, 13].

Fyzikální model stěny s trubkami

Obr. 5 znázorňuje fyzikální model stěny definovaný softwarem. Trubky (5), které představují aktivní příčný prvek, jsou zabudovány do vnitřní omítky (4) a připevněné vodicími lištami (3) na obvodovou stěnu (2), která je od exteriéru odizolovaná tepelnou izolací (1). Tepelně-fyzikální vlastnosti materiálů na obr. 2 jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1 Tepelně-fyzikální charakteristiky simulované stěny

Č.	Materiál	Tloušťka	Objemová hmotnost	Tepelná vodivost	Měrná tepelná kapacita
		d	ρw	λ	c
		m	kg/m³	W/(m.K)	J/(kg.K)
1	(EPS-F)	0,1	15	0,040	1270
	MW		15	0,035	840
	(EPS-G)		15	0,031	1270
	FP		35	0,025	1400
2	Porobeton	0,2	400	0,105	1 000
	Železobeton		2 400	1,58	1 020
	Pálená cihla		650	0,075	1 000
3	Vodící lišta PP		920	0,24	1500
4	Vnitřní omítka	0,025	1 300	0,49	840
5	Trubka RAUTHERM S 10,1 X 1,1 mm		1 200	0,35	1 000

Výsledky numerických simulací

Výsledkem numerických simulací je parametrická studie, jejímž obsahem je porovnání různých druhů tepelné izolace a různých druhů nosné konstrukce. Výsledkem jsou i teplotní pole a grafické znázornění tepelných toků stavebních konstrukcí u různých druhů tepelné izolace a nosné stavební konstrukce.

Parametrická studie stěnového systému v režimu vytápění

Výsledky simulací pro zimní období, které jsou graficky znázorněné na obr. 6 a obr. 7, reprezentují okrajové podmínky zimního období při venkovní výpočetní teplotě Өe = -11 °C, teplotě vody v potrubí Өp = 30 °C a vnitřní výpočtové teplotě Өi = 20 °C. Značky druhů tepelné izolace v grafech znamenají: EPS-F – bílý polystyren, MW – minerální vlna, EPS-G – šedý polystyren, FP – fenolová pěna a ŽB – Železobeton, YTONG – pórobeton, CIHLA – pálená cihla.

Na obr. 6a je vidět tepelný výkon stěnového systému s trubkami v interiérové ​​omítce v režimu vytápění. Z obr. 6a je vidět, že stěnový systém má největší tepelný výkon, pokud je uvažován materiál nosné stavební konstrukce pálená cihla s výkonem okolo 67,6 W/m², následuje konstrukce z pórobetonu a nejmenší tepelný výkon má stěnový systém s nosnou konstrukcí ze železobetonu s výkonem kolem 65 W/m². Na tepelný výkon neměl výrazný vliv různý druh tepelné izolace.

Větší rozdíly lze vidět v tepelných ztrátách na obr. 6 b při provozu stěnového systému v režimu vytápění. Tepelné ztráty byly nejvyšší u stěnového systému s nosnou stavební konstrukcí ze železobetonu, následuje stěna z pórobetonu a nejmenší tepelné ztráty má stěnový systém se stěnou z pálené cihly. Co se týče vlivu druhu tepelné izolace na tepelné ztráty, je významnější než vliv na tepelný výkon. Nejmenší tepelné ztráty lze evidovat u tepelné izolace z fenolické pěny, následuje šedý polystyren, potom minerální vlna a největší tepelné ztráty vykazuje systém s materiálem tzv. bílého polystyrenu.

Na obr. 7 jsou vidět interiérové ​​povrchové teploty stěny při provozu stěnového systému v režimu vytápění s různým druhem tepelné izolace s nosnou stavební konstrukcí z různých materiálů. A i z tohoto grafu vidět, že stěnový systém s tepelnou izolací z fenolické pěny má nejvyšší interiérovou povrchovou teplotu stěny ze železobetonu a to 26,33 °C, následuje šedý polystyren, minerální vlna a nakonec tzv. bílý polystyren.

Ukázalo se, že pokud je nosná konstrukce ze železobetonu, interiérová povrchová teplota je nejvyšší. Pokud je nosná konstrukce z pálené cihly nebo pórobetonu, rozdíly v interiérové povrchové teplotě jsou minimální, příznivější jsou hodnoty pro pórobeton (YTONG).

Na obr. 8 vlevo je vidět teplotní pole pro různé druhy nosné stavební konstrukce se stejnou tepelnou izolací EPS-F a na obr. 8 vpravo lze vidět průběh tepelných toků. Z obr. 8, z teplotních polí a průběhů tepelných toků, je také dobře vidět, že největší tepelné ztráty evidujeme u nosné konstrukce ze železobetonu a to kolem 14,4 W/m², následuje pórobeton s tepelnými ztrátami okolo 9,8 W/m² a nakonec cihla s tepelnými ztrátami okolo 7,3 W/m².

Parametrická studie stěnového systému v režimu vytápění

Výsledky simulací pro letní období, znázorněné na obr. 9 a 10, reprezentují okrajové podmínky letního období při venkovní výpočetní teplotě Өe = 32 °C, teplotě vody v potrubí Өp = 18 °C a vnitřní výpočtové teplotě Өi = 26 °C.

Na obr. 9a je vidět chladící výkon stěnového systému s trubkami v interiérové ​​omítce v režimu chlazení. Z obr. 9a je vidět, že stěnový systém má největší chladící výkon, pokud je uvažován materiál nosné stavební konstrukce pálená cihla s výkonem kolem 54 W/m², následuje konstrukce z pórobetonu a nejmenší tepelný výkon má stěnový systém s nosnou konstrukcí ze železobetonu s výkonem kolem 52 W/m². Na chladící výkon neměl výrazný vliv různý druh tepelné izolace.

Větší rozdíly lze vidět v tepelných ziscích na obr. 9b při provozu stěnového systému v režimu chlazení. Tepelné zisky byly nejvyšší u stěnového systému s nosnou stavební konstrukcí ze železobetonu, následuje stěna z pórobetonu a nejmenší tepelné zisky má stěnový systém se stěnou z pálené cihly. Co se týče vlivu druhu tepelné izolace na tepelné zisky, je významnější než vliv na tepelný výkon. Nejmenší tepelné zisky lze evidovat u tepelné izolace z fenolické pěny, následuje šedý polystyren, potom minerální vlna a největší tepelné ztráty vykazuje systém s materiálem tzv. bílého polystyrenu.

Na obr. 10 lze vidět interiérové povrchové teploty stěny při provozu stěnového systému v režimu chlazení s různým druhem tepelné izolace a s nosnou stavební konstrukcí z různých materiálů. A i z tohoto grafu je patrné, že stěnový systém s tepelnou izolací z fenolické pěny má nejnižší interiérovou povrchovou teplotu stěny ze železobetonu a to 20,74 °C, následuje šedý polystyren, minerální vlna a nakonec tzv. bílý polystyren.

Ukázalo se, že pokud je nosná konstrukce ze železobetonu, interiérová povrchová teplota je nejnižší. Pokud je nosná konstrukce z pálené cihly nebo pórobetonu, rozdíly v interiérové povrchové teplotě jsou minimální a opět příznivější pro pórobeton (YTONG).

Na obr. 11 vlevo je vidět teplotní pole pro různé druhy tepelné izolace se stejnou nosnou konstrukcí ze železobetonu a na obr. 11 vpravo je vidět průběh tepelných toků.

Z obr. 11 vpravo, kde je vidět průběh tepelných toků, je také dobře patrné, že největší tepelné zisky evidujeme u nosné konstrukce ze železobetonu, a to kolem 14,4 W/m², následuje pórobeton s tepelnými ztrátami okolo 9,8 W/m² a nakonec cihla s tepelnými ztrátami kolem 7,3 W/m².

Parametrická studie stěnového systému v režimu vytápění

Na obr. 12 je vidět průběh tepelných toků stěny ze železobetonu s trubkami ve vnitřní omítce s různými druhy tepelné izolace v režimu vytápění.

Z obr. 12, kde jsou znázorněny tepelné toky stavebních konstrukcí, je dobře vidět, že největší tepelné ztráty evidujeme u tepelné izolace EPS-F, a to kolem 14,4 W/m², následuje MW kolem 12,4 W/m², následně EPS-G kolem 11, 1 W/m² a nejlépe je na tom fenolová pěna s tepelnými ztrátami kolem 9,1 W/m².

Závěr

Článek podává na základě výsledků numerických simulací pohled na tepelné/chladící výkony stěnového systému s trubkami ve vnitřní omítce v letním i zimním režimu, s různým druhem materiálu tepelné izolace, s různým druhem nosné konstrukce.

Na základě výsledků je zřejmé, že železobeton je vhodný pro svou dobrou tepelnou vodivost a setrvačnost, avšak na druhé straně má v porovnání s cihlou a pórobetonem horší izolační schopnosti a nejvyšší tepelné ztráty v režimu vytápění – a nejvyšší tepelné zisky v letním období.

Tepelný výkon stěnového systému s trubkami ve vnitřní omítce byl nejvyšší u zdi z cihly, a to 67,6 W/m², pak u pórobetonu (YTONG). Nejmenší tepelný výkon byl zaznamenán u zdi ze železobetonu, a to 65 W/m². V režimu chlazení byl rovněž nejvyšší chladící výkon zaznamenán pro materiál stěny z cihly, a to 54 W/m², potom pro pórobeton (YTONG) a nejmenší chladící výkon byl zaznamenán u zdi ze železobetonu, a to 52 W/m².

Parametrická studie prokázala v režimu vytápění nejvyšší tepelné ztráty u tepelné izolace EPS-F, následuje MW, pak EPS-G a nejlépe na tom byla fenolová pěna.

Co se týče tepelných zisků, v režimu chlazení byly výsledky stejné. Z hlediska tepelných výkonů byly rozdíly při porovnání různých druhů tepelných izolací zanedbatelném, rovněž jako chladící výkon v režimu chlazení.

Poděkování

Tato práce byla podporována Ministerstvem školství, vědy, výzkumu a sportu SR prostřednictvím grantů VEGA 1/0304/21 a 1/0303/21.

Literatura

[1]            https://www.geotherm.sk/stenove-vykurovanie-a-chladenie-rehau/
[2]            XIE, J., ZHU, Q., XU, X. (2012). An active pipe-embedded building envelope for utilizing low-grade energy sources. Journal of Central South University Vol. 19, p. 1663 – 1667.
[3]            Krajčík M. and Šikula O. Heat storage efficiency and effective thermal outpu: Indicators of thermal response and output of radiant heating and cooling systems. Energy and Buildings 2020; p. 110524.
[4]            ASHRAE. ASHRAE Handbook – Fundamentals. Atlanta, GA: American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers, 2017.
[5]            https://www.isover.sk/produkty/isover-eps-70-f-fasadny-polystyren
[6]            https://www.isover.cz/produkty/isover-eps-greywall
[7]            https://www.kingspan.com/sk/sk-sk/produkty/izolacie/izolacne-dosky/kooltherm
[8]            https://www.tzb-info.cz/docu/clanky/0117/011779o1.jpg
[9]            https://www.vasestavebniny.sk/137-mineralna-izolacia
[10]          https://www.wienerberger.sk/produkty/stena/tehly_porotherm/porotherm-30-t-profi-dryfix.html
[11]          https://www.ytong.sk/ytong-presne-tvarnice-pre-obvodove-a-nosne-steny.php
[12]          Šikula O. Software CalA User Manual (In Czech). Brno: Tribun, 2011, p.42.
[13]          Šikula O. Počítačové modelování tepelně aktivovaných konstrukcí [Computer modelling of thermally active structures]. Habilitation Thesis, VUT Brno, Czech Republic, 2011.

Text vyšel v časopisu TZB 1/2021.