Hodnocení obvodových stěn budov z hlediska tepelné akumulace

Nejprve se však prokazuje, proč je nepostačující hodnocení OBS   z hlediska ustáleného tepelného stavu, a poté následuje popis způsobů hodnocení OBS z hlediska neustáleného tepelného stavu: jde o veličiny jako poločas chladnutí, průtočný čas, specifická akumulační schopnost, ukazatel tepelné setrvačnosti, teplotní útlum, poměrný pokles teploty na vnitřním povrchu obvodové stěny, tepelná stabilita místností.

Úvod

Prvním obecně užívaným kritériem pro hodnocení obvodových stěn obytných budov z hlediska tepelné ochrany bylo zdivo z plných pálených cihel o tloušťce 45 cm. Toto zdivo a jeho tloušťka bylo zvoleno se zdůvodněním, že je to zdivo, které v našich klimatických podmínkách nepromrzá [1]. Při použití jiného materiálu pro realizaci obvodové stěny se stanovila její tloušťka tak, aby byla zajištěna ekvivalence s kriteriální cihelnou stěnou (stručně: s ekvivalentní tloušťkou cihelného zdiva). Tento  přístup je možné formulovat také tak, že stěna navrhovaná z jiného materiálu musí mít stejný tepelný odpor R [m²K/W], jako je tepelný odpor kriteriálního cihelného zdiva R_c [m²K/W].

Tepelný odpor stěny je jediná a postačující tepelně-technická veličina k řešení problémů šíření tepla vedením v ustáleném stavu. Existence ustáleného stavu ve stěně je podmíněna konstantními teplotami na jejích površích (a také tím, že v ní nejsou ani zdroje ani úbytky tepla – což se obvykle předpokládá). Taková situace by mohla nastat tehdy, když by byl tepelný stav prostředí obklopující stěnu rovněž konstantní. V této spojitosti jde především o vzduch přiléhající k vnější straně stěny. Je však všeobecně známo, že teplota vnějšího vzduchu  se mění i v průběhu jednoho dne. Časová změna teploty vnějšího vzduchu způsobuje změnu teploty na vnějším povrchu stěny, uvnitř stěny a na vnitřním povrchu stěny a ta ovlivňuje teplotu vnitřního vzduchu v místnosti. Teplota vzduchu v místnosti se také mění, přerušuje-li se vytápění, což se rovněž projeví na průběhu teploty na vnitřním povrchu vnějších a samozřejmě i na povrchu vnitřních stěn.

V uvedených případech vzniká tedy časová (nestacionární) změna teploty ve vnější stěně. K popisu tohoto stavu a k řešení uvedeného problému už nepostačuje jen tepelný odpor. K tomu musí být k dispozici ještě další veličiny – které to jsou, to se ukáže v další části příspěvku. Poznámka: I když to není zvlášť uvedeno, popsané řešení se týká zimního období.  Problém  tepelného  stavu  obvodových  stěn  se  z hlediska letního období neřešil.

Hodnocení stavebních konstrukcí z hlediska časově neustáleného (nestacionárního) šíření tepla (z hlediska tepelné akumulace)

Šíření tepla vedením v neustáleném stavu je charakterizováno Fourierovým číslem Fo. Tvoří je, v různém složení, následující komplex základních veličin:

Fo = (a·τ) / d² = (λ·τ) / (c·ρ·d²) = τ / (R²·λ c·ρ) = τ / (R²·b)          (1)

kde:
a   je  součinitel teplotní vodivosti [m²/s]; a = λ / (c·ρ);
τ        doba sledování probíhajícího děje [s];
d       tloušťka konstrukce [m];
λ        součinitel tepelné vodivosti [W/(mK)];
c        měrná tepelná kapacita [J/(kgK)];
ρ       objemová hmotnost [kg/m³];
R       tepelný odpor [m²K/(W];
b       tepelná jímavost [Ws^1/2/(mK)]²; b = λ·c·ρ.

Z Fourierova čísla vyplývá, že má-li se zjistit časový průběh teploty ve stěně, musí být k dispozici tyto základní veličiny: součinitel tepelné vodivosti, měrná tepelná kapacita, objemová hmotnost, tloušťka stěny a složené veličiny: tepelný odpor stěny a tepelná jímavost materiálu, popř. součinitel teplotní vodivosti.

Přitom zvláštní místo ve vyjmenovaných veličinách má objemová hmotnost – stručně hmotnost. Stala se totiž kritériem pro rozlišení „lehkých“ a „těžkých“ konstrukcí. Význam tohoto rozlišení je v tom, že při navrhování lehkých konstrukcí je nutno zvolit jiný přístup než při navrhování těžkých konstrukcí, neboť jsou podstatně citlivější na časové změny tepelného stavu okolního prostředí než cihelné zdivo.

Celý článek naleznete v archivu čísel 04/2019.