Aká je presnosť vypočítaných U-hodnôt?

Merania U-hodnôt stavebných konštrukcií preukázali významné ­odchýlky skutočných U-hodnôt od údajov v tepelno-technických ­posudkoch. Súčiniteľ prechodu tepla konštrukciou U je snáď najdôležitejším parametrom pri výpočte potreby tepla na vykurovanie a chladenie. Od správnosti jeho určenia závisí aj správnosť návrhu vykurovacích a chladiacich systémov, správnosť projektového energetického hodnotenia a v neposlednom rade aj správnosť hodnotenia energetickej hospodárnosti budov.

Spôsob výpočtu súčiniteľa prechodu tepla konštrukciou, ako aj záväzné hodnoty pri jednotlivých druhoch konštrukcií určuje STN 73 0540-2:2012. Parametre stavebných materiálov, ktoré sa používajú pri jeho výpočte, určuje STN 73 0540-3:2012. Tepelnotechnické posudky a projektové energetické hodnotenia vychádzajú z projektových materiálových skladieb konštrukcií. Z dôvodu verifikácie správnosti výberu tepelnotechnických vlastností materiálov sa v nich očakáva bližšia identifikácia prostredníctvom parametrov, ako sú napríklad objemová hmotnosť či technická norma, podľa ktorej sa materiál vyrába alebo podľa ktorej sa certifikujú jeho vlastnosti.

Hodnotenie energetickej hospodárnosti budov má vychádzať z parametrov skutočne zabudovaných materiálov. V procese výstavby však často dochádza z rozličných dôvodov k zámenám materiálov, prípadne k zmenám hrúbok vrstiev, pričom  skutočné skladby konštrukcií sa potom môžu významne odlišovať od materiálových skladieb v projekte. Odborne spôsobilá osoba, ktorá vykonáva hodnotenie energetickej hospodárnosti, by sa preto mala presvedčiť, aké materiály a v akých hrúbkach boli skutočne zabudované.

Pri určovaní súčiniteľa prechodu tepla konštrukciou U pri existujúcich obnovovaných budovách, ktoré boli uvedené do prevádzky pred viac než 5 rokmi, nie je pri prípadnom určení súčiniteľa U jasné, aké konkrétne stavebné materiály boli zabudované a akým spôsobom sa zmenili v priebehu používania budovy ich tepelnotechnické vlastnosti. Vhodným nástrojom na overenie U-hodnoty pri existujúcich stavebných konštrukciách je tak meranie in-situ.

Metódy merania tepelnotechnických parametrov stavebných konštrukcií

Na stanovenie skutočných tepelnotechnických vlastností stavebných konštrukcií existujú dva základné typy metód:

• a)    meranie vzorky stavebnej konštrukcie v klimatických komorách,
• b)    meranie reálnej stavebnej konštrukcie in-situ (v reálnych podmienkach).

Podstatou oboch metód je vzťah závislosti tepelného toku od vlastnosti konštrukcie a teplotného rozdielu definovaný ako

q(j→k) = L(j→k) (θj – θk)

Za predpokladu lineárneho stacionárneho šírenia tepla je plošný tepelný tok medzi bodmi j a k v stavebnej konštrukcii priamo úmerný teplotnému rozdielu medzi týmito bodmi a plošnej tepelnej vodivosti vrstvy medzi nimi. Navyše, pri lineárnom a stacionárnom tepelnom toku platí, že vo všetkých miestach konštrukcie je tepelný tok rovnaký.

Pri prechode tepla  stavebnou konštrukciou medzi vnútorným a vonkajším prostredím teda platí

q = U (θi – θe)

Súčiniteľ prechodu tepla konštrukciou U tak nie je nič iné ako recipročná hodnota súčtu tepelných odporov všetkých vrstiev, ktoré oddeľujú vonkajšie a vnútorné prostredie. Teplo prechádza cez medznú vrstvu vzduchu pri prestupe tepla z vnútorného prostredia do stavebnej konštrukcie, ďalej cez jednotlivé materiálové vrstvy samotnej stavebnej konštrukcie a na záver cez medznú vrstvu vzduchu pri prestupe tepla zo stavebnej konštrukcie do vonkajšieho prostredia. Vyjadruje to vzorec

kde
R_j je tepelný odpor vrstvy j,
R_si – tepelný odpor pri prestupe tepla na vnútornom povrchu stavebnej konštrukcie,
R_se – tepelný odpor pri prestupe tepla na vonkajšom povrchu stavebnej konštrukcie,

pričom súčasne platí, že

Na zistenie hodnoty plošnej tepelnej vodivosti, resp. súčiniteľa prechodu tepla konštrukcie preto treba zmerať teploty a plošný tepelný tok.

Obr. 1 Použitý data-logger mal hmotnosť približne 20 g  a dal sa kdekoľvek prichytiť lepiacou gumou.

Variabilita vstupných parametrov pri výpočte U-hodnoty

Normové hodnoty fyzikálnych veličín stavebných materiálov, ktoré sú vstupnými parametrami pri výpočte U-hodnoty stavebných konštrukcií, sú určené v STN 73 0540-3. Pri určitej skupine materiálov sú súčinitele tepelnej vodivosti λ určené v závislosti od objemovej hmotnosti. V tab. 1 je znázornený rozptyl hodnôt súčiniteľa λ pri niektorých skupinách materiálov.

Vzhľadom na to, že z projektovej dokumentácie nie je vždy známe, aký konkrétny materiál sa mal použiť, a ešte menej je známe, aký konkrétny materiál sa skutočne použil, je výpočet U-hodnoty stavebných konštrukcií existujúcich budov zaťažený významnou neistotou. Táto neistota sa potom prenáša do výpočtu potreby tepla na vykurovanie ako základného parametra na hodnotenie energetickej hospodárnosti budov. S počtom vrstiev stavebnej konštrukcie rozsah neistoty navyše ešte narastá. Treba si uvedomiť aj to, že napríklad pri administratívnych budovách je horná hranica energetickej triedy B približne na úrovni 193 % spodnej hranice a horná hranica energetickej triedy C je na úrovni asi 147 % spodnej hranice.

Neistota z určenia tepelných odporov jednotlivých vrstiev konštrukcie, a teda aj U-hodnoty preto nemusí byť pri hodnotení energetickej hospodárnosti budovy zanedbateľná, najmä keď sa projektant pohybuje na horných hraniciach energetickej triedy. Vplyvom neistoty v určení U-hodnoty obalových konštrukcií sa ľahko môže stať, že skutočná potreba energie bude zodpovedať horšej energetickej triede. Najmenej istá je situácia, keď projektant navrhuje zateplenie existujúcej obvodovej steny a  nemá pritom istotu v jej materiálovej skladbe.

Jediným riešením, ako túto neistotu eliminovať, je zmerať plošnú tepelnú vodivosť stavebnej konštrukcie a vypočítať jej U-hodnotu pomocou normatívnych tepelných odporov pri prestupe tepla Rsi a Rse podľa STN 73 0540-3: 2012.

Meranie tepelného odporu R, resp. U-hodnoty konštrukcie in-situ

Meranie tepelného odporu konštrukcie R, resp. jej U-hodnoty upravuje medzinárodná norma ISO 9869-1 [4]. V zásade rozdeľuje metódy určenia tepelného odporu, resp. plošnej tepelnej vodivosti na metódu priemerovania a na dynamickú metódu.

Z hľadiska vyhodnotenia je jednoduchšia metóda priemerovania, ktorá vychádza z faktu, že celé meranie prebehlo za kvázi stacionárneho stavu, a teda

Obdobne platí aj pre tepelný odpor R vzťah

Že meranie prebehlo za kvázi stacionárneho stavu, sa dá vyhlásiť, ak sú splnené tieto podmienky [4]:

• meranie prebiehalo aspoň 72 h,
• hodnota meraného parametra za celé obdobie sa od hodnoty zistenej o 24 h skôr neodlišuje o viac než ±5 %,
• hodnota meraného parametra za prvé 2/3 meraného obdobia sa oproti hodnote za posledné 2/3 meraného obdobia neodlišuje o viac než ±5 %.

Obr. 2 Meracia zostava so snímačom tepelného toku s citlivosťou 17,2 μV/(W/m²) a data-loggerom s hmotnosťou 60 g

Prístroje na meranie tepelného odporu R, resp. U-hodnoty konštrukcie in-situ

Na úspešné meranie tepelného odporu R, resp. U-hodnoty stavebných konštrukcií sa dajú použiť dátové záznamníky (data-loggery) a snímače teploty a tepelného toku. Pri ich výbere sú dôležitými parametrami citlivosť data-loggera a samotných snímačov. Požiadavky na prístrojové vybavenie stanovuje norma [4], pričom treba prihliadať na podmienky, v akých sa budú merania vykonávať.
Normalizované U-hodnoty podľa STN 73 0540-2:2012 sú od 1. 1. 2016 takéto:

• obvodová stena: 0,22 W/(m² . K),
• strecha: 0,10 W/(m² . K),
• strop pod nevykurovaným priestorom: 0,15 W/(m² . K).

Tepelné toky prechádzajúce cez uvedené konštrukcie pri teplotnom rozdiele medzi vonkajším a vnútorným vzduchom 10 K sú potom takéto:

• obvodová stena: 2,2 (W/m²),
• strecha: 1,0 (W/m²),
• strop pod nevykurovaným priestorom: 1,5 (W/m²).

Ak budeme vychádzať z požiadavky na presnosť merania 5 %, potom bude treba dosiahnuť takúto citlivosť merania tepelného toku:

• obvodová stena: 0,110 (W/m²),
• strecha: 0,050 (W/m²),
• strop pod nevykurovaným priestorom: 0,075 (W/m²).

Ďalším dôležitým parametrom pri výbere meracích prístrojov je ich veľkosť a hmotnosť tak, aby sa dali v podmienkach in-situ jednoducho a spoľahlivo inštalovať. Na trhu sú k dispozícii snímače tepelného toku s citlivosťou nad 60 μV/(W/m²). Pri citlivosti A/D prevodníka data-loggera 0,6 μV to znamená, že s takouto zostavou možno merať tepelné toky s citlivosťou 0,01 W/m².

Pri požiadavke očakávanej presnosti merania 5 % to znamená, že merané tepelné toky musia byť aspoň 0,2 W/m², čo sa pri kvázi stacionárnom stave dosiahne pri konštrukcii obvodovej steny spĺňajúcej Ur1 pri teplotnom rozdiele aspoň 0,91 K. S takouto zostavou sa dá U-hodnota spoľahlivo merať aj v podmienkach prechodného obdobia. Meranie s takýmto prístrojom je na obr. 1.

Výhodou je, ak má použitý data-logger nízku hmotnosť. Na obr. 1 je data-logger s hmotnosťou približne 20 g, ktorý sa dá kamkoľvek prichytiť lepiacou gumou. Navyše, nemá žiadne tlačidlá ani displej, takže nezvádza na manipuláciu. Vďaka veľkej pamäti 2 GB a batérii sa ním dá merať aj niekoľko týždňov s frekvenciou merania každých 10 min. Je plne programovateľný cez USB-rozhranie. Ďalšia meracia zostava so snímačom tepelného toku s citlivosťou 17,2 μV/(W/m²) a data-loggerom s hmotnosťou 60 g je na obr. 2.

Obr. 3 Detail snímača tepelného toku

Namerané U-hodnoty

Merania U-hodnôt stavebných konštrukcií vykonané od jesene 2015 ako súčasť energetických auditov budov preukázali významné odchýlky skutočných U-hodnôt od údajov v tepelnotechnických posudkoch. Išlo o merania v administratívnych, školských a priemyselných budovách. Rozdiely medzi hodnotami uvádzanými v tepelnotechnických posudkoch projektovej dokumentácie a nameranými hodnotami vyššie než 20 % sú bežné. Doteraz najväčší zistený rozdiel bol takmer 113 %. Na rozdiel od tepelnotechnického posudku bol v tomto extrémnom prípade použitý v skutočnosti úplne iný murovací materiál, než bol uvedený v tepelnotechnickom posudku.

Záver

Meranie skutočnej U-hodnoty stavebných konštrukcií in-situ ako nástroja kontroly kvality realizácie obalových konštrukcií, resp. v rámci zisťovania skutočných parametrov pôvodných konštrukcií pred návrhom zateplenia možno v súčasnosti ľahko vykonať. Metodika je upravená medzinárodnou normou ISO 9869-1 [4] a na trhu sú dostupné prístroje, ktorými takéto merania možno realizovať.

Ako ukázali skúsenosti z vykonaných energetických auditov budov, požiadavka na takéto merania je opodstatnená. Skutočné U-hodnoty obalových konštrukcií sa bežne odlišujú od hodnôt uvádzaných v tepelnotechnických posudkoch, ktoré sú súčasťou projektovej dokumentácie, aj o viac než 20 %. Potreba tepla vypočítaná na základe takýchto U-hodnôt potom predstavuje neistotu, ktorá môže znamenať, že energetická trieda budovy je v skutočnosti horšia než energetická trieda deklarovaná v projektovom energetickom hodnotení, resp. v energetickom certifikáte.

Foto: archív autora

Text: Ing. Ladislav Piršel, PhD.

Autor sa venuje energetickým auditom a certifikácii trvalej udržateľnosti. Ako energetický audítor a BREEAM International Assessor sa zaoberá poradenstvom v oblasti energetickej efektívnosti, efektívnosti prevádzky a trvalej udržateľnosti budov. Je zakladateľom spoločnosti alocons spol. s r. o., výkonným riaditeľom Slovenskej rady pre zelené budovy (SKGBC) a členom jej predstavenstva.

Literatúra

1. STN 73 0540-2:2012 Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 2: Funkčné požiadavky.
2. STN 73 0540-3:2012 Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 3: Vlastnosti prostredia a stavebných výrobkov.
3. STN EN 16 247-2:2014 Energetická diagnostika, Časť 2: Budovy.
4. ISO 9869-1:2014 Thermal insulation – Building elements – In-situ measurement of thermal resistance and thermal transmittance – Part 1: Heat flow meter method.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.