Význam těžkých stropních konstrukcí

Jedním ze základních požadavků pro navrhování budov je dosáhnout co nejnižší energetické náročnosti. Vysoká úroveň tepelné izolace konstrukcí tvořící obálku budovy je již samozřejmostí stejně jako využívání solární energie ve formě produkce elektřiny pomocí fotovoltaických panelů.

Optimalizace budovy a jejích konstrukcí zajišťuje co nejmenší spotřebu energie nejen během otopného období, ale pomůže redukovat i její energeticky náročné chlazení.

Ideálem je využít energii, která je zadarmo ve formě slunečního záření. To znamená nejen vhodně volit velikost a orientaci oken ke světovým stranám, ale abychom mohli tuto energii rozumně využívat, je potřeba ji umět i krátkodobě akumulovat do vnitřních konstrukcí. Tedy v době, kdy je k dispozici, ji akumulovat a uvolnit v době potřeby – v řádu několika hodin či jednoho dne. Pro dlouhodobou akumulaci sluneční energie slouží jiné formy akumulátorů, jako jsou např. velké tepelně izolované vodní nádrže. Dlouhodobé skladování energie do konstrukcí budov je v současnosti neefektivní. Znamenalo by to navrhovat např. extrémně tlusté a tepelně izolované konstrukce, osazené trubním vedením napojené např. na termické kolektory. Zároveň by bylo nutné výrazně přizpůsobit i vnitřní dispozice budov pro využití akumulované energie.

Dalším tématem pro současné novostavby je dosažení celoroční stability vnitřního prostředí budov.1,2 Vzhledem k tomu, že současné novostavby jsou velmi dobře tepelně izolované, je potřeba zřizovat vícero opatření proti pocitově nepříjemnému přehřívání interiéru, které nemusí být výsadou pouze letních měsíců, ale krátkodobě i jarních či podzimních měsíců.

Vliv vyšších teplot je třeba brát vážně i se zřetelem na klimatické změny – v podmínkách České republiky se uvažuje, že do roku 2040 by měla průměrná teplota stoupnout o 1 °C a do roku 2060 až o 2,5 °C. Bude růst počet tropických dnů i vln veder a zároveň ubývat mrazivých dnů. Odpovědí na změnu klimatu musí být i adaptace budov.

V následujícím textu se budeme soustředit na zděné stavby rodinných domů, které dlouhodobě představují přibližně 80 % z celkového počtu ročně stavěných rodinných domů v ČR na základě volby nosné konstrukce.3 Dále zůstaneme u cihelných staveb zastoupených stavebním systémem výrobce HELUZ.

Pro řešení střech se často používají lehké konstrukce. A právě zde je prostor pro dosažení větší homogennosti obálky budovy. Místo lehkých konstrukcí je vhodnější volit konstrukce těžké ve formě stropních systémů, jako jsou polomontované stropy HELUZ MIAKO či HELUZ PANELY. Touto volbou lze docílit lepší tepelné stability vnitřního prostředí, a tedy i spořit energii. Vedle výhodné energetické náročnosti tyto těžké a ve své rovině tuhé konstrukce přinášejí i další benefity, jako je statické ztužení staveb či zvýšení její odolnosti s minimální možností degradace v čase.

Těžké konstrukce, tepelná akumulace a tepelná kapacita

Budovy s vyšší tepelnou kapacitou dosahují nižší energetické náročnosti oproti budovám s nižší tepelnou kapacitou při stejných tepelněizolačních vlastnostech obálky budovy. Za těžké konstrukce označujeme v oboru tepelné techniky takové, které mají plošnou hmotnost větší jak 100 kg/m2. Do těchto konstrukcí můžeme zařadit stěny z cihel pro běžné příčky, nosné stěny a obvodové stěny. Cihly můžeme mít v různých objemových hmotnostech a s různými povrchovými úpravami, jejichž modifikací můžeme ovlivnit využitelnou tepelnou kapacitu budovy.

Často používaný pojem „tepelná akumulace“ vyjadřuje schopnost akumulovat tepelnou energii, ale nedá se podle ní porovnávat vliv na energetickou náročnost budovy. Pro vyjádření míry tepelná akumulace se používá několik veličin, které jsou vzájemně propojené:

* „Tepelná kapacita“ vyjadřuje množství tepla potřebného k ohřátí daného materiálu o hmotnosti 1 kg o 1 °C (správněji o 1 K).

*„Celková tepelná kapacita stavebního prvku“ vyjadřuje tepelnou kapacitu skladby konstrukce.

*„Účinná tepelná kapacita“ je počítána jako suma všech materiálových vrstev konstrukce od vnitřního povrchu konstrukce až k maximální tloušťce 100 mm, případně do středu konstrukce. Tato zásada vychází z obecných zvyklostí pro zjednodušený výpočet účinné tepelné kapacity. Je možné ji stanovit i přesněji.

*„Časová konstanta budovy“ vyjadřuje tepelnou setrvačnost (stabilitu) budovy. Je rovna podílu účinné tepelné kapacity budovy a měrného tepelného toku přes konstrukce.

*„Objemová tepelná kapacita“ popisuje schopnost objemové jednotky konstrukcí budovy akumulovat teplo při teplotním rozdílu 1 K. Parametr slouží ke vzájemnému porovnání množství akumulační hmoty mezi objekty.

Pro objektivní porovnání je potřeba důkladná dynamická analýza řešeného objektu, na což v praxi v běžné výstavbě nezbývá moc času. Při výpočtech energetické náročnosti budovy se tepelná kapacita budovy zadává zjednodušeně volbou daného typu konstrukčního řešení stavby a zároveň se počítá v měsíčním kroku. Měsíční časový krok je pro vyšetřování vlivu tepelné kapacity budovy dosti hrubý. Toto se může změnit zavedením povinnosti hodinového kroku ve výpočtu energetické náročnosti budovy, který se pro určité budovy povinně zavedl od začátku roku 2023.4 Jiným hodnocením je výpočet tepelné stability místnosti, kdy se zjišťuje odezva vnitřního prostředí modelované místnosti na vnější klimatické podmínky, intenzitu větrání a příslušné skladby konstrukcí.5 Pro realistické vyšetřování vlivu skladby konstrukcí je potřeba využít pokročilejších výpočetních postupů a softwarů, kdy se pracuje s kratším krokem výpočtu a zohledňuje se mnoho veličin najednou. Poté lze na vybraném typu budovy porovnávat vliv skladby konstrukcí na její energetickou náročnost a na stabilitu vnitřního prostředí.6, 7, 8

Těžké stropy a nosné konstrukce střech a energetické úspory

Z pohledu významnější modifikace tepelné kapacity konstrukcí se nabízí využití těžkých stropních či střešních konstrukcí. Z pohledu konstrukcí rodinných domů je skladba podlah z pohledu šíření tepla docela typizovaná – na podkladní betonové desce je položena tepelná izolace a na ní je betonový či anhydritový potěr a nášlapná vrstva. Stejně tak je to i u skladeb svislých stěn. Ovšem u střešních konstrukcí (ne tak často u stropních) se používají nejčastěji lehké konstrukce, která mají výrazně nižší tepelnou kapacitu. Abychom dosáhli homogennosti tepelné kapacity konstrukcí a přispěli tak k nižší energetické náročnosti a k dosažení stabilního vnitřního prostředí, je třeba i tyto konstrukce navrhovat jako těžké. Mezi tyto konstrukce se řadí i systémy HELUZ MIAKO či HELUZ PANELY, které mají plošnou hmotnost přes 300 kg/m2, což je více jak trojnásobná hodnota oproti definici těžké konstrukce.

Tyto konstrukce přispívají k energetické úspoře budov:

– zvýšením celkové tepelné kapacity konstrukcí,

– větší stabilitou vnitřního prostředí během roku,

– efektivním využitím solárních zisků během otopného období,

– pomalejší změnou teplot v kontextu možnosti plynulejší regulace otopné soustavy,

– snižováním míry přehřívání interiéruv letních měsících,

– u patrových domů zajištěním stejných teplot vnitřního vzduchu pro přízemí i podkroví,

– snadnějším zajištěním vzduchotěsnosti objektu,

– možností položení tepelné izolace s minimálním počtem tepelných mostů,

– v případě několikahodinové odstávky či poruchy otopného systému zajištěním pomalejšího vychládání interiéru.

Vliv konstrukce stropu na tepelnou stabilitu místnosti

Ukažme si příklad hodnocení tepelné stability vybrané místnosti. Schematický řez a půdorys je na obr. 1 a 2. U dvoupodlažní budovy budeme porovnávat odezvu takovéto místnosti, která je v 1. NP a místnosti stejných rozměrů a prosklení, pokud by byla ve 2. NP.

Variantně u místnosti ve 2. NP bude změněna skladba střešní konstrukce. Jednou se jedná o konstrukci se stropem HELUZ MIAKO tloušťky 250 mm a ve druhém případě použijeme lehkou konstrukci se stejnou hodnotu součinitele prostupu tepla. Místnost je značně prosklená s okny s trojitým zasklením a vysokou mírou propustnosti slunečního záření, které je potřebné pro pasivní solární zisky v otopném období. Může se jednat např. o zasklení HELUZ IZOS ENERGY+ se solárním faktorem g = 0,62. Obvodové stěny jsou z cihel HELUZ FAMILY 50 broušená. Vnitřní nosná stěna je z cihel HELUZ UNI 25 broušená. Kvůli vysoké míře tepelné izolace je uvažováno s vnějším stíněním žaluzií s plně sklopenou lamelou a tzv. automatickým stíněním podle intenzity slunečního záření. Abychom takovouto místnost „uchladili“ větráním, byla zvolena výrazná výměna vzduchu v nočních hodinách, během dne se uvažuje s minimální výměnou vzduchu (osoby jsou mimo dům) a odpoledne s přípustnou intenzitou výměnu vzduchu 0,3 h^-1. Při menší míře intenzity větrání by bylo dosaženo překročení limitu vnitřního vzduchu nad teplotu 27 °C. Klimatické podmínky a intenzita větrání jsou uvedeny na obr. 3 až 5.

K výpočtům byl použit software SIMULACE 2018, který pracuje v souladu s normou ČSN EN ISO 52016-1 Energetická náročnost budov – Potřeba energie na vytápění a chlazení, vnitřní teploty a citelné a latentní tepelné výkony – Část 1: Výpočtové postupy a dalšími normami. Skladbu konstrukcí střechy uvádí tabulka 1 a 2.

Výsledky výpočtů jsou vidět na obr. 6. Podle očekávání je nejnižší teploty dosaženo v případě místnosti v 1. NP. Místnost ve 2. NP s těžkým stropem ze systému HELUZ MIAKO má maximální teplotu vnitřního vzduchu oproti místnosti v 1. NP vyšší pouze o 0,2 °C. Místnost ve 2. NP s lehkou konstrukcí střechy má vypočítanou teplotu vnitřního vzduchu oproti místnosti ve 2. NP vyšší o 1,4 °C. Rozdíl v maximální dosažené teplotě mezi variantami místností 2. NP je 1,1 °C. Zdá se to jako malý rozdíl, ale lidské tělo dokáže i takto malý rozdíl teplot vnímat. Je vidět, že pomocí těžké konstrukce střechy lze docílit u modelované místnosti stejnavého průběhu teplot mezi místností 1. NP a 2. NP.

Příklady budov pro využití těžkých konstrukcí

Pro dosažení co nejnižší energetické náročnosti budovy je potřeba volit kompaktní tvar budovy, její orientaci ke světovým stranám a vhodně pracovat s velikostí oken a jejich stínění. V případě budov s kompaktním tvarem se použití těžkých konstrukcí nabízí pro vodorovné konstrukce v 1. NP i 2. NP. Některé příklady, kdy se dají využít těžké stropy u cihelných staveb, jsou uvedeny na obrázcích 7, 8 a 9. I v případě sedlových střech lze uložit panely v místě kleštin krovu a tím zvětšit tepelnou kapacitu konstrukcí v místnostech ve 2. NP.

Závěr

Vzhledem k nutné adaptaci budov na změnu klimatu každá možnost, které vede ke snížení energetické náročnosti budovy a zlepšení komfortu bydlení, stojí za zvážení. Využití těžkých konstrukcí, jako jsou systémy HELUZ MIAKO a HELUZ PANELY, u cihelných staveb je jednou z možností. Kromě pasivních solárních zisků v otopném období a zlepšení tepelné stability v letním období tyto systémy nabízejí i další benefity v podobě mechanické stability, zvýšení odolnosti a zajištění dlouhodobé neměnnosti svých vlastností a trvanlivosti. A právě proto je vhodné tyto systémy využít pro konstrukce budov, které stavíme na dlouho dobu.

Podle podkladů společnosti HELUZ

POUŽITÉ ZDROJE