DREVO
Vo viacerých článkoch a určite aj vy všetci ste zistili, že dopátrať sa vlastností stavebných materiálov je niekedy taký istý „boj“ ako si postaviť rodinný dom. Pre niektoré materiály je priam až nemožné
tieto vlastnosti získať ani po opakovaných žiadostiach adresovaných na predajcu alebo priamo na výrobcu.
Preto by som chcel týmto článkom priblížiť a objasniť ako je to vlastne s tými vlastnosťami a čomu môžeme a čomu by sme možno nemali veriť. Veriť by sme určite mohli mernej hmotnosti, ktorú si vieme overiť v podstate aj sami doma. Veriť by sme mohli asi aj lambde nakoľko ide o údaj dosť významný v stavebníctve, respektívne ja pevne dúfam, že lambde veriť môžem (W/m.K).
V Termodynamike a obzvlášť v stavebníctve je jeden parameter veľmi dôležitý no málo poznaný.
Ide o mernú tepelnú kapacitu materiálu. Merná tepelná kapacity sa vyskytuje vo všetkých serióznejších výpočtoch pre zistenie významných vlastností stavebných materiálov ako sú:
- tepelná príjmavosť (efuzivita)
- tepelná zotrvačnosť
- fázový posun teplotného kmitu
- akumulácia tepla
- a mnoho iných
Overme si teda ako to je s tepelnou kapacitou a s lambdou niektorých tepelných izolácií pri ktorých
výrobcovia vsádzajú na tepelnú kapacitu.
- MERNÁ TEPELNÁ KAPACITA TEPELNÝCH IZOLÁCIÍ
Aby sme mohli vypočítať špecifickú (alebo mernú) tepelnú kapacitu tak najskôr musíme určiť koľko
pôvodného materiálu sa v tepelnej izolácii a koľko sa v nej nachádza vzduchu. Jednoducho musíme
zistiť ich pomer, ktorý voláme pórovitosť. Tento pomer potrebujeme preto, lebo pomer tepelných
kapacít vzduchu a pôvodného materiálu nám udáva priemernú hodnotu tepelnej kapacity
výslednej zmesi.
Myslím, že každému je jasné, že ak do miestnosti vložím malú kocku ľadu, že miestnosť nebude mať
tepelnú kapacitu tohto ľadu ale výsledná tepelná kapacita sa bude skladať z pomeru tepelných
kapacít všetkých materiálov v miestnosti.
S mernou tepelnou kapacitou operujú hlavne predajcovia celulózy alebo drevo-vlákna.
1.-1. Drevovláknitá tepelná izolácia
Vybral som si náhodne tzv. fúkanú drevovláknitú drť a výrobca udáva nasledovné (obrázok):
- hustota priemerne 39kg/m3
- lambda priemerná 0,0385 W/m.K
- a merná tepelná kapacita 2100J/kg.K
Obr. PrintScreen stránky predajcu
Teraz si vypočítajme pórovitosť tejto tepelnej izolácie podľa jednoduchého vzorca
Kde členy znamenajú nasledovné:
P- pórovitosť
λdry – λ suchej tepelenj izolácie
λmat – λ pôvodného materiálu
λvz – λ vzduchu = 0,025W/m.K
Drevovláknitá izolácia ako nám názov napovedá je tvorená dreveným vláknom ktoré je „nadýchané“ vzduchom. Aby sme mohli vypočítať pórovitosť tak potrebujeme vedieť vlastnosti najzákladnejšej drevnej hmoty, ktorá sa nazýva tzv. drevná substancia.
Parametre drevnej substancie sú nasledovné:
– hustota = 1540 kg/m3
– merná tepelná kapacita = 3700 J/kg.K
– lambda λ = 0,43 W/m.K
Obr. Výpočet pórovitosti drevovláknitej drte použitím dát výrobcu
Čiže vidíme, že v drevo-vláknitej drti je 97,5% vzduchu.
Na výpočet použijem už vyrobenú kalkulačku v exceli kde si jednak overíme lambdu ale aj vypočítame mernú tepelnú kapacitu z pórvitosti 97%.
Obr. Overenie lambdy vzhľadom na hustotu materiálu a výpočet mernej tepelnej kapacity výslednej zmesi drevná substancia + vzduch.
V obrázku vidíme pórovitosť tepelnej izolácie inú. Jej hodnota je iba 96,79% ale vo výpočte pórovitosti sme mali 97,5%. Rozdiel vznikol preto lebo výrobca pravdepodobne neuvádza správne hodnoty hustoty alebo lambdy tepelnej izolácie nakoľko táto kalkulačka prepočítava pórovitosť tepelnej izolácie z pomerov STV drevnej substancie a vzduchu. Je však možné že som pre vzduch nemal zadať lambdu 0,025W/m.K ale inú hodnotu.
V každom prípade 97,5% a 96,79% sú veľmi blízke hodnoty a chyba je v tomto prípade odpustiteľná.
Výpočet však odhalil zaujímavé zistenie a to, že pri zadaných parametroch lambdy a hustoty (ktoré si vieme overiť) výrobca udal nesprávnu mernú tepelnú kapacitu.
Ako mohlo dôjsť k tak obrovskému rozdielu? Veď výrobca udáva 2100J/kg.K a nám vychádza priemerná tepelná kapacita Tepelnej izolácie (TI) 1135J/kg.K. Táto zmena by však znamenala že drevovláknitá tepelná izolácia nedosahuje reálne tie fázové posuny teplotných kmitov a tie relaxačné doby ktoré výrobcovia tvrdia že ich TI dosahujú. Čo to pre vás investorov znamená nejdem detailne rozoberať, myslím že každý si vie odpoveď nájsť sám, a určite nikto nebude súhlasiť s cenami, ktoré pri novom zistení predajcovia od nás investorov žiadajú.
Ako mohlo dôjsť k tejto chybe?
Tu si musím predajcov zastať, lebo oni sú v podstate laici a nie je v ich možnostiach si overiť či výrobca hovorí alebo nehovorí pravdu v parametri tepelnej kapacity nakoľko tu už ide vyššiu úroveň poznania termodynamiky a tá sa od predajcu bežne neočakáva.
Prečo potom výrobca udáva hodnotu ktorá nie je reálna?
Podľa mňa preto, lebo výrobcu žiadna vyhláška nenúti merať mernú tepelnú kapacitu pre každú hustotu materiálu, a preto dodáva výrobca tepelnú kapacitu podobného materiálu v pevnom stave a pre drevo-vlákno je týmto referenčným materiálom drevo (okolo 1200-2700J/kg.K). Lenže ani s drevom to nie je úplne tak ako by sa zdalo…
Norma STN 73 0540-3 udáva pre mäkké drevovláknité dosky s hustotou 230kg/m3 mernú tepelnú kapacitu = 1380J/kg.K.
Tejto hodnote by sa dalo veriť vzhľadom na to čo nám ukázal zjednodušený výpočet.
Výpočet je zjednodušený preto, lebo v ňom uvažujeme že tepelná izolácia je suchá. No čím je TI pórovitejšia, tým je aj viac nasiakavejšia a možno sa domnievať že nie všetky vzorky sú vždy suché a nie vždy je plynom iba vzduch. Ale to je iba môj názor.
1.-2. Sklená vlna
Skontrolujme si teraz napríklad sklenenú vlnu. Bežné hodnoty bývajú takéto nejaké:
– lambda okolo 0,036
– hustota býva okolo 20kg
– tepelná kapacita býva okolo 1000J/kg.K
Obr. Výpočet pórovitosti sklenej vaty
A teraz sa pozrime na výpočet pórovitosti z pomeru STV.
Obr. Kontrola pórovitosti a mernej tepelnej kapacity
Ako vidíme tak pri sklenej vate je všetko vporiadku.
Možno už niektorí začíname tušiť prečo je pri drevenej TI problém s mernou tepelnou kapacitou a pri sklenej vate nie.
Pozrime sa teda napríklad na tvárnicu porobetón. Bežné hodnoty bývajú takéto:
– lambda okolo 0,14 až 0,17
– hustoty sa hýbu v rozmedzí 400-600kg/m3
– a tepelné kapacity okolo 1000J/kg.K
Ak zvážime že vzduch alebo CO2 ktorý je v porobetóne obsiahnutý majú tepelnú kapacitu tiež okolo 1000J/kg.K tak logicky výsledná tepelná nebude iná.
Lambdy niektorých tuhých materiálov ktoré tvoria základnú zložku tepelných izolácií:
– Polystyrén tuhý – má lambdu = 0,15
– Sklo = 0,76
– Polyetylén = 0,35
– piesok kremičitý = 0,8
atd
Vzhľadom na hodnoty lambdy tepelných izolácií bude vždy pomer vzduchu v TI vysoký a teda tepelná kapacita výslednej TI sa bude vždy viac menej blížiť k mernej tepelnej kapacite vzduchu alebo CO2 ktorý býva v niektorých TI ako zložkou pórov – napríklad PUR pena.
Môj osobný názor na parametre tepelných izolácií, špeciálne mernej tepelnej kapacity by som rozdelil na dve skupiny:
– syntetické stavebné materiály
– prírodné stavebné materiály
Mám názor, a pozorovaním sa mi potvrdil, že pri syntetických stavebným materiáloch ako sú:
– polystyrén
– sklená vata
– porobetonové tvárnice
– rôzne stavebné hmoty
– atd
…sa pri uvedení na trh museli vykonať rozsiahle a podrobné skúšky ktoré ukázali skutočné parametre týchto materiálov, kým prírodné stavebné tepelné izolácie ako napríklad:
– drevovlákno
– celulóza
– konope
– a podobne
…sa podrobné skúšky vykonávali iba na zistenie tepelnej vodivosti, horľavosti, difúznych vlastností a podobne, ale špecifickú tepelnú kapacitu nemeral nikto a iba sa prevzala z pôvodného materiálu ktorého tepelná kapacita je sto rokov známa.
Preto pri drevenej tepelnej izolácii nevychádzajú hodnoty tak ako by mali, a podobne nebudú vychádzať ani pri ostatných.
Náhodne vyberiem napríklad ľahké konope kde dodávateľ udáva tepelnú kapacitu až 2500J/kg.K, čo je naozaj nezmysel ak uvážime že lambda toho materiálu je niekde na úrovni 0,04W/m.K a teda pórovitosť alebo vzdušnosť takejto TI bude okolo 85-99% čiže výsledná tepelná kapacita musí byť opäť podobná tepelnej kapacite vzduchu (okolo 1000-1050J/kg.K).
Ďalšou veľkou témou ktorá ma zaujíma je tepelná kapacita rôznych drevín.
- MERNÁ TEPELNÁ KAPACITA DREVA
Pochybnosti o reálnosti údajov o dreve vo mne vzbudili diametrálne odlišné merné tepelné kapacity (skratka MTK) v rôznych tabuľkách. Pre drevo nadobúdali hodnoty od 1200J/kg.K až po 2700 a niekde až 3000J/kg.K.
Sú tieto hodnoty reálne, a ako je to s nimi?
Obr. Rôzne dreviny a ich tepelné kapacity podľa medzinárodnej databázy materiálov
Na obrázku v tabuľke vidíme hodnotu pre smrek 1255J/kg.K kým norma STN 73 0540-3 uvádza pre mäkké drevo 2510J/kg.K čo je hodnota 2x vyššia. A podobne je to s viacerými materiálmi.
Rozhodol som sa preto urobiť pokus a skúsiť si zoradiť dreviny podľa hustoty a lambdy a skúsiť spočítať hodnoty tepelnej kapacity.
Ako prvé som si vybral Smrek:
– s hustotou 400kg/m3 ako je uvedené v STN. Ak si všimneme tak v medzinárodnom katalogu je uvedená hustota 410kg/m3 čiže veľmi podobná našej norme.
– lambda je podľa našej normy záhadne zvolená pre drevo v exteriéri = 0,18W/m.K a pre drevo používané v interiéri = 0,15W/m.K. Norma asi predpokladá vyššiu vlhkosť dreva v exteriéri. No termodynamika ukazuje že lambda s teplotou klesá čiže by som skôr očakával lambdu okolo 0,13W/m.K ako udáva medzinárodný katalog materiálov.
– tepelnú kapacitu udáva medzinárodný katalog = 1255J/kg.K a naša norma 2510J/kg.K
Ešte raz uvediem hodny drevnej substancie:
– hustota = 1540 kg/m3
– merná tepelná kapacita = 3700 J/kg.K
– lambda λ = 0,43 W/m.K
Ako vidíme pórovitosť vychádza asi 74%. Tu musím však uviesť že suché drevo prakticky nikdy neexistuje v stavbe. Ale predpokladajme že áno.
Skontrolujme pomer hodnôt lambda a uvidíme aká bude merná tepelná kapacita.
Obr. Porovnanie pórovitosti z hodnôt lambda a výpočet mernej tepelnej kapacity
Z výpočtu som prekvapený, lebo pórovitosti sa zhodujú takmer dokonale: 74,086% a 74,074%.
Vidíme že merná tepelná kapacita vyšla 1737J/kg.K čo je bližšie medzinárodnému katalogu (1255J/kg.K) ako ku našej norme (2510J/kg.K). Môj osobný názor je, že vypočítaná hodnota bude asi najbližšie k pravde.
Ako som písal vyššie, tak klasické drevo nikdy nie je suché, a to aj vtedy keď sa nám suché zdá. O jeho suchosti hovorí diagram N. N. Čulického (tzv. Čulického diagram.
Z diagramu vieme odčítať akú vlhkosť má drevo pri nejakej teplote a relatívnej vlhkosti. Tak napríklad drevo v interiéri pri teplote 20°C a relatívnej vlhkosti 55% má drevo objemovú vlôhkosť 12%. Ak do výpočtu tepelnej kapacity a lambdy vložíme parametre vody a vlkosti tak sa všetko zmení.
Obr. Čulického diagram
Zmena lambdy a tepelnej kapacity dreva pri vlhkosti 10%
Na obrázku pozorujeme zaujímavé čísla. Napríklad to že lambda sa zmenila na 0,18W/m.K čo by sedelo s hodnotou uvedenou v STN (predpokladajme že niekto kto rozsiahlu tabuľku v norme si pomýlil stĺpce, čo mne osobne dáva zmysel na základe už vyššie spomenutej logiky veci), a tepelná kapacita sa konečne prekonala hodnotu 2000 a konkrétne 2030J/kg.K.
Z tohto zistenia môžeme usudzovať, že naša norma uvažuje stavebné materiály a ich hodnoty pri bežnej vlhkosti.
Niekdy však drevo nemáme umiestnené vo vnútri stavby ale na exteriéri a tam môžeme uvažovať povedzme s týmito parametrami:
– teplota -10°C
– RH (vlhkosť) 85%
Potom podľa Čulického grafu by bola vlhkosť dreva asi 20% a hodnoty dreva by sa zmenili nasledovne:
Obr. Parametre dreva pri teplote -10°C a RH vzduchu 85%
Lenže lambda dreva sa zmenila na hodnotu 0,245W/m.K ale tepelná kapcita narástla na 2225J/kg.K čím sa dostávame ešte bližšie k hodnote uvedenej v STN.
V iných článkoch je uvedené nasledovné: hodnoty lambda sa menia s teplotou tak, že s klesajúcou teplotou klesá aj lambda.
Pozrime sa teda na zjednodušený prepočet lambdy dreva pri teplote -10°C
Obr. Zmena lambdy dreva pri teplote -10°C
Z obrázku vidíme, že lambda sa zmenila iba nevýrazne a to na hodnotu 0,2155W/m.K. No ak by bolo drevo obojstranne vybavené reflexnou fóliou tak hodnota lambdy by bola až 0,1699W/m.K.
Použitý prepočet na zmenu lambdy v oboch prípadoch je však iba teoretický ale naznačuje nám smer ktorým by sme sa v bádaní mali vydať.
Hodnotenie zmeny lambdy však nie je obsahom tohto článku preto nejdem vyvádzať závery.
Záver ku podkapitole
Ak sú výpočty zmeny vlastnosti správne, tak by sa mali zhodovať s nameranými hodnotami a všeobecnými grafmi. Taký graf je uvedený v obrázku nižšie. Na diagrame vidíme, že smrekové drevo pri teplote 20°C a vlhkosti 20% má podľa experimentálnych meraní vlhkosť asi 2200J/kg.K. Táto hodnota sa zhoduje aj s naším výpočtom čiže skúška ukázala, že výpočet mernej tepelnej kapacity je veľmi presný a podobný realite a môžeme ho použiť na ďalšie výpočty čomu sa budeme venovať v 3 kapitole.
Obr. Trinárny diagram smrekového dreva – závislosť mernej tepelnej kapacity na vlhkosti a teplote.
- PREPOČET PARAMETROV PRÍRODNÝCH TEPELNÝCH IZOLÁCIÍ
Z predchádzajúceho sme zistili že prepočet ktorý som pripravil na základe dostupných teoretických vstupov je pravdepodobne presný. A na základe toho by sme mohli spätne spočítať skutočné parametre TI v skutočných podmienkach a zvlášť pre leto a pre zimu.
3.-1. Leto
Podmienky:
– teplota 20°C
– relatívna vlhkosť vzduchu 65%
– hustota drevo-vláknitej tepelnej izolácie 230kg/m3
– vlhkosť TI predpokladajme suchú TI ak vyšetrujeme letný stav = 0%
Obr. Pórovitosť drevovlákna hustoty 230kg/m3
Lambda a tepelná kapacita suchého drevovláka hustoty 230kg/m3
Výpočet ukázal, že suché drevovlákno hustoty 230kg/m3 by malo mať nasledovné parametre:
– lambda okolo 0,085W/m3.K
– merná tepelná kapacita okolo 1442J/kg.K
Porovnanie:
- STN 73 0540
– lambda okolo 0,05W/m3.K
– merná tepelná kapacita okolo 1380J/kg.K
- Výrobca
– lambda okolo 0,04W/m3.K
– merná tepelná kapacita okolo 2100J/kg.K
Obr. Porovnanie parametrov medzi výpočtom, normou STN 73 0540-3, a údajom výrobcu.
3.-2. Zima
Podmienky:
– teplota -10°C
– relatívna vlhkosť vzduchu 85%
– hustota drevo-vláknitej tepelnej izolácie 230kg/m3
– vlhkosť TI asi 10kg/m3
Obr. Výpočet lambdy a mernej tepelnej kapacity (MTK) vlhkej TI s vlhkosťou 10kg vody/m3
Objem vody 10kg/m3 je štandardné množstvo vody v nasiakavých tepelných izoláciách medzi jeseňou a jarou. V danom prípade ide o 4,35% hmotnostnej vlhkosti.
Výpočet ukázal že merná tepelná kapacita sa zvýšila na 1561J/kg.K a lambda na 0,11W/m.K čo nie sú moc priaznivé čísla pr investorov ktorí vsadili na tepelnoizolačné vlastnosti vatových tepelných izolácií, lebo podobné zmeny sa dejú v každej vatovej tepelnej izolácii na svete.
Ako môžeme sami vidieť tak reálne hodnoty sa výrazne líšia ako od normových tak aj od hodnôt udávaných výrobcom, keďže norma aj výrobca zhodne udávajú hodnoty tepelnej vodivosti aj tepelnej kapacity pre zimné obdobie tak ako keby bola tepelná izolácia suchá, aj napriek tomu, že teória aj prax z difúzie vodnej pary ukazujú v experimentálnych meraniach aj v samotnej relaite, že tomu tak zďaleka nie je, ale naopak nasiakavé TI sú vo vykurovacom období suché aj keby sme mli tú najdokonalejšiu parozábranu.
Záver.
V tomto článku sme zistili niekoľko vecí ako napríklad:
– tepelné kapacity prírodných tepelných izolácií sú iné ako udávajú výrobcovia a preto by sme mali vždy každú hodnotu prepočítať na reálny stav aby sme vedeli aké parametre používať pri návrhu izolácie v súvislosti s letným chladením strechy.
– tepelné kapacity dreva sú v norme uvádzané pravdepodobne vo vlhkom stave.
– ak sú lambdy prírodných tepelných izolácií udávané v suchom stave tak ich merné tepelné kapacity sú omnoho nižšie.
– alebo ak sú merné tepelné kapacity prírodných tepelných izolácií udávané vo vlhkom stave tak potom ich lambdy sú vyššie.
Myslím si, že je načase aby zákon jednoznačne určil pravidlá ako merať vlastnosti stavebných materiálov a povrchné metodiky nahradil dôkladnejšími.