SMER PRÚDENIA TEPLA V STAVEBNEJ KONŠTRUKCII
Z vedeckých článkov na weboch alebo z bežných vedeckých prác, konkrétne z ich teoretickej časti, sa môžeme dozvedieť, že teplo sa šíri všetkými smermi v 3D priestore. Popísal to Fourier diferenciálnou rovnicou, ktorú môžeme vidieť na obrázku 1, kde sú uvedené rovnice pre osi X, Y a Z v elemente s rozmermi dx, dy, dz. Nebojte sa, riešiť ju v článku nebudem; bolo by to zbytočné pre to, čo chcem v článku vysvetliť. Len som chcel, aby sme videli, že teplo sa nešíri iba kolmo cez stenu, ale aj vodorovne sprava doľava a zvislo zdola hore.
Článok bude riešiť “polopatisticky,” aké dôsledky má tento fakt (3D šírenie tepla) v praxi. Úvodom si pripomeňme, že v stavebníctve sa používajú prevažne tuhé materiály (okrem vzduchu v medzerách), kde nepredpokladáme pohyb hmoty/média v konštrukcii. Je to logické, keďže nám ide o zachovanie tvaru stavby.
Tu by som sa ale chcel zastaviť a poukázať na zaujímavý príklad, kedy je všetko inak. Ide o 2-plášťový stan, ktorého vzduchová medzera a vetru odolná vonkajšia vrstva vytvárajú veľmi zaujímavú konštrukciu, ako nižšie uvidíme. Táto konštrukcia je skutočne „zvláštna,” pretože ak by sme si spočítali tepelný odpor týchto dvoch tenkých látok a vzduchu medzi nimi, hodnota R by bola taká nízka, že ak povieme, že je nulová, nebudeme ďaleko od pravdy. Napriek tomu sa stan správa, akoby mal po obvode významnú tepelnú izoláciu.
Zo spomínaných rovníc vyplýva, že smer šírenia tepla závisí od rozdielu teplôt (vyjadruje to člen ), pričom čím je rozdiel teplôt vyšší, tým väčší je tok tepla v smere, kde je tento rozdiel najväčší. Keďže najväčší rozdiel teplôt býva zvyčajne medzi exteriérom a interiérom, predpokladáme, že teplo sa šíri hlavne (>95 %) z interiéru smerom von, a v lete naopak. To znamená, že v praxi sa ani my, ani normy nezaoberajú prúdením tepla zvislo alebo sprava doľava. Toto platí pre normálny stav.
Ako môžeme vidieť na obrázku 2, do steny môžeme experimentálne vložiť napríklad vodu alebo vzduch, čo sú tekutiny, ktoré sa pri zahrievaní začnú „hýbať.” V tom prípade nemôžeme uvažovať s tým, že teplo sa šíri iba z interiéru do exteriéru, ale aj smerom hore k streche, čím sa prestup smerom do exteriéru výrazne zníži a tepelné straty tiež.
Podobný princíp sa často využíva v 2-plášťových hrncoch na varenie, ktoré majú medzi dvojitým plášťom napríklad glycerín, ktorý rozvádza teplo po „celej” ploche hrnca. Jedlo sa zohrieva cez väčšiu plochu a rovnomerne. Na tomto príklade vidíme, že hoci oheň horí iba pod spodným plášťom hrnca, teplo neprechádza do hrnca iba cez túto plochu. Teplo sa po stenách hrnca vedie všetkými smermi, a hrniec ho vyžaruje jednak do jedla, jednak do priestoru, kde vzniká teplo. Z pohľadu rodinného domu by týmto priestorom, kde vzniká teplo, bol interiér domácnosti.
Iným podobným príkladom je napríklad stena so vzduchovou medzerou. Vzduch v medzere sa od teplej vnútornej steny zohreje a začne stúpať smerom hore, lebo jeho hustota sa zníži a preto sa snaží dostať vyššie, podobne ako teplovzdušný balón. Ako vzduch stúpa, tepelnú energiu premieňa na pohybovú, až napokon schladne na teplotu okolia a prestane sa pohybovať. V stenách s vzduchovými medzerami preto vyšetrujeme, či sa vzduch pohybuje alebo nie, aby sme vedeli, či máme uvažovať s premiestňovaním tepla.
Vo všeobecnosti platí, že ak sa vzduch v medzere pohybuje, tepelná vodivosť medzery narastá. Inak povedané, tepelnoizolačné schopnosti vzduchovej medzery sa zhoršujú so zväčšovaním hrúbky medzery. Toto by však platilo iba v prípade, že neuvažujeme šírenie tepla žiarením (ktoré v tejto úvahe vynechávame). Predpokladajme teda, že táto všeobecná myšlienka platí a so zväčšovaním hrúbky vzduchovej medzery sa zhoršujú aj jej tepelnoizolačné vlastnosti.
Čo vieme o teple?
- Teplo sa šíri vždy od teplejšieho miesta k chladnejšiemu a nikdy nie naopak!
- Teplo sa šíri tým rýchlejšie, čím vyšší je rozdiel teplôt!
- Teplo sa šíri cestou najmenšieho tepelného odporu!
- Teplo sa šíri vedením cez materiál, žiarením skrz materiály a látky alebo žiarením povrchu, a prúdením tekutín (plynov a kvapalín).
- Príroda sa snaží všetko uviesť do rovnováhy a teploty vyrovnať.
Add1.
Tento zákon by sa dal vysvetliť tak, že vždy môžeme brať len odtiaľ, kde niečo je. Ak je stav tepla vyšší ako stav chladu, tak stav tepla je viac a stav chladu menej.
Add2.
Tento zákon môžeme ilustrovať na princípe potoka: ak potok tečie z vyššieho miesta na nižšie, tečie tým rýchlejšie, čím je klesanie strmšie. To isté platí pre teplo, pričom strmosť je daná rozdielom teplôt.
Pri tomto bode sa zastavím a skúsim vysloviť hypotézu: Predstavme si, že máme stenu, kde je v exteriéri 0°C, ale táto stena zasahuje aj do mraziaku s teplotou -5°C. Kam by sa teplo z teplého interiéru „rozhodlo“ prednostne „vybrať“? Podľa tohto zákona by sa teplo snažilo „ísť“ hlavne do mraziaku, kde je -5°C.
Princíp môžeme vidieť aj na obrázku 3, kde teplo putuje z interiéru (24°C) do exteriéru (0°C), pričom obchádza zvislú tepelnú izoláciu, aby sa čo najskôr dostalo do chladného miesta. Príroda sa jednoducho snaží všetko uviesť do rovnováhy!
Add3.
Tento zákon v prírode platí takmer všade. Aj človek sa často rozhodne konať tak, aby šiel cestou menšieho odporu ;-). A nielen človek, ale aj elektrický prúd alebo akákoľvek iná energia.
Najlepšie sa tieto zákony vysvetľujú na vode, lebo s ňou máme všetci skúsenosti a vieme si predstaviť, čo sa s ňou deje. Ak by sme mali sud s vodou a urobili do jeho plášťa v rovnakej výške jednu veľmi veľkú dieru a druhú malinkú dieru, všimli by sme si, že keď sa hladina priblíži k týmto dieram, voda by sa nakláňala k veľkej diere. Teplo sa správa podobne – vždy sa „vyberie“ cestou, kde je odpor nižší. Môžeme to vidieť aj na obrázku č. 3.
Na obrázku 3 vidíme šípky, ktoré prechádzajú z teplého interiéru do chladnej zeme až von do chladnejšieho exteriéru. Vidíme, že šípky by síce chceli prejsť cez zvislú tepelnú izoláciu, ale „podlezú“ ju a „vystrelia“ k chladnému exteriéru, lebo tam je cesta ľahšia.
Na príklade s hrncom si môžeme prakticky overiť, či sa teplo šíri tak, ako som popisoval. Ak však doma nemáme veľký hrniec, tento efekt môžeme pozorovať aj na prúdení vzduchu nad horúcim radiátorom. Na podobnom princípe fungujú rôzne teplovzdušné hračky (obr. 4).
Obr. 4 – Vrtuľka poháňaná teplom zo sviečok. Takto si už asi každý vie predstaviť, ako sa teplo šíri prúdením.
Add4.
Žiarenie je pre nás neviditeľný spôsob šírenia tepla. Nedokážem ho vysvetliť tak jednoducho ako predchádzajúce zákony, ale platí, že žiarenie sa šíri fotónmi, ktoré sú také malé, že prechádzajú pevnými materiálmi, niekedy sa od nich odrážajú a niekedy v nich aj uviaznu. Je to podobné, ako keď sa človek prediera davom – niekedy ním prejde, niekedy nie a niekedy sa do davu ani nedostane. Takto sa šíri fotón v priestore.
Vedenie tepla nemusím podrobne popisovať, lebo ho všetci dobre poznáme. V tomto článku sa budem venovať najmä prúdeniu tepla v stene.
Add5.
Ide o základný zákon vesmíru a azda aj o filozofický princíp, že všetko chce byť v rovnováhe a pokoji. Uvediem jeden bežný omyl laikov o rekuperáciách. Mnohí si myslia, že ak z interiéru prúdi výmenníkom vzduch o teplote 24°C a z exteriéru vzduch o teplote 0°C, tak má rekuperácia 100% účinnosť, keď sa vzduch z 0°C ohreje vo výmenníku až na 24°C.
To je však omyl. Podľa zákona č. 5 sa pri 100% účinnosti teploty oboch vzduchov vyrovnajú a výsledná teplota dosiahne rovnováhu, ktorá by bola 12°C.
Ako zmeníme smer prúdenia tepla v stavebnej konštrukcii?
Ak by sme si na pomoc zobrali vyššie uvedených 5 základných zákonov a zamysleli sa nad nimi, mohli by sme dospieť k tomu, že na zmenu smeru prúdenia tepla je potrebné urobiť nasledovné:
- Zmeniť polohy dvoch rôznych teplôt,
- Zabezpečiť rozdiel teplôt na miestach, kde chceme, aby teplo prúdilo,
- Znížiť odpor v smere, kam chceme, aby teplo prúdilo,
- Využiť prúdenie ako spôsob šírenia tepla,
- Snažiť sa o čo najmenší rozdiel teplôt, aby príroda nemusela vynaložiť veľa energie na ich vyrovnanie.
Štvrtý bod sa zdá byť v rozpore s druhým, ale nie celkom – naším hlavným cieľom je nemať žiadny rozdiel teplôt, lebo ak rozdiel teplôt nebude existovať, teplo sa vedením neprenesie a nestratíme ho.
V zime je najväčší rozdiel teplôt medzi vnútorným prostredím a vonkajším vzduchom, napríklad 24°C v interiéri a -20°C vonku – rozdiel 44°C. V lete môže teplota povrchu stavby dosahovať až 90°C, zatiaľ čo v interiéri si želáme okolo 21°C, čo predstavuje rozdiel takmer 70°C. Na akú situáciu by sme sa mali pripraviť viac – na leto alebo zimu? Tvrdím, že na leto, keďže hnacia sila prúdenia tepla je v lete vyššia (70°C) než v zime (44°C), hoci tropických dní je počas roka menej než zimných.
Zamerajme sa preto na zimu…
Väčšinu roka je rozdiel teplôt jasný, a teda aj smer prúdenia tepla: vždy z interiéru von. Ako docielime, aby teplo prúdilo iným smerom bez vynaloženia dodatočnej energie? Možno by sme mohli využiť gravitáciu a prúdenie vzduchu alebo vody v stene. Vieme teplo stenou „donútiť“ prúdiť aj iným spôsobom? Odpoveď je áno.
Ešte raz si pripomeňme 5 zákonov:
- Teplo sa šíri vždy od teplejšieho miesta k chladnejšiemu a nikdy nie opačne!
- Čím vyšší je rozdiel teplôt, tým rýchlejšie sa teplo šíri!
- Teplo sa šíri cestou najmenšieho tepelného odporu!
- Šíri sa vedením cez materiály, žiarením skrz materiály a prúdením tekutín (plyny a kvapaliny).
- Príroda sa snaží vyrovnať teploty a udržať rovnováhu.
Add1. – Vytvorenie nového chladného miesta
Ak by sme chceli v dome vytvoriť ešte iné chladné miesto okrem exteriéru, bolo by to energeticky nevýhodné. Jedno miesto však môžeme využiť – hlina pod domom.
Hlina pod domom… Ak ju dostatočne izolujeme pred ochladzovaním, môže slúžiť ako úložisko tepla. Ak teplo donútime prúdiť týmto smerom namiesto stien a strechy, môžeme hovoriť o zmene smeru prúdenia tepla. Tento smer zmeníme hlavne uplatnením 3. zákona – teplo sa šíri cestou najmenšieho odporu. Tepelný odpor podlahy znížime tak, že do nej nedáme tepelnú izoláciu, čím teplu vytvoríme „priamu cestu“ do zeme.
Iné miesto v dome, kde by sme tento princíp mohli využiť, prakticky neexistuje.
Add2. – Prípad hliny pod domom
Tento princíp súvisí s využitím hliny pod domom. Podobný príklad je stena zasahujúca do mraziaku, ale v bežnom dome takúto situáciu nechceme využívať…
Add3.
Tento zákon v prírode však platí asi všade. Aj človek sa väčšinou rozhodne konať tak, aby šiel cestou menšieho odporu ;-). A nielen človek, ale aj elektrický prúd alebo akákoľvek iná energia. Najlepšie sa mi tieto zákony vysvetľujú na vode, lebo s ňou máme všetci skúsenosti a vieme si predstaviť, čo sa s ňou deje. Ak by sme mali sud s vodou a urobili do plášťa sudu v rovnakej výške na jednej strane veľmi veľkú dieru a na druhej strane veľmi malinkú dieru, tak by sme si mohli všimnúť, že keď sa hladina priblíži k týmto dieram, hladina vody by sa nakláňala k veľkej diere. Takto isto sa správa aj teplo a vždy sa „vyberie“ radšej cestou, kadiaľ je cesta „ľahšia“. Môžeme si to všimnúť aj na obrázku č. 3.
Na obrázku 3 vidíme šípky, ktoré prechádzajú z teplého interiéru do „chladnej“ zeme až úplne von do ešte chladnejšieho exteriéru. Vidíme, že šípky by síce chceli prejsť cez zvislú tepelnú izoláciu, ale „akonáhle zistia“, že inde je „ľahšia“ cesta, tak sa proste „vydajú“ inou cestou a tepelnú izoláciu „podlezú“ a „vystrelia“ prudko hore k chladnému exteriéru.
Na príklade s hrncom si vieme všetci v praxi vyskúšať, či sa teplo naozaj šíri v hrnci tak, ako som popisoval alebo nie. Ak doma nemáme veľmi veľký hrniec, môžeme si tento efekt všimnúť napríklad na prúdení vzduchu nad horúcim radiátorom. Na podobnom princípe fungujú aj rôzne teplovzdušné hračky (obr. 4).
Obr. 4. – vrtuľka poháňaná teplom zo sviečok. Čiže teraz si už asi každý vie predstaviť, ako sa teplo šíri prúdením.
Add4.
Žiarenie je pre nás neviditeľný spôsob šírenia tepla. Nedokážem ho vysvetliť tak jednoducho ako zákony predtým. Ale platí, že žiarenie sa šíri fotónmi, ktoré sú také malé, že prechádzajú aj pevnými materiálmi, niekedy sa od nich odrážajú a niekedy v nich aj uviaznu. Je to niečo ako keď sa človek prediera davom. Niekedy ním prejde, niekedy nie a niekedy sa do davu ani len nedostane. Takto nejako sa šíri fotón v priestore.
Vedenie tepla popisovať nemusím, lebo to všetci dobre poznáme. A v tomto článku sa budem venovať hlavne prúdeniu tepla v stene.
Add5.
Ide o základný zákon vesmíru. A asi aj o základný filozofický princíp, že všetko chce byť v rovnováhe a v pokoji. Tu by som uviedol základný omyl, ktorý si laici myslia o rekuperáciách. Laik si myslí, že ak z interiéru prúdi výmenníkom vzduch o teplote povedzme 24 °C a zvonka prúdi do výmenníka vzduch o teplote 0 °C, tak rekuperácia má vtedy 100 % účinnosť, ak sa vzduch 0 °C ohreje vo výmenníku až na 24 °C. To je však veľký omyl, lebo podľa tohto zákona č. 5 sa pri 100 % účinnosti teploty oboch vzduchov proste vyrovnajú. Dajú sa do rovnováhy a tou rovnováhou je výsledná teplota 12 °C.
AKO ZMENÍME SMER PRÚDENIA TEPLA V STAVEBNEJ KONŠTRUKCII?
Ak by sme si na pomoc zobrali 5 základných zákonov a zamysleli by sme sa nad nimi, zistili by sme, že ak chceme zmeniť smer prúdenia tepla, musíme urobiť nasledovné:
- zmeniť polohu dvoch rôznych teplôt
- zabezpečiť rozdiel teplôt na miestach, kde chceme, aby teplo prúdilo
- znížiť odpor v smere, kam by sme chceli, aby teplo prúdilo
- využiť jeden zo spôsobov šírenia tepla, v tomto prípade prúdenie
- minimalizovať tepelné straty zmenšením rozdielu teplôt, aby príroda nemusela na vyrovnanie teplôt vynaložiť veľa energie
Štvrtý bod sa zdanlivo bije s bodom 2., ale naším hlavným cieľom je nemať žiadny rozdiel teplôt, pretože ak rozdiel teplôt neexistuje, teplo nemôže prúdiť vedením a tým pádom by sme z interiéru teplo nestrácali.
Rozdiel teplôt je najväčší v zime medzi vnútornou teplotou (napr. 24°C) a vonkajším vzduchom (-20°C), čo je 44°C rozdiel. V horúcom lete teplota plášťa stavby dosahuje až 90°C, zatiaľ čo interiér má ideálne 21°C – rozdiel takmer 70°C.
Otázka teda znie: na ktorú situáciu sa pripraviť viac? Na leto alebo na zimu? Teplo sa poháňa silnejšie v lete (70°C) než v zime (44°C), no tropických dní je počas roka len pár desiatok, zatiaľ čo zima trvá viac ako 200 dní. Zamerajme sa preto na zimu.
Rozdiel teplôt a smer, ktorým teplo prúdi, sú zvyčajne jasné – z interiéru do exteriéru. Ako donútime teplo prúdiť iným smerom bez energie? Môžeme využiť gravitáciu, vzduch alebo vodu v stene.
5 zákonov šírenia tepla:
- Teplo sa šíri vždy od teplejšieho miesta k chladnejšiemu.
- Teplo sa šíri tým rýchlejšie, čím vyšší je rozdiel teplôt.
- Teplo sa šíri cestou najmenšieho odporu.
- Teplo sa šíri vedením cez materiál, žiarením cez materiály a prúdením tekutín (plyny a kvapaliny).
- Príroda sa snaží všetko uviesť do rovnováhy a teploty vyrovnať.
Add1. Ak by sme chceli vytvoriť ešte jedno chladné miesto okrem exteriéru, bolo by to nevýhodné. Existuje však jedno miesto, kam by sme vedeli teplo donútiť „ísť“ tak, aby to pre nás bolo výhodné – hlina pod domom.
Hlina pod domom
…je miesto, ktoré, ak ho dobre zabezpečíme pred ochladnutím, môže slúžiť ako úložisko tepla. Teplo z interiéru môžeme viesť do hliny namiesto do stien a strechy. Zmenu dosiahneme uplatnením 3. zákona – šírenie cestou najmenšieho odporu. Ak do podlahy nedáme žiadnu tepelnú izoláciu, znížime odpor podlahy a teplu „ukážeme cestu.“
Add3. Princíp 3. zákona ukazuje, že extrémne vysoká vodivosť materiálu (napr. grafénová stena s vodivosťou 5000W/m.K) umožní teplu šíriť sa rýchlo po celej ploche steny, čím stena vykuruje interiér až kým sa teploty nevyrovnajú. Uplatníme 5. zákon – vyrovnanie teplôt.
Praktický význam: Podľa 1. a 2. zákona sa teplo šíri vždy z teplejšieho miesta na chladné a rýchlejšie, čím vyšší je rozdiel teplôt.
Add4. Od nehybnej steny prechádzame k pohyblivej stene.
Pohyblivá stena
…je stena, v ktorej teplo prúdi v tekutom médiu a je „unesené“ z miesta zdroja tepla na iné miesto, kde sa dá užitočne využiť.
Na obr. 2 som naznačil, ako by vodná stena mohla vyzerať.
Čo je cieľom v stene s pohyblivým médiom?
Najideálnejší cieľ je jednorazovo zohriať médium v stene a nechať ho rotovať aj s teplom okolo interiéru v plášti stavby čo najdlhšie. Tento stav, aj keď ho nie je možné udržať donekonečna, sa snažíme maximalizovať.
Využitie princípu pohyblivého média:
Príklad:
Predstavme si, že voda v stene sa ohreje a stúpa k streche. Keď sa tam hromadí teplá voda, umiestnime veľký výmenník tepla, ktorý z prehriatej vody odoberie teplo. Toto teplo následne ohreje teplú úžitkovú vodu pre domácnosť. Predpoklad: teplá voda vystúpi k streche s dostatočným teplom, skôr než ho odovzdá exteriéru, aby sme ho mohli využiť na domáce potreby.
Iný príklad:
Keď vykurujeme dom, teplo uniká cez steny do exteriéru, kde sa rozplynie. Ideálna situácia by bola, keby za stenou existoval rezervoár tepla, kde by sa ukladalo a využívalo pre dom v zime. Podobný princíp ukazuje labyrint pod základmi (obr. 5 a 6), kde teplo, ktoré sa dostane pod podlahu, je vrátené rekuperáciou späť do domu.
Na obr. 6 vidíme, že pod základmi domu je dutina, v ktorej prúdi chladný vzduch. Do dutiny vstupuje teplo zo Zeme (ohrievajúce vzduch na asi 12°C) aj teplo z interiéru. Bez dutiny by sa teplo stratilo v hline, ale vďaka odsávaniu ho opäť využijeme na vykurovanie.
Voda okolo stavby je nereálny nápad, ktorý skúšal pán z Nórska – obložil dom hadicami na podlahové kúrenie, aby v zime využíval teplo z podzemia a v lete ho odoberal na ohrev TUV.
Môj nápad bol iný, a úspešne som ho otestoval v zemnom labyrinte pod základmi. Ak by sme vytvorili dutinu okolo celej stavby, mohli by sme znovu využiť odpadové teplo z domu spolu s teplom zo Zeme.
Ako to realizovať som vyriešil a úspešne používam niekoľko rokov. Tento systém využívate už mnohí z vás, aj keď o tom neviete… ale o tomto bude ďalší článok.
