Vliv sorpce vlhkosti v konstrukcích na energetickou bilanci stavby

Vývoj energetické náročnosti staveb

Požadavky na tepelnou ochranu budov se ve vyspělých zemích zvyšují zhruba od poloviny sedmdesátých let. Z počátku se jednalo o reakci na ropné krize. V současnosti vystupuje do popředí otázka trvalé udržitelnosti a ochrana klimatu. Podle trendu v jednotlivých státech Evropské unie lze do budoucna předpokládat další zpřísnění normových požadavků. Na tento vývoj reagují i české technické normy. V nově revidované ČSN 73 0540-2:2002, která je v platnosti od prosince minulého roku byly opět zpřísněny požadavky na tepelně technické vlastnosti staveb [3].

Obr. 1 - Vývoj standardů energetické náročnosti staveb

Trend vývoje normových požadavků a srovnání se standardem pasivního domu je ukázán na obrázku 1. Z grafu je zřejmé, že doporučené hodnoty podle stávající normy se již blíží hodnotám standardu pro pasivní stavby. Bude-li současný trend poklesu energetické náročnosti pokračovat, budou v dohledné době navrhovány výhradně stavby pasivní, tj. stavby s roční spotřebou energie na vytápění nižší než 15 kWh/m². Existují již projekty návrhu evropské normy pro tepelně technický návrh pasivních staveb [2].

Vlivy zahrnované do energetické bilance stavby

Paralelně s trendem zpřísňování normových požadavků na tepelně technické vlastnosti staveb se objevuje potřeba zpřesňovat výpočet energetické náročnosti. Do normového výpočtu energetické bilance byly kromě prostupu tepla obalovými konstrukcemi postupně zahrnuty další položky: ztráty větráním, energetické zisky ze slunečního záření a tepelné zisky od osob a technických zařízení.

Počátkem sedmdesátých let byl podíl vnitřních a vnějších zisků na energetické bilanci staveb zanedbatelný. V souvislosti se zpřísňováním normových požadavků a s rozvojem optimalizace tepelně technického návrhu staveb podíl vnitřních a vnějších energetických zisků rostl. V současnosti jsou energetické zisky významnými položkami v energetické bilanci staveb navrhovaných podle normových požadavků. Existují i projekty staveb, u nichž energetické zisky jsou vyšší než spotřeba energie, tzv. nulové domy, neboli domy s nulovou spotřebou energie na vytápění.

Sorpční vlastnosti materiálů

Jedním z fyzikálních fenomenů, který je i v současných normových výpočtových postupech [5] zanedbáván, je sorpce vlhkosti ve stavebních materiálech.

Obr. 2 - Rovnovážná vlhkost dřeva v závislosti na teplotě a vlhkosti okolního vzduchu podle [10]

Na obrázku 2 je typická závislost rovnovážné vlhkosti materiálu na teplotě a relativní vlhkosti okolního vzduchu [10]. Z grafu je vidět, že při vzrůstající relativní vlhkosti vzduchu se rovnovážná vlhkost stavebních materiálů zvyšuje. Z obrázku 2 je rovněž zřejmé, že závislost na teplotě je v rozsahu obvyklých podmínek vnitřního klimatu zanedbatelná. Za normálních podmínek, kdy relativní vlhkost vzduchu nedosahuje 80 %, lze u většiny materiálů považovat tuto závislost za lineární, viz obrázek 3.

Obr. 3 - Rovnovážná vlhkost vybraných technických materiálů v závislosti na vlhkosti okolního vzduchu podle [7]
1 - křemelina, 2 - korek, 3 - cementová omítka, 4 - beton, 6 - skelná vlna, 7 - pryž, 8 - cihly, 9 - sádra

Rozsah přípustných podmínek vnitřního klimatu

Pro zajištění tepelné pohody je třeba, aby se teplota a vlhkost vnitřního vzduchu pohybovaly v určitých mezích. Rozsah přípustných podmínek závisí především na aktivitě a oblečení osob. V obytných budovách se předpokládá pouze mírná fyzická aktivita a lehký oděv v závislosti na ročním období. Podle [6] je za těchto podmínek rozsah doporučené teploty vzduchu nejméně 19 °C v zimě a nejvýše 27 °C v létě. Pro relativní vlhkost vzduchu je doporučen rozsah od 30 % do 70 %.

Energetická bilance sorpce vlhkosti

Při sorpci vlhkosti ve stavební konstrukci se uvolní teplo, které odpovídá sorpční entalpii vlhkosti v materiálu. Protože předpokládáme, že proces je vratný, je stejné množství tepla třeba k uvolnění vlhkosti z konstrukce. Sorpční entalpie je vždy vyšší než výparné teplo vody za stejných klimatických podmínek. Nejsilněji je vázána vrstva vlhkosti, která je v přímém styku s povrchem pórů v materiálu. Tomu odpovídá i největší sorpční teplo, které se uvolní při sorpci první vrstvy vlhkosti. Při sorpci dalších vrstev vlhkosti je uvolněné teplo menší, viz obrázek 3.

Vzhledem k nedostatku konkrétních údajů byla sorpční entalpie vlhkosti odhadnuta. Byl použit konzervativní odhad, předpokládá se, že sorpční entalpie je rovna výparnému teplu vody, tj. 2500 kJ/kg, je stejná pro všechny srovnávané materiály a nezávisí na obsahu vlhkosti v materiálu.

Obr. 4 - Sorpční entalpie vlhkosti

V rozsahu podmínek vnitřního klimatu uvedených výše se může rovnovážná vlhkost stavebních konstrukcí měnit až o několik procent jejich hmotnosti. U stavby o hmotnosti 200 tun může množství vlhkosti, které se ročně střídavě váže a uvolňuje ze stavebních konstrukcí, dosáhnout až 5000 kg.

Na obrázku 5 jsou porovnány vybrané materiály v tloušťkách obvyklých ve stavebních konstrukcích. Energetická bilance sorpce vlhkosti je určena jako součin výparného tepla vody a změny rovnovážné vlhkosti v rozsahu přípustných podmínek vnitřního klimatu. Ve srovnání se předpokládá, že změny vlhkosti jsou dostatečně pomalé, aby došlo k vyrovnání vlhkosti v celém objemu konstrukce na úroveň rovnovážné vlhkosti. Sorpční vlastnosti materiálů jsou převzaty z [8] a [9].

Pro porovnání jsou ve stejném obrázku uvedeny energetické bilance nízkoenergetické a pasivní varianty stavby, popis srovnávaných variant je uveden v [1]. Aby bylo dosaženo požadovaných hodnot součinitele prostupu tepla pro jednotlivé varianty stavby, jsou použity vrstvené konstrukce s tepelnou izolací na vnějším povrchu. Za těchto podmínek je teplota vnitřní části konstrukce přibližně konstantní.

Obr. 5 - Porovnání stěnových konstrukcí z různých materiálů

Ze srovnání na obrázku 5 je zřejmé, že energetická bilance sorpce vlhkosti ve stavebních konstrukcích je u řady materiálů významná ve srovnání s energetickou bilancí pasivní stavby. Výsledek odhadu může být ovlivněn řadou výrazných zjednodušení uvedených výše.

Reference
[1] BECHNÍK, Bronislav; PAZDERA, Luboš. Vliv rovnovážné vlhkosti materiálů na enertergetickou bilanci stavby. In Sborník 4. mezinárodní konference Tepelná ochrana budov 2002, Praha 18.-19. dubna 2002, Praha : ČKAIT, 2002, s. 47-51.
[2] CEPHEUS - Cost Effective Passive House as European Standard. [online]. Citováno 16. 6. 2003. Dostupné na: cepheus.de/eng/index.html.
[3] ČSN 73 0540-2:2002 Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky. Praha: ČSNI, 2002. 36 stran.
[4] ČSN 73 0540-2:1994 Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky. Praha: ČSNI, 1994. 36 stran.
[5] ČSN EN 832 Tepelné chování budov - Výpočet potřeby energie na vytápění - obytné budovy. Praha: ČSNI, 2000. 52 stran.
[6] ČSN EN ISO 7730 - Mírné tepelné prostředí - Stanovení ukazatelů PMV a PPD a popis podmínek tepelné pohody. Praha: ČSNI, 1997. 36 stran.
[7] FEXA, Josef; ŠIROKÝ, Karel. Měření vlhkosti. Praha: SNTL a ALFA, 1983. 262 strany.
[8] LACH, V. Technologie cihlářské výroby, Keramika I, SNTL, Praha, 1965
[9] MRLÍK, František: Vlhkostné problémy stavebných materiálov a konštrukcií. Bratislava: Alfa, 1985
[10] VALCHÁŘ J. a kol. Základy sušení. Praha: SNTL, 1967.