Anizotropie cihelných materiálů a její vliv na tepelné mosty

V současné době, kdy je již jisté, že je nutné realizovat výrazně účinné tepelné izolace, se zájem přesouvá mimo jiné i do oblasti řešení tepelných mostů. To je dáno tím, že tepelné mosty ovlivňují tepelně izolační vlastnosti nikoliv procentuální hodnotou vyjádřenou procentním navýšením součinitele prostupu tepla U, ale tvoří pevnou přirážku ΔU více méně bez závislosti na tepelně izolačních vlastnostech okolních konstrukcí. Z tohoto hlediska je jistě zajímavé porovnání výpočtů tepelných mostů na základě tepelně izolačních vlastností a skladeb různých materiálů. Při výpočtech různých detailů jsme si uvědomili, že některé materiály jsou anizotropní, tedy že nemají ve všech směrech stejné vlastnosti. To je známé např. u dřeva, kdy norma uvádí různé součinitele tepelné vodivosti na základě toho, zda se jedná o vedení tepla kolmo k vláknům či rovnoběžně s nimi. Tato problematika se však týká i nejrozšířenějšího stavebního materiálu, kterým jsou různé typy cihelných tvarovek. Rozdíl v tepelně izolačních vlastnostech pak vzrůstá počtem vzduchových dutin speciálních tvarů a tepelně izolačními schopnostmi vlastního cihelného střepu, tedy faktory, které se uplatňují u nejnovějších cihlářských výrobků. Proto jsme se při výpočtu tepelných mostů věnovali i této problematice a provedli jsme výpočet nejpoužívanějších tepelně izolačních tvarovek typu Therm.

Výpočet byl prováděn na základě podkladů firmy HELUZ o tvarovkách SUPE®THERM 44 STI (U=0,23 W/(m².K¹)) a SUPE®THERM 44 P+D (U=0,28 W/(m².K¹)). Cílem bylo vypočítat ekvivalentní součinitel tepelné vodivosti λ_ev v různých směrech. K dispozici byl půdorysný výkres těchto tvarovek a dále hodnota součinitele tepelné vodivosti cihelného střepu v suchém stavu a pochopitelně údaje o naměřeném tepelném odporu zdiva při vlhkosti 1%. Na základě výpočtových postupů uvedených v ČSN EN ISO 6946 byly spočítány tepelné odpory malých vzduchových dutin pro různé směry tepelného toku. Po zjištění shody výpočtu s prakticky laboratorními zkouškami získanými údaji byly spočítány ekvivalentní součinitele tepelné vodivosti i pro ostatní směry tepelného toku. Jako směr x byl zvolen směr kolmo na zdivo, směr y představuje tepelný tok vodorovný ve směru zdiva a směr z představuje svislý směr tepelného toku. Výsledky výpočtů jsou uvedeny v tabulce.

Tabulka výpočtů ekvivalentních součinitelů tepelné vodivosti

Takto vypočtené ekvivalentní součinitele prostupu tepla λ byly dál používány při výpočtech dvourozměrného stacionárního teplotního pole. Jako modelový příklad byl zvolen detail představující styk štítové stěny a tepelné izolace podkroví, viz obrázek. Jako okrajové podmínky byla zvolena teplota interiéru +21°C, teplota exteriéru -15°C a teplota na půdě -9°C. Činitel přestupu tepla v interiéru αi = 8 W/(m².K) a v exteriéru αe = 23 W/(m².K).

Tento detail byl počítán celkem v 39 různých variantách, které se lišily použitým materiálem pro zdivo a různou tloušťkou tepelné izolace okótovanou na schématickém obrázku kótami A, B a C. U některých typů zdiva, popřípadě zateplení bylo uvažováno s izotropním materiálem. To se týká zejména variant 1 až 16. Z hlediska zjišťování vlivu anizotropie cihelné tvarovky na velikost tepelného mostu jsou zajímavé varianty č. 17 a 18, kdy je varianta 17 počítána jako by šlo o izotropní materiál s vlastnostmi uváděnými v technických listech výrobku a varianta 18 pak s rozdílnými vlastnostmi vedení tepla ve vodorovném a ve svislém směru. Rozdíl ve vypočtené povrchové teplotě ve výši 1,3°C a v lineárním součiniteli prostupu tepla Δψ = 0,09 W/(m.K) je poměrně značný a při řešení některých tepelných mostů může mít jistě významný vliv. Tento význam anizotropie je takto markantní, neboť rozdíl v ekvivalentním součiniteli tepelné vodivosti ve směru vodorovném a kolmém je více než šestinásobný. Pokud bychom zvolili jiný typ detailu, kde je rozdíl v ekvivalentním součiniteli tepelné vodivosti v různých směrech menší, došli bychom pochopitelně i k menším rozdílům povrchových teplot.

Schéma detailu

Tabulka lineárních součinitelů tepelné vodivosti a minimálních teplot

V uvedené tabulce lineárních součinitelů prostupu tepla je jistě také zajímavé porovnání různých kombinací zdiva a síly tepelných izolací. Například je zajímavé porovnat variantu 18 (SUPU®THERM STI 44) s variantou 31, která představuje zdivo o tloušťce 190 mm s tepelnou izolací o síle 120 mm. V obou případech jsou nejnižší vnitřní povrchové teploty a lineární součinitele tepelné vodivosti téměř stejné.

Jako druhý typ detailu byl zvolen roh obvodového zdiva. U tohoto typu detailu je výrazně nižší rozdíl v ekvivalentním součiniteli tepelné vodivosti ve směru kolmém na zdivo a rovnoběžném se zdivem. I tak je však patrný více než 10% rozdíl mezi lineárním součinitelem tepelné vodivosti při uvažování anizotropie a izotropie, což je patrné z následující tabulky.

Tabulka lineárních součinitelů tepelné vodivosti a minimálních teplot

Závěrem lze konstatovat, že v běžné stavební praxi jistě není nutné se zabývat kvantifikováním tepelných mostů s ohledem na anizotropii, ale v některých speciálních případech, kdy je nutné řešit stavební detaily přesně, může mít nestejnorodost některých stavebních materiálů v různých směrech významný vliv na hodnocení celého detailu.

Ukázka simulace termogramu cihelné tvarovky typu Therm P+D a průběhu teplot při tepelném toku ve směru osy x.

Simulace termogramu varianty 29, cihelné tvarovky Therm 190 mm + z interiéru půdy a z exteriéru 120 mm pěnového polystyrénu (EPS) - viz obr. 1

Simulace termogramu varianty 29, betonové tvárnice 200 mm + z interiéru 140 mm pěnového polystyrénu (EPS) - viz obr. 2

Obr. 1

Obr. 2

Průběh povrchových teplot u jednotlivých variant konstrukce