Není požadavek na vnitřní povrchovou teplotu již nadbytečný?

2015
Ing. Tomáš Kupsa

V tomto článku se pokusíme ukázat, jaký vliv měly normové požadavky na tepelný odpor konstrukcí na eliminaci rizika povrchové kondenzace a rizika růstu plísní. Také se chceme zamyslet nad tím, jestli už v dnešní době přísných požadavků na tepelný odpor není požadavek na vnitřní povrchovou teplotu nadbytečný.

V roce 1962 byla v Československu vydána první norma ČSN s požadavky na tepelnou ochranu budov. Tato norma stanovila požadavky na tepelný odpor konstrukcí obálky budovy. Z dnešního pohledu se jednalo o velmi mírné požadavky. Například požadavek na tepelný odpor vnější stěny byl stanoven na 0,7 m².K/W. To odpovídá požadovanému součiniteli prostupu tepla 1,09 W/(m².K). Požadavek splňovala stěna z plných pálených cihel o tloušťce 45 cm. O 15 let později, v roce 1977 byla norma novelizována a byly poprvé zpřísněny požadavky na tepelný odpor. Obvodová stěna již musela mít tepelný odpor 0,95 m².K/W. To odpovídá požadovanému součiniteli prostupu tepla 0,89 W/(m².K). Požadavek splňovala stěna z plných pálených cihel o minimální tloušťce 66 cm.

V této době se požadavky na tepelný odpor konstrukcí stanovovaly zejména z důvodu eliminace negativních vlhkostních jevů na povrchu konstrukcí, zejména vzniku povrchové kondenzace. Z tabulky 1 můžeme zjistit, že splněním požadavku z roku 1962 na tepelný odpor stěny byla vyloučena povrchová kondenzace při maximální relativní vlhkosti vnitřního vzduchu v zimním období 45%, v roce 1977 dokonce při vlhkosti 55%. Konstrukce obálky budovy, a to zejména okna, byly v této době poměrně netěsné. Vnitřní prostory byly těmito netěsnostmi poměrně intenzivně větrány. Tento fakt se sice podílel na poměrně vysoké spotřebě energie na krytí tepelných ztrát větráním, ale zároveň bylo v zimním období zajištěno účinné odvlhčení vnitřního vzduchu. Relativní vlhkost vnitřního vzduchu byla tedy zpravidla výrazně nižší než výše uvedené mezní relativní vlhkosti. Při splnění tehdejších požadavků na tepelný odpor tedy zpravidla nehrozila povrchová kondenzace.

Tab. 1 – Vyloučení povrchové kondenzace konstrukcemi splňující v dané době platné požadavky na tepelný odpor dle ČSN 73 0540-2

Další zpřísnění požadavků na tepelný odpor konstrukcí obálky budovy se odehrávalo až po sametové revoluci. K revizím normy došlo postupně v roce 1992, 1994, 2002, 2005, 2007 a naposledy v roce 2011. Již první revizí v roce 1992 došlo k dramatickému zpřísnění požadavků na tepelný odpor. Například požadavek na vnější obvodovou stěnu se zvýšil více než dvojnásobně. To se již začala projevovat snaha o snižování energetické náročnosti. V roce 1994 byly zavedeny vedle požadovaných hodnot tepelného odporu také hodnoty doporučené. Tepelný odpor konstrukcí se začal řešit pomocí jeho „převrácené“ hodnoty, součinitele prostupu tepla se započtením přestupových odporů. K dalšímu významnému zpřísnění požadavků na součinitel prostupu tepla došlo v roce 2002. Od té doby jsou změny požadavků na jednotlivé konstrukce pouze mírné. Zvyšují se však doporučené hodnoty na součinitel prostupu tepla, resp. zavádějí se nová doporučení pro nízkoenergetické a pasivní domy. Příklad vývoje požadavků a doporučení na tepelný odpor pro vnější obvodovou stěnu je uveden na obr. 1.

Obr. 1 – Vývoj požadované a doporučené hodnoty tepelného odporu R [m².K/W] vnější těžké stěny od roku 1962

Při pohledu do tab. 1 je zřejmé, že pokud konstrukce splňuje požadavek na tepelný odpor dle ČSN z roku 1992, prakticky pro běžné vnitřní prostředí nehrozí povrchová kondenzace na vnitřním povrchu konstrukcí, a to ani při relativních vlhkostech vnitřního vzduchu v zimním období kolem 70%. V této době se však již nespokojíme s vyloučením kondenzace. Při posuzování vnitřní povrchové teploty již pro nás není limitní 100% relativní vlhkost, při které dochází ke kondenzaci, ale relativní vlhkost 80%, při které hrozí riziko růstu plísní. I toto kritérium vychází pro konstrukce splňující požadavek na tepelný odpor příznivě. Při pohledu do tabulky 2 vidíme, že riziko růstu plísní nehrozí v ploše konstrukcí splňujících požadavek na tepelný odpor platný v roce 1992 až do limitní relativní vlhkosti vnitřního vzduchu 55 %. V ploše konstrukcí splňujících požadavek na tepelný odpor platný v roce 2002 a později nehrozí růst plísní až do limitní relativní vlhkosti vnitřního vzduchu 60 %.

Tab. 2 – Vyloučení rizika růstu plísní konstrukcemi splňující v dané době platné požadavky na tepelný odpor dle ČSN 73 0540-2

Požadavek na vnitřní povrchovou teplotu však musí být splněn i v místech tepelné vazby, tedy v 2D i 3D detailech. Vzhledem k tomu, že v místě tepelné vazby je prakticky vždy povrchová teplota nižší než v plochách konstrukcí, hrozí největší riziko růstu plísní právě v těchto místech. Každá tepelná vazba je jiná. Jiná bude povrchová teplota v místě napojení okna na obvodovou stěnu, jiná v místě u napojení ploché střechy na obvodovou stěnu v místě atiky. Víme, že povrchová teplota v místě 2D detailu je v prvním, níže uvedeném, případě přibližně o 3 °C nižší, než v ploše konstrukcí (obr. 2).

Obr. 2 – Ilustrace snížení vnitřní povrchové teploty v místě tepelné vazby oproti vnitřní povrchové teplotě v ploše konstrukce

Ve druhém případě bude rozdíl teplot 5 °C. První případ popisuje běžnou tepelnou vazbu se souvislou vrstvou tepelné izolace (viz tab. 3), druhý případ tepelnou vazbu, kde je souvislost teplené izolace přerušena nebo významně lokálně snížena tloušťka tepelné izolace (viz tab. 4). Tab. 3 a 4 si oproti tab. 1 a 2 omezíme jen na konstrukce splňující „porevoluční“ požadavky.

Tab. 3 – Posouzení rizika růstu plísní v tepelných vazbách (2D detaily) – snížení povrchové teploty o 3°C oproti ploše konstrukce

Tab. 4 – Posouzení rizika růstu plísní v tepelných vazbách (2D detaily) – snížení povrchové teploty o 5°C oproti ploše konstrukce

Z tab. 3 je zřejmé, že pokud konstrukce v ploše splňují současně platné požadavky na součinitel prostupu tepla, lze předpokládat, že ani v jejich tepelných vazbách nebude hrozit riziko růstu plísní při relativní vlhkosti vnitřního vzduchu do 50%. Tab. 4 nám říká, že u složitějších detailů, kde není zachována celistvá vrstva tepelné izolace, nebo je tepelná izolace v místě detailu zeslabena, nehrozí významné riziko růstu plísní při relativní vlhkosti vnitřního vzduchu do 45%. Současně platná ČSN 73 0540-3 stanovuje návrhové vnitřní podmínky běžných budov: návrhová vnitřní teplota θ_i = 20°C, návrhová relativní vlhkost φ_i = 50%. ČSN 73 0540-2 pak pro stanovení požadavku na vnitřní povrchovou teplotu pracuje se sníženou hodnotou návrhové relativní vlhkosti. Tímto se zohledňuje kladný vliv větrání interiéru venkovním vzduchem o nízké teplotě. Vnitřní povrchová teplota se posuzuje pro extrémní návrhové teploty v zimním období, v závislosti na lokalitě od -13°C do -21°C. Takto chladný vzduch je velmi suchý. Pokud větráme tímto vzduchem interiér, relativní vlhkost v interiéru se velmi snižuje. Návrhová relativní vlhkost v interiéru pro stanovení požadavku se dle ČSN 73 0540-2 uvažuje v závislosti na lokalitě v rozmezí 45 % – 47 %.

Z výše uvedeného je zřejmé, že pokud konstrukce v ploše splňují současné požadavky na tepelný odpor, pak je vysoká pravděpodobnost, že v ploše konstrukcí i v běžných tepelných vazbách, bude vyhovující vnitřní povrchová teplota. U složitějších konstrukčních detailů se změnami v tloušťce tepelné izolace však hrozí, že požadavek splněn nebude. Tyto detaily je nutné tepelnětechnicky důsledně posuzovat a optimalizovat. V některých případech může optimalizace detailu znamenat i potřebu navýšení tepelného odporu konstrukcí v ploše.

Nemůžeme tedy konstatovat, že by byl požadavek na vnitřní povrchovou teplotu v dnešní době přísných požadavků na tepelný odpor nadbytečný.

VĚTRÁNÍ BUDOV A VLIV NA VNITŘNÍ POVRCHOVOU TEPLOTU

V nedostatečně větraném interiéru se zvyšuje mimo jiné relativní vlhkost a tedy i riziko vlhkostních poruch jako jsou plísně na stavebních konstrukcích či kondenzace na oknech. V nedostatečně větraném interiéru se ale také nedá zdravě žít pro přebytek oxidu uhličitého.

Tlak na snižování energetické náročnosti se netýká pouze snižování tepelných ztrát prostupem tepla přes konstrukce, ale logicky také snižování tepelných ztrát větráním. Větrání budovy lze rozdělit na větrání nucené, pomocí vzduchotechniky, a přirozené, zpravidla občasným otevíráním oken. K větrání nekontrolovaně přispívají také netěsnosti výplní otvorů i dalších stavebních konstrukcí a jejich vazeb. V době, kdy je vnitřní prostředí užíváno osobami, je samozřejmě nutná dostatečná výměna vzduchu pro odvod CO₂ nebo vlhkosti. Proto, i když budeme mít velmi těsnou obálku budovy, tak v době užívání budovy osobami zpravidla žádnou energii neušetříme. Jiné to je mimo provozní dobu budovy. Zde je význam těsnosti budovy pro energetickou úsporu zcela zásadní. Z hlediska snižování energetické náročnosti budov je tedy zvyšování požadavku na vzduchotěsnost naprosto relevantní.

Dostatečná těsnost budovy nám zajistí velkou úsporu energie na krytí tepelných ztrát větráním mimo provozní dobu objektu. Otázkou ale zůstává, jak se tato těsnost budovy projeví v provozní době budovy. Jaké nároky nám klade zvýšená těsnost budovy na systém větrání v budově?

U budov větraných nuceně je vysoká těsnost obálky budovy určitě výhodou. Vzduchotechnika bývá dimenzována na hygienicky potřebnou výměnu vzduchu. Veškeré netěsnosti obálky budovy budou znamenat vyšší výměnu vzduchu, než je potřeba a tedy i větší tepelné ztráty. Vliv netěsností se ještě zvyšuje, pokud je součástí vzduchotechniky také rekuperační jednotka. Teplo ze vzduchu procházejícího netěsnostmi obálky budovy samozřejmě nebude rekuperované.

U budov větraných přirozeně již těsná obálka budovy jednoznačným přínosem být nemusí. Pokud je výměna vzduchu netěsnostmi nižší, klade to samozřejmě vyšší nároky na přívod vzduchu jiným způsobem, u přirozeného větrání na větrání otevíráním oken. Okna je nutno pro dostatečné větrání interiéru otevírat častěji. Zde ale můžeme narazit na problém, že zvýšená frekvence otevírání oken nemusí být provozně možná. Měření koncentrace CO₂ a vlhkosti v ložnicích obytných domů nám ukazují, že dostatečné větrání není možné zajistit při zavřených oknech ani při oknech otevřených do mikroventilační polohy.

Vyhovujícího větrání je možné docílit intenzivním vyvětráním otevřením okna přibližně každé 2 až 4 hodiny. To ale například v noci není moc reálné. Důsledkem tohoto stavu může být ranní relativní vlhkost vzduchu v ložnici někdy i výrazně překračující 60%. Na takovouto vlhkost nejsou dimenzovány konstrukce obálky budovy a i přes jejich vysoký tepelný odpor hrozí riziko vlhkostních poruch na jejich vnitřním povrchu. Na stavebních konstrukcích může hrozit riziko růstu plísní. Nejdříve se ale nevyhovující stav projeví kondenzací na oknech. Je také otázkou, jak příjemný je spánek v místnosti s přebytkem CO₂.

Při opakujícím se kondenzátu na oknech pak často dochází k reklamacím a ke sporům, kdo za to může. Tyto spory jsou poměrně komplikované. Obecně lze říci, že na vině bude buď nevhodná konstrukce, nevhodné užívání budovy (tedy neužívání budovy v souladu s návrhovými podmínkami) nebo kombinace obojího. Za nevyhovující konstrukci odpovídá pouze projektant nebo dodavatel stavby, za užívání budovy uživatel. Často je ke sporu ale přizván i výrobce okna. Projektant, dodavatel stavby i výrobce zpravidla prokazují, že okno je vyhovující, a že příčina problému leží v užívání bytu. Často mají pravdu. Konstrukce mohou být opravdu vyhovující, nestandardní je vnitřní relativní vlhkost. Musíme se ale ptát, zda za tento stav skutečně může uživatel bytu. Můžeme po uživateli bytu chtít, aby zajistil vyhovující vnitřní podmínky tím, že bude v noci každé 2 až 4 hodiny vstávat a větrat otevíráním oken?

Problémy s kondenzací na oknech se na úrovni norem řešil v roce 2012 tím, že byla vydána změna Z1 normy ČSN 73 0540-2, která zrušila do té doby závazný požadavek na vnitřní povrchovou teplotu okna. Většina odborné technické veřejnosti s tímto nesouhlasila, požadavek byl zrušen přímo ÚNMZ na základě právních argumentů, že požadavek stanovuje dodatečný požadavek na výrobky a tedy brání volnému pohybu zboží v Evropské unii. Problém uživatelů bytů se tímto nevyřešil, jen už není nutné posuzovat, zda je na oknech splněn požadavek na vnitřní povrchovou teplotu pro návrhové podmínky nebo nikoli a zda je tedy na vině nevhodné užívání či ne. Kondenzát na okně již není možné účinně reklamovat, i když k němu dochází za normových podmínek užívání. V současné době se jedná o zrušení změny Z1 a znovuzavedení požadavku na vnitřní povrchovou teplotu výplní otvorů.

Je ale zřejmé, že ani případné znovuzavedení požadavku na vnitřní povrchovou teplotu výplní otvorů problémy s kondenzací na oknech nevyřeší. Návrh konstrukcí splňujících požadavek na vnitřní povrchovou teplotu pouze zajistí, že nebude k vlhkostním problémům docházet při návrhových normových podmínkách. V dnešní době se ale musíme zabývat i tím, aby bylo vůbec reálné užívat budovy v mezích těchto návrhových podmínek. Výše popsaná nutnost absurdně častého větrání otevíráním oken vede k myšlenkám nezvyšovat tolik těsnost budov. Zní to logicky, ale jaké konstrukce máme nechat netěsné? Zřejmě nikdo nechce, aby bylo větrání realizováno střechami, stěnami nebo jinými stavebními konstrukcemi. Průvzdušnost těchto konstrukcí může vést ke kondenzaci vodní páry uvnitř konstrukce nebo zafoukávání studeného venkovního vzduchu až k vnitřním povrchům konstrukcí a tím k riziku plísní na těchto površích. Máme tedy používat méně těsná okna? Ale jak netěsná by tato okna měla být, když pro hygienickou výměnu vzduchu nestačí ani mikroventilační poloha? A jak budeme snižovat energetickou náročnost, když bude intenzivní neregulované větrání netěsnými okny probíhat i mimo provozní dobu budovy?

Vypadá to, že východiskem může být změna pohledu na přirozené větrání. K přirozenému větrání nemusí docházet jen občasným otevíráním oken, ale například různými systémovými prvky, jako jsou různé průvětrníky nebo větrací klapky. Mohou být regulovány a ovládány manuálně uživatelem budovy, nebo automaticky na základě údajů o vlhkosti nebo CO2 z vnitřních čidel. Také jsou na trhu k dispozici různé automatické rekuperační jednotky instalované přímo do okna. Všechny tyto výrobky mohou při správném návrhu zajistit dostatečný přísun čerstvého vzduchu v provozní době budovy a zároveň je možné je uzavřít pro neprovozní dobu.

Obr. 3 – Příklady větracích prvků instalovaných do oken. Vlevo automatizovaná větrací jednotka s rekuperací vzduchu firmy Schüco, vpravo okenní ventilační mřížka Renson

REVIZE ČSN 73 0540-3 TEPELNÁ OCHRANA BUDOV – ČÁST 3: NÁVRHOVÉ HODNOTY VELIČIN

Výše jsme se zmiňovali o ČSN 73 0540-2, která stanovuje požadavky na tepelnou ochranu budov. Nyní se zmíníme o ČSN 73 0540-3. Nejdříve si představme, co ČSN 73 0540-3 obsahuje:

• návrhové hodnoty veličin stavebních materiálů a výrobků pro tepelnětechnické výpočty
• návrhové hodnoty parametrů vnitřního a venkovního prostředí pro tepelnětechnické výpočty

Pro druhý z výše uvedených bodů již několik let probíhá iniciativa, která má za cíl identifikovat všechna klimatická data v normách týkajících se energetické náročnosti a vnitřního prostředí budov a tato data revidovat na základě jednotných aktualizovaných klimatických dat od Českého hydrometeorologického ústavu. Tato iniciativa probíhá pod vedením doc. Ing. Jiřího Sedláka, CSc. V blízké době má proběhnout jednání mezi zástupci Ministerstva průmyslu a obchodu, VUT v Brně a ČHMÚ ve věci vypsání úkolu pro vytvoření návrhových dat pro zimní období pro posuzování tepelné ochrany budov. Výsledky úkolu mají sloužit jako podklad pro zpracování nové normy, pravděpodobně ČSN 73 0540-5. Počítá se tedy s budoucím přesunutím návrhových hodnot parametrů vnitřního a venkovního prostředí z ČSN 73 0540-3 do nové ČSN 73 0540-5. V ČSN 73 0540-5 se počítá s umístěním měsíčních návrhových dat.

Iniciativu ohledně klimatických dat chceme nadále podrobně sledovat. Důležitá je pro nás zejména otázka klimatických dat pro energetické výpočty. Pokud mají být v ČSN 73 0540-5 uvedena jednotná měsíční klimatická data pro energetické výpočty, měla by zde být uvedena i jednotná hodinová klimatická data pro energetické výpočty. Lze totiž předpokládat, že se ve výpočtech energetické náročnosti budou v budoucnu stále ve větší míře prosazovat přesnější hodinové výpočty, které eliminují mnohá omezení energetických výpočtů v měsíčním kroku výpočtu. Vzhledem k plánovanému přesunu návrhových hodnot parametrů vnitřního a venkovního prostředí do nové normy, budou stěžejním předmětem revize ČSN 73 0540-3 návrhové hodnoty veličin stavebních materiálů a výrobků pro tepelnětechnické výpočty. V březnu tohoto roku měl být Ing. Lubomírem Keimem dokončen rozborový úkol RÚ/0004/14, týkající se analýzy stanovení návrhových hodnot součinitele tepelné vodivosti

Pozn.: V době psaní tohoto článku nejsou výsledky rozborového úkolu k dispozici).

Tento rozborový úkol má předcházet letos naplánované revizi normy ČSN 73 0540-3. V tomto článku si dále představíme některé argumenty, kvůli nimž vnímáme potřebu ČSN 73 0540-3 revidovat.
Pro tepelnětechnické výpočty jsou nejdůležitějšími materiálovými vlastnosti:

• tepelná vodivost,
• faktor difuzního odporu.

Do výpočtů samozřejmě vstupují i jiné vlastnosti, jako jsou měrná tepelná kapacita nebo objemová hmotnost, ale ty už neovlivňují výsledky výpočtů v takové míře jako vlastnosti výše uvedené. Ohledně tepelné vodivosti věnujeme obvykle hlavní pozornost tepelným izolacím. V oblasti tepelných izolací by ČSN 73 0540-3 měla podle našeho názoru doznat podstatných změn. Do normy je předně nutné přidat návrhové vlastnosti tepelných izolací, které v normě uvedeny nejsou, ale v praxi se již poměrně běžně používají. Jedná se například o polystyreny s příměsí grafitu (šedý polystyren), tepelné izolace PIR (polyisokianurát) nebo perimetrické tepelné izolace. U tepelných izolací, které v normě uvedeny jsou, bude potřeba upravit označení, třídění i návrhové technické vlastnosti. Například polystyreny je vhodné třídit dle označení ČSN EN 13163 (EPS 70, EPS 100 atd.). U minerálních vláken je potřeba zvážit jiné třídění než to dosavadní podle objemové hmotnosti. Výrobci již objemovou hmotnost u svých výrobků neuvádějí. Na základě výše uvedeného rozborového úkolu je potřeba revidovat hodnoty tepelné vodivosti. Lze předpokládat, že se u běžných tepelných izolací hodnoty měrné tepelné vodivosti o něco sníží.

Při revizi ČSN 73 0540-3 by se nemělo zapomenout na materiály, které jsou v tepelnětechnických výpočtech podstatné z hlediska svého vysokého difuzního odporu. Jedná se zejména o materiály, které se používají ve skladbách jako parotěsnící nebo hydroizolační vrstvy. V současné normě najdeme asfaltové pásy zadané obchodními názvy, jako jsou Sklobit, Ruberoid, Pebit a mnoho dalších. Tyto pásy je již v praxi nepoužívají. Naopak zde nenajdeme materiály zadané obecnou materiálovou charakteristikou, jako jsou:

• SBS modifi kované asfaltové pásy,
• APP modifi kované asfaltové pásy,
• oxidované asfaltové pásy,
• asfaltové pásy s hliníkovou vložkou.

Podobná je situace u hydroizolačních fólií. Znovu zde najdeme například fólii s obchodním názvem Fartafan apod. Vhodnější by bylo uvést fólie obecnou materiálovou charakteristikou:

• PVC-P hydroizolační fólie,
• HDPE hydroizolační fólie,
• ECB hydroizolační fólie,
• polyizobutylenová hydroizolační fólie,
• vinyl-acetát-etylénová hydroizolační fólie,
• TPO/GPO hydroizolační fólie.

Při revizi normy je také potřeba se zamyslet nad uvedením doplňujících informací k některým uvedeným materiálům. Považujeme například za nutné uvést, že některé uvedené vlastnosti materiálů není možné v tepelnětechnických výpočtech použít přímo, ale vždy je nutné zohlednit obvyklý způsob zabudování materiálu do konstrukce například použitím vhodné korekce dané materiálové vlastnosti. Tato problematika se týká zejména materiálů s vysokým faktorem difuzního odporu obvykle používaných ve skladbě v pozici parotěsnící vrstvy. Jako příklad můžeme uvést polyetylenovou fólii o obvyklé tloušťce 0,2 mm. Pokud takovouto fólii realizujeme například u šikmé střechy ze spodní strany na podklad z měkkých minerálních vláken, pak je zřejmé, že se nám nemůže podařit napojit fólii v jejích spojích naprosto těsně. Další netěsnosti určitě způsobí kotvení sádrokartonových profilů. Výsledný difuzní odpor zabudované fólie ve skladbě bude vlivem netěsností výrazně nižší, než je v laboratoři změřená hodnota faktoru difuzního odporu fólie. Pokud při návrhu konstrukce neprovedeme korekci faktoru difuzního odporu uvedeného pro fólii v ČSN 73 0540-3, můžeme se při tepelnětechnickém posouzení skladby dopustit fatální chyby. Výpočtově bude skladba vyhovující, nicméně v reálné konstrukci se mohou objevit zásadní vlhkostní problémy způsobené kondenzací vodní páry uvnitř konstrukce.

Informace o rozborovém úkolu RÚ/0004/14 a samotné revizi ČSN 73 0540-3 naleznete na samostatném webu. Na stejném místě můžete případně připojit Vaše připomínky k normě ČSN 73 0540-3.

PODKLADY

[1] ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky
[2] ČSN 73 0540-3 Tepelná ochrana budov – Část 3: Návrhové hodnoty veličin
[3] ČSN EN 13163 (72 7202) Tepelně izolační výrobky pro stavebnictví – Průmyslově vyráběné výrobky z pěnového polystyrenu (EPS) – Specifikace