Tepelnětechnický výpočet budovy: specifika a vzorce pro provádění výpočtů + praktické příklady

Při provozu budovy je nežádoucí jak přehřátí, tak prochladnutí. Určit zlatou střední cestu umožní stavebně-tepelný výpočet, který je neméně důležitý než výpočet hospodárnosti, pevnosti, odolnosti proti ohni a životnosti.

Na základě stavebně-tepelných norem, klimatických charakteristik, paropropustnosti a vlhkostní propustnosti se provádí výběr materiálů pro stavbu obvodových konstrukcí. Jak provést tento výpočet, se podíváme v článku.

Cíl stavebně-tepelného výpočtu

Na stavebně-tepelných vlastnostech hlavních obvodových konstrukcí budovy závisí mnoho. Jednak vlhkost konstrukčních prvků, jednak teplotní ukazatele, které ovlivňují přítomnost či nepřítomnost kondenzátu na vnitřních příčkách a stropních konstrukcích.

Výpočet ukáže, zda budou udržovány stabilní teplotní a vlhkostní charakteristiky při kladných i záporných teplotách. Do seznamu těchto charakteristik patří také ukazatel, jako je množství tepla ztraceného obvodovými konstrukcemi stavby v chladném období.

Nelze začít projektování bez všech těchto údajů. Na jejich základě se volí tloušťka stěn a stropů, pořadí vrstev.

Podle normy GOST 30494-96 jsou teplotní hodnoty v místnostech. V průměru je rovna 21 °C. Přitom relativní vlhkost musí být v komfortních mezích, což je v průměru 37 %. Nejvyšší rychlost proudění vzduchu je 0,15 m/s.

Stavebně-tepelný výpočet si klade za cíle zjistit:

1. Jsou konstrukce shodné s deklarovanými požadavky z hlediska tepelné ochrany?
2. Jak plně je zajištěno komfortní mikroklima uvnitř budovy?
3. Je zajištěna optimální tepelná ochrana konstrukcí?

Základním principem je dodržení rovnováhy rozdílu teplotních ukazatelů mezi vnitřními obvodovými konstrukcemi a místnostmi. Pokud se nedodrží, budou teplo pohlcovat tyto povrchy a uvnitř zůstane teplota velmi nízká.

Na vnitřní teplotu by neměly podstatně ovlivňovat změny tepelného toku. Tato charakteristika se nazývá tepelná stabilita.

Prováděním tepelného výpočtu se určují optimální limity (minimální a maximální) rozměrů stěn a stropů z hlediska tloušťky. To zaručuje provoz budovy po dlouhou dobu bez extrémního promrzání konstrukcí i přehřívání.

Parametry pro provádění výpočtů

Pro provedení tepelného výpočtu jsou zapotřebí výchozí parametry.

Závisí na řadě charakteristik:

1. Účelu stavby a jejího typu.
2. Orientace svislých obvodových konstrukcí vůči světovým stranám.
3. Geografických parametrů budoucího domu.
4. Objemu budovy, jejího počtu podlaží, plochy.
5. Typů a rozměrových údajů dveřních a okenních otvorů.
6. Druhu vytápění a jeho technických parametrů.
7. Počtu stálých obyvatel.
8. Materiálu svislých a vodorovných obvodových konstrukcí.
9. Stropu horního podlaží.
10. Vybavení teplou vodou.
11. Druhu větrání.

Při výpočtu se zohledňují i další konstrukční vlastnosti stavby. Vzduchopropustnost obvodových konstrukcí by neměla přispívat k nadměrnému ochlazování interiéru domu a snižovat tepelně izolační vlastnosti prvků.

Ztráty tepla způsobuje také nadměrné vlhčení stěn, což navíc vede k vlhkosti, která negativně ovlivňuje životnost budovy.

V procesu výpočtu se nejprve určují tepelně technické údaje stavebních materiálů, z nichž jsou vyrobeny obvodové prvky stavby. Kromě toho se stanovuje redukovaný odpor při prostupu tepla a jeho soulad s normativní hodnotou.

Vzorce pro výpočet

Úniky tepla z domu lze rozdělit na dvě hlavní části: ztráty přes obvodové konstrukce a ztráty způsobené provozem ventilačního systému. Kromě toho se teplo ztrácí při vypouštění teplé vody do kanalizace.

Ztráty obvodovými konstrukcemi

U materiálů, z nichž jsou obvodové konstrukce vyrobeny, je třeba zjistit hodnotu součinitele tepelné vodivosti λ (W/(m·K)). Ty jsou uvedeny v příslušných příručkách.

Nyní, když známe tloušťku vrstev, podle vzorce: R = S/λ se vypočítá tepelný odpor každé jednotky. Pokud je konstrukce vícevrstvá, všechny získané hodnoty se sečtou.

Velikost tepelných ztrát lze nejsnáze určit sečtením tepelných toků přes obvodové konstrukce, které tvoří tuto budovu.

Při použití této metody se bere v úvahu skutečnost, že materiály tvořící konstrukce mají nestejnou strukturu. Rovněž se zohledňuje, že tepelný tok procházející jimi má různá specifika.

Pro každou jednotlivou konstrukci se tepelné ztráty určují podle vzorce:

Q = (A / R) × dT

Zde:

• A — plocha v m².
• R — odpor konstrukce proti prostupu tepla.
• dT — rozdíl teplot venku a uvnitř. Je třeba jej určit pro nejchladnější pětidenní období.

Provedením výpočtu tímto způsobem lze získat výsledek pouze pro nejchladnější pětidenní období. Celkové tepelné ztráty za celou chladnou sezónu se určují pomocí parametru dT, přičemž se bere v úvahu nikoli nejnižší, ale průměrná teplota.

Míra absorpce tepla a také tepelný výkon závisí na vlhkosti klimatu v regionu. Z tohoto důvodu se při výpočtech používají mapy vlhkosti.

Dále se vypočítá množství energie potřebné ke kompenzaci tepelných ztrát, které unikly jak obvodovými konstrukcemi, tak větráním. Označuje se symbolem W.

K tomu slouží vzorec:

W = ((Q + Qv) x 24 x N)/1000

V něm N představuje délku topného období ve dnech.

Nevýhody výpočtu podle plochy

Výpočet založený na plošném ukazateli se nevyznačuje vysokou přesností. Nebere v úvahu parametry jako klima, minimální a maximální teploty, vlhkost. Kvůli ignorování mnoha důležitých faktorů má výpočet značné odchylky.

Často se ve snaze je pokrýt v projektu počítá s „rezervou“.

Pokud je přesto pro výpočet zvolena tato metoda, je třeba zvážit následující nuance:

1. Při výšce svislých konstrukcí do tří metrů a maximálně dvou otvorů na jedné ploše je lepší výsledek vynásobit 100 W.
2. Je-li v projektu zahrnut balkon, dvě okna nebo lodžie, násobí se v průměru 125 W.
3. Pokud jsou místnosti průmyslové nebo skladové, použije se násobitel 150 W.
4. V případě umístění radiátorů v blízkosti oken se jejich projektovaný výkon zvyšuje o 25 %.

Vzorec podle plochy má tvar:

Q = S x 100 (150) W.

Zde Q představuje komfortní úroveň tepla v budově, S je vytápěná plocha v m². Čísla 100 nebo 150 jsou měrné hodnoty tepelné energie spotřebované na ohřev 1 m².

Ztráty větráním domu

Klíčovým parametrem je v tomto případě intenzita výměny vzduchu. Za předpokladu, že stěny domu jsou paropropustné, je tato hodnota rovna jedné.

Pronikání studeného vzduchu do domu probíhá pomocí přívodního větrání. Odvodní větrání odvádí teplý vzduch. Ztráty větráním snižuje rekuperátor-teplosměník. Ten zabraňuje úniku tepla s odcházejícím vzduchem a ohřívá přicházející proudy.

Počítá se s úplnou výměnou vzduchu uvnitř budovy za jednu hodinu. Budovy postavené podle normy DIN mají stěny s parozábranou, proto se zde intenzita výměny vzduchu bere jako dvě.

Existuje vzorec, podle kterého se určují tepelné ztráty ventilačním systémem:

Qv = (V x Kv : 3600) x P x C x dT

Zde symboly označují následující:

1. Qv — tepelné ztráty.
2. V — objem místnosti v m³.
3. P — hustota vzduchu. Její hodnota se bere jako 1,2047 kg/m³.
4. Kv — intenzita výměny vzduchu.
5. C — měrná tepelná kapacita. Je rovna 1005 J/(kg·°C).

Na základě výsledků tohoto výpočtu lze určit výkon topného generátoru topného systému. Pokud je hodnota výkonu příliš vysoká, může být řešením zařízení pro větrání s rekuperátorem. Podívejme se na několik příkladů pro domy z různých materiálů.

Příklad stavebně-tepelného výpočtu č. 1

Vypočteme obytný dům nacházející se v 1. klimatické oblasti (Rusko), podoblast 1B. Všechny údaje jsou převzaty z tabulky 1 SNiP 23-01-99. Nejchladnější teplota pozorovaná po dobu pěti dnů s pravděpodobností 0,92 — tn = -22 °C.

V souladu s SNiP trvá topné období (zop) 148 dní. Průměrná teplota během topného období při průměrných denních teplotách venkovního vzduchu 8 °C — tot = -2,3 °C. Venkovní teplota v topné sezóně — tht = -4,4 °C.

Tepelné ztráty domu jsou nejdůležitějším okamžikem ve fázi jeho návrhu. Na výsledcích výpočtu závisí jak výběr stavebních materiálů, tak izolace. Nulové ztráty neexistují, ale je třeba usilovat o to, aby byly co nejvíce účelné.

Je stanoveno, že v místnostech domu musí být zajištěna teplota 22 °C. Dům má dvě patra a stěny o tloušťce 0,5 m. Jeho výška je 7 m, půdorysné rozměry 10 x 10 m. Materiál svislých obvodových konstrukcí je teplá keramika. Její součinitel tepelné vodivosti je 0,16 W/(m·°C).

Jako vnější izolace o tloušťce 5 cm byla použita minerální vata. Hodnota Kt pro ni je 0,04 W/(m·°C).

Tepelné ztráty stěnami

Nejprve je třeba určit tepelný odpor jak keramické stěny, tak izolace. V prvním případě R1 = 0,5 : 0,16 = 3,125 m²·°C/W. Ve druhém případě R2 = 0,05 : 0,04 = 1,25 m²·°C/W. Celkově pro svislou obvodovou konstrukci: R = R1 + R2 = 3,125 + 1,25 = 4,375 m²·°C/W.

Protože tepelné ztráty mají přímo úměrný vztah k ploše obvodových konstrukcí, vypočteme plochu stěn:

A = 10 x 4 x 7 – 15 x 2,5 = 242,5 m²

Nyní lze určit tepelné ztráty stěnami:

Qc = (242,5 : 4,375) x (22 – (-22)) = 2438,9 W.

Tepelné ztráty přes vodorovné obvodové konstrukce se počítají obdobně. Nakonec se všechny výsledky sečtou.

Pokud je sklep, budou tepelné ztráty základem a podlahou menší, protože do výpočtu vstupuje teplota zeminy, nikoli venkovního vzduchu.

Pokud je sklep pod podlahou prvního patra vytápěn, podlahu není nutné izolovat. Stěny sklepa je však lepší obložit izolací, aby teplo neunikalo do zeminy.

Stanovení ztrát větráním

Pro zjednodušení výpočtu se nezohledňuje tloušťka stěn, ale jednoduše se určí objem vzduchu uvnitř:

V = 10 x 10 x 7 = 700 m³.

Při násobnosti výměny vzduchu Kv = 2 budou tepelné ztráty činit:

Qv = (700 x 2) : 3600) x 1,2047 x 1005 x (22 – (-22)) = 20 776 W.

Pokud Kv = 1:

Qv = (700 x 1) : 3600) x 1,2047 x 1005 x (22 – (-22)) = 10 358 W.

Efektivní větrání obytných domů zajišťují rotační a deskové rekuperátory. Účinnost u prvních je vyšší, dosahuje 90 %.

Příklad stavebně-tepelného výpočtu č. 2

Je třeba provést výpočet ztrát skrz zeď z cihel o tloušťce 51 cm. Je izolována 10centimetrovou vrstvou minerální vaty. Venku – 18⁰, uvnitř — 22⁰. Rozměry stěny — 2,7 m na výšku a 4 m na délku. Jediná vnější stěna místnosti je orientována na jih, nejsou zde žádné venkovní dveře.

Pro cihlu je součinitel tepelné vodivosti Kt = 0,58 W/m°C, pro minerální vatu — 0,04 W/m°C. Tepelný odpor:

R1 = 0,51 : 0,58 = 0,879 m²·°C/W. R2 = 0,1 : 0,04 = 2,5 m²·°C/W. Celkově pro svislou obvodovou konstrukci: R = R1 + R2 = 0.879 + 2,5 = 3.379 m²·°C/W.

Plocha vnější stěny A = 2,7 x 4 = 10,8 m²

Ztráty tepla stěnou:

Qc = (10,8 : 3.379) x (22 – (-18)) = 127,9 W.

Pro výpočet ztrát okny se používá stejný vzorec, ale jejich tepelný odpor je zpravidla uveden v pasportu a není třeba jej vypočítávat.

V tepelné izolaci domu jsou okna „slabým článkem“. Odchází jimi poměrně velký podíl tepla. Ztráty sníží vícevrstvá izolační skla, tepelně reflexní fólie, dvojité rámy, ale ani to nepomůže zcela zabránit tepelným ztrátám.

Pokud jsou v domě okna o rozměrech 1,5 x 1,5 m², energeticky úsporná, orientovaná na Sever, a tepelný odpor je 0,87 m²°C/W, pak ztráty činí:

Qo = (2,25 : 0,87) x (22 – (-18)) = 103,4 W.

Příklad stavebně-tepelného výpočtu č. 3

Provedeme tepelný výpočet dřevěné srubové budovy s fasádou z borových kmenů o tloušťce vrstvy 0,22 m. Součinitel pro tento materiál je K=0,15. V této situaci budou tepelné ztráty činit:

R = 0,22 : 0,15 = 1,47 m²·°C/W.

Nejnižší teplota pětidenního období je -18⁰, pro pohodlí v domě je nastavena teplota 21⁰. Rozdíl bude 39⁰. Pokud vycházíme z plochy 120 m², dostaneme výsledek:

Qc = 120 x 39 : 1,47 = 3184 W.

Pro srovnání určíme ztráty zděného domu. Součinitel pro vápenopískovou cihlu je 0,72.

R = 0,22 : 0,72 = 0,306 m²·°C/W.
Qc = 120 x 39 : 0,306 = 15 294 W.

Za stejných podmínek je dřevěný dům úspornější. Vápenopísková cihla pro stavbu stěn zde není vůbec vhodná.

Dřevěná stavba má vysokou tepelnou kapacitu. Její obvodové konstrukce dlouho udržují komfortní teplotu. Přesto i srubový dům je třeba izolovat a nejlépe to udělat jak zevnitř, tak zvenčí.

Stavebníci a architekti doporučují rozhodně provést tepelný výpočet při zařizování vytápění pro správný výběr zařízení a ve fázi projektování domu pro volbu vhodného systému izolace.

Příklad stavebně-tepelného výpočtu č. 4

Dům bude postaven v Moskevské oblasti. Pro výpočet byla vzata stěna z pěnových bloků. Jako izolace je použit extrudovaný polystyren. Povrchová úprava konstrukce – omítka z obou stran. Její struktura je vápenopísková.

Polystyren má hustotu 24 kg/mᶾ.

Relativní vlhkost vzduchu v místnosti – 55% při průměrné teplotě 20⁰. Tloušťka vrstev:

• omítka – 0,01 m;
• pěnobeton – 0,2 m;
• polystyren – 0,065 m.

Úkolem je najít požadovaný odpor prostupu tepla a skutečný. Potřebný Rtr se určí dosazením hodnot do výrazu:

Rtr = a × GSOP + b

kde GSOP je denostupně topné sezóny, a a b jsou koeficienty převzaté z tabulky č. 3 Souboru pravidel 50.13330.2012. Jelikož se jedná o obytnou budovu, a je 0,00035, b = 1,4.

GSOP se vypočítá podle vzorce převzatého ze stejného SP:

GSOP = (tv – tot) × zot.

V tomto vzorci tv = 20⁰, tot = -2,2⁰, zot = 205 – topné období ve dnech. Následně:

GSOP = (20 – (-2,2)) × 205 = 4551⁰ C × den;

Rtr = 0,00035 × 4551 + 1,4 = 2,99 m2 × C/W.

Pomocí tabulky č. 2 SP50.13330.2012 se určí součinitelé tepelné vodivosti pro každou vrstvu stěny:

• λb1 = 0,81 W/m ⁰C;
• λb2 = 0,26 W/m ⁰C;
• λb3 = 0,041 W/m ⁰C;
• λb4 = 0,81 W/m ⁰C.

Celkový podmíněný odpor prostupu tepla Ro se rovná součtu odporů všech vrstev. Vypočítá se podle vzorce:

Tento vzorec je převzat z SP 50.13330.2012. Zde 1/av je odpor při přejímání tepla vnitřních povrchů. 1/an je stejně pro vnější, δ / λ je tepelný odpor vrstvy.

Po dosazení hodnot získáme: Ro podm. = 2,54 m2°C/W. Rf se určí vynásobením Ro koeficientem r, který se rovná 0,9:

Rf = 2,54 × 0,9 = 2,3 m2 × °C/W.

Výsledek zavazuje změnit konstrukci obvodového prvku, protože skutečný tepelný odpor je menší než vypočtený.

Existuje mnoho počítačových služeb, které urychlují a zjednodušují výpočty.

Tepelně technické výpočty přímo souvisejí s určením rosného bodu. Co to je a jak zjistit jeho hodnotu, se dozvíte z námi doporučeného článku.

Závěry a užitečné video k tématu

Provedení tepelně technického výpočtu pomocí online kalkulačky:

Správný tepelně technický výpočet:

Kvalitní tepelně technický výpočet umožní posoudit účinnost zateplení vnějších prvků domu a určit výkon potřebného topného zařízení.

Ve výsledku lze ušetřit při nákupu materiálů a topných spotřebičů. Je lepší předem vědět, zda si technika poradí s vytápěním a klimatizací budovy, než nakupovat všechno naslepo.

Zanechte prosím komentáře, ptejte se, umisťujte fotografie k tématu článku do bloku níže. Povězte, jak vám tepelně technický výpočet pomohl vybrat topné zařízení o potřebném výkonu nebo systém zateplení. Není vyloučeno, že vaše informace budou užitečné návštěvníkům webu.