Vzduchová medzera a tepelná ochrana budov

Dnešné stavebníctvo si s medzerou nevie moc rady. Pozná len klasickú izoláciu, rieši len zimu a za vyššou energetickou náročnosťou vidí len zastarané či zlé stavebné riešenie. Na https://www.tzb-info.cz/ je tabuľka tepelných odporov vzduchových medzier v hrúbkach od 10 do 300 mm podľa STN EN ISO 6946 (730558). Tabuľku sme obohatili o hustotu zdieľania tepla pri teplotnom spáde <0 ° C; 20 ° C> medzi chladným a ohriatym okrajom medzery (červené čísla).

Tab. 1 hovorí o tom, že medzera v roli tepelnej izolácie je hlúposť. Nech je akokoľvek hrubá, jej tepelný odpor R je na míle vzdialený termoizolačnej obálke pasívneho domu (cca R = 6,5 m²K/W). Odtiaľto je už len na krok k myšlienke, že každú vzduchovú medzeru je najlepšie vypchať tepelnou izoláciou. Len tomu tak nie je. Ukážme si, že hlavným teplovýmenné dejom v medzere je sálanie a že jeho odclonením reflexnými povrchmi zvýšime tepelný odpor prázdnej medzery až vysoko nad možnosti jej „vypchatia“ bežnou tepelnou izoláciou.

Sálavý tok tepla v medzere

Pracujme s prázdnou vzduchovou medzerou, ktorej okraje majú teplotu 0 °C a 20 °C. A nech je v nej jediným teplovýmenným dejom sálanie. To sa realizuje dvomi spôsobmi:

1. Zdieľanie sálavého tepla medzi okrajmi medzery: Zo Stefanov - Boltzmannovho zákona plynie, že pri spomínaných okrajových teplotách tu sálanie realizuje prechod tepla v intenzite 103 W/m². To je viac než 77 % celkového prechodu tepla medzerou. Sálenie výrazne dominuje.

2. Zdieľanie sálavého tepla medzi okrajmi medzery a jej vnútrajškom: Z iného základného zákona (Planckovho) plynie, že energetická hodnota a vôbec samotná existencia tepelného žiarenia závisí len na teplote. Z tohto pohľadu je priestor medzery identický s telesom o teplote 10,4 °C (= 4. odmocnina z priemeru 4. mocnín termodynamických teplôt okrajov medzery, vyjadrená v °C). Toto „priestorové teleso“ inkasuje na teplej strane zisk 51,5 W/m² a tú istú dávku na chladnej strane odvádza. Tento dej, ktorý stavebná fyzika nezná, znamená významné zvýšení role sálania (a potlačenie vplyvu vedenia a prúdenia tepla) v celkovom prechode tepla medzerou. A ďalej pokles (ale asi už miernejší) celkového tepelného odporu medzery.

Termoreflexná izolácia

Veľké sálavé toky energie vo vzduchovej medzere možno doviesť takmer k nule pomocou termoreflexných okrajov medzery. Hovorí to tab. 2, v ktorej sú intenzity sálavého toku tepla v medzere ľubovoľnej hrúbky, ktorej okraje majú štyri možné kombinácie emisivít ε = 1 a ε = 0,05.

Popis reflexnej izolácie

1. Táto izolácia pracuje s celým priestorom medzery, ktorú ohraničuje. Bežná izolácia (EPS, MW) naopak účinkuje len vo vnútri samej seba: Do medzery 30 cm hrubej musíme vložiť bežnú izoláciu rovnakej hrúbky, aby sme docielili tepelný odpor R = d/λ = 0,3/0,04 = 7,5 m²K/W. Bez izolácie má vzduchová medzera tepelný odpor len na úrovni 0,19 m²K/W (viď tab. 2).

Keď medzeru necháme prázdnu, len ju jednostranne ohraničíme reflexiou v emisivite ε = 0,05 (fólia Sunflex), výsledkom je R = 6,1 m²K/W (viď tab. 2). Pri hrúbke medzery 30 cm to dáva súčiniteľ tepelnej vodivosti λ = 0,049 W/(mK). Obojstranné reflexné ohraničenie rovnakej medzery dáva R = 11,6 m²K/W a λ = 0,026 W/(mK)

2. To, že reflexná izolácia brzdí sálavý prechod tepla, ešte neznamená, že medzi dvomi reflexnými povrchmi zmizne priestorové sálanie. To existuje vždy a jeho teplota sa rovná teplote T_P z rovnice(1)

Teplotné plató

Vo vnútri silnejších medzier ohraničených reflexiou môže vzniknúť teplotne menej strmá až ekvitermická centrálnej vzduchová vrstva, čiže teplotné plato. To je výslednicou zdieľania tepla medzi vzduchom a sálaním v medzere. Pre jeho teplotu TP platí:

Sálanie, ktoré má všade v medzere rovnakú teplotu TP, ohrieva vzduch v susedstve chladného okraja a naopak ho chladí v susedstve teplého okraja medzery. U hrubších medzier to vedie k vzniku centrálnej vzduchovej vrstvy v rovnakej teplote (teplotné plató). Skrz plató sa odohráva len sálavý tok tepla; prúdenia a vedenie tepla tú nemá potenciál. Sálavý teplovýmenný dej možno potom znížiť až takmer k nule vysokou termoreflexiou okrajov medzery (tj. ε₁→0 a/nebo ε₂→0).

Tvrdenie: Tepelný odpor stavebnej termoizolačnej vrstvy, napr. na báze penového polystyrénu, je pri hrúbke 300 mm na úrovni 7,5 m²K/W. Keď tú istú hrúbku realizujeme ako súvrstvie vzduchových medzier a reflexných fólií, získame tepelný odpor 15 m²K/W a viac.

Riadenie teploty

Existujú sťažnosti na vysoké teploty pod strechou z tmavej krytiny, ktorú letné slnko rozpáli aj nad 75 °C. Táto teplota generuje sálavý tok tepla do vetranej medzery s intenzitou viac než 850 W/m², ktorý má „hravo“ odvetrať vzduchovú medzeru pod krytinou. Lenže to by v nej musel prúdiť vzduch s rýchlosťou aspoň 10 m/s. Čo sa nedeje. Lavínu tepla od slnkom rozpálenej strešnej krytiny možno úspešne riešiť pomocou reflexných povrchov, či už sú realizované fóliou alebo náterom. Pri ich správnom návrhu a vyhotovení významne znížime nielen teplotu vo vetranej vzduchovej medzere pod krytinou, ale aj priestorovú teplotu pod strechou a v celom dome. Princíp reflexnej tepelnej ochrany je jednoduchý:

1. termoreflexný povrch odráža (takmer) všetko tepelné žiarenie, ktoré naň dopadá;
2. termoreflexný povrch, nech už akokoľvek ohriaty, sála do okolia len minimum svojho tepla.

V prípade strechy možno pod krytinu umiestniť, povedzme, jednostrannú reflexnú fóliu tak, aby termoreflexia mierila do vetranej medzery. Alebo možno spodnú stranu krytiny natrieť strieborným náterom (typu Reflexol) s minimálnou emisivitou. Ak objaví niekedy staviteľstvo výnimočnú silu reflexie a sálania, objaví sa aj systémové termoreflexné riešenia striech, fasád a domov.

Reflexná fólia pred položením fasádneho obkladu

História sálania

Sálanie je prvotný teplovýmenný dej, ktorý „úraduje" už od samého vzniku Vesmíru pred cca 14 miliardami rokov. Ide o elektromagnetické žiarenie s typickým spektrálnym rozložením, ktoré závisí len od teploty a ktoré v podobe fyzikálneho vzorca popísal roku 1900 Max Planck pod názvom Žiarenie čierneho telesa. Aby sa vyhol tzv. ultrafialovej katastrofe, ktorá je v rozpore s realitou, vyslovil Planck predpoklad, že energia tohto žiarenia je prenášaná len po konečne veľkých kvantách o veľkosti E = hν, kde h = 6,626...×10−34 J⋅s je konštanta (dnes Planckova) a ν je frekvencia žiarenia.

Vedec pokladal kvantovanie a konštantu h len za matematický obrat, ktorý zaručil súhlas teórie s experimentom. Avšak v roku 1905 zistil Albert Einstein, že ním študovaný fotoelektrický jav vysvetľuje práve hypotéza Maxa Plancka. A neskôr Einstein odôvodnil Planckovu hypotézu štúdiom fotoelektrického javu. Výsledkom bolo roku 1918 udelenie Nobelovej ceny Maxovi Planckovi za vyžarovací zákon a neskôr (1921) Albertovi Einsteinovi za fotoelektrický jav.

Záver

Bežné tepelné izolácie ponúkajú súčiniteľ tepelnej vodivosti cca λ = 0,04 W/(mK) a jeho významný rast s teplotou. Kvalitné termoreflexné súvrstvie potom ponúka λ ≤ 0,01 W/(mK). Aj u nich klesá tepelná izolácia s teplotou, ale takmer bezvýznamne kvôli zhoršeniu jej slabej vodivostnej zložke. Nízkoesmisívne biele a reflexné povrchy navyše chránia naše stavby pred extrémnymi sálavými javmi, hlavne priamym oslnením a sálavým pôsobením ľadovej zimnej oblohy.