Princip akumulace tepla izolací pro energeticky účinné budovy

V České republice se zhruba 1/3 energie z celkového množství asi 1100 PJ spotřebovává ve formě nízkopotenciálního tepla k pokrytí tepelných ztrát budov, konkrétně na vytápění, větrání a na ohřev teplé užitkové vody (TUV). Srovnatelná situace je i v jiných státech s obdobným klimatem jak v Evropské unii, tak v USA. Vedle přednostního snižování tepelné propustnosti stavebních konstrukcí je akumulace tepla jednou z cest snižování energetické náročnosti budov.

Co je akumulace tepla?

Akumulace tepla je schopnost konstrukcí nebo technických prvků „ukládat“ tepelnou energii a s časovým zpožděním ji zase uvolňovat. Umožňuje přenést energii v čase (v protikladu k přenosu v prostoru) z období relativního přebytku do období relativního nedostatku, například den-noc, nebo dokonce léto-zima. V praxi to znamená, že dům nereaguje na změny teploty venku nebo na topení okamžitě, ale vyrovnává výkyvy. Je to jeden z klíčových rozdílů mezi domem, který je „na papíře úsporný“, a domem, ve kterém se dobře žije. Výsledkem je takzvaný časový posun a tlumení teplotních špiček.

Akumulátor tepla je zařízení nebo konstrukce, která slouží k ukládání tepelné energie pro její pozdější využití. Jeho hlavním úkolem je vyrovnávat rozdíly mezi výrobou a spotřebou tepla, a tím zvyšovat účinnost vytápěcího systému. Ideální akumulátor má malý objem, nízkou cenu a malé ztráty energie. K akumulaci energie můžeme využít libovolný vratný nebo cyklický proces, při němž vzrůstá vnitřní energie systému.

Typy akumulace tepelné energie

Popisují se čtyři hlavní principy akumulace tepla:

1. Prostý ohřev akumulační látky (akumulace citelného tepla)
2. Změna skupenství akumulační látky (akumulace latentního tepla)
3. Desorpce vlhkosti z porézních látek v rozsahu hygroskopické sorpční vlhkosti (akumulace sorpčního tepla)
4. Dehydratace krystalických chemicky čistých látek, které ve své struktuře obsahují krystalovou vodu (akumulace chemického tepla)

1. Akumulace citelného tepla

Ohřev pracovní látky je nejjednodušší způsob akumulace tepla, který využívá měrné teplo pracovní látky. Tento způsob akumulace byl historicky první.

Čtěte také: Vlastnosti dřevovláknité izolace – požární odolnost

Voda a jiné látky

Vhodná pracovní látka má mít velkou tepelnou kapacitu a nízkou cenu. Těmto požadavkům nejlépe odpovídá voda, která má ze všech látek největší měrnou tepelnou kapacitu 4,2 kJ/(kg·K). Známý je elektrický zásobníkový ohřívač teplé vody (bojler) nebo zásobník solárního kolektoru. Nejčastějším typem je vodní akumulační nádrž. V menší míře se používá kamenivo nebo jiná pevná látka. Jejich výhodou je především vyšší rozsah provozních teplot a jednodušší konstrukce akumulátoru, mají však výrazně nižší tepelnou kapacitu, pouze 0,8 až 1,0 kJ/(kg·K). Na rozdíl od zásobníků s vodou systém nemůže být poškozen mrazem. Hlavní nevýhodou akumulace citelného tepla je značný objem akumulátoru a skutečnost, že využitelná teplota v průběhu vybíjení klesá.

K akumulaci citelného tepla lze s výhodou využít podloží stavby, pokud je hladina spodní vody v dostatečné hloubce.

Akumulace tepla ve stavebních konstrukcích a role izolace

Akumulace tepla v konstrukci je v moderním stavebnictví mimořádně důležitý pojem, protože popisuje schopnost stavebního systému přijímat, ukládat a postupně uvolňovat teplo tak, aby bylo vnitřní prostředí budovy stabilní, komfortní a energeticky úsporné. Čím je zdivo domu a jeho střecha těžší, tím lépe a déle dům v létě chladí a v zimě naopak teplo drží a chladne pomaleji. K akumulaci citelného tepla ve stavebních konstrukcích se využívají masivní konstrukce a akumulační prvky, které tlumí výkyvy, zlepšují letní i zimní pohodu a umožňují chytřeji řídit spotřebu energie.

Důležité je správné umístění a mohutnost tepelných izolací. Ty by se měly realizovat ideálně na venkovní straně obvodových stěn nebo střechy domu, hned pod fasádou, respektive střešní krytinou. Když přes den na fasádu praží slunce, masivní stěna nebo strop to teplo částečně „sežere“ a dovnitř se dostane později a slabší. Akumulace v zimě pomáhá držet stabilní teplotu: když zatopíte, masivní konstrukce se nahřeje a pak teplo postupně vrací. To má za výhodu menší kolísání, menší „přetápění“ a lepší komfort.

V souvislosti s tímto tématem má pěnový polystyren (EPS) velmi významné postavení, a to především proto, že pomáhá řídit tok tepla v konstrukci a podporuje efektivní využití akumulační schopnosti ostatních stavebních vrstev. Je velmi důležité správně chápat, že pěnový polystyren (EPS) není materiálem, jehož hlavní funkcí je vysoká objemová akumulace tepla. Jeho skutečný přínos spočívá v tom, že díky svým výborným tepelněizolačním vlastnostem vytváří stabilní ochrannou vrstvu, která omezuje nežádoucí únik tepla a umožňuje, aby se akumulační potenciál nosných konstrukcí, potěrů, betonových vrstev, zdiva a dalších částí stavby využíval mnohem účinněji.

Čtěte také: Kročejová izolace a její použití

Pokud má konstrukce dobře fungovat z hlediska akumulace tepla, nestačí pouze použít materiál s určitou schopností ukládat tepelnou energii. Rozhodující je, jak jsou jednotlivé vrstvy konstrukce navrženy, jak spolu tepelně spolupracují a jak účinně je akumulační jádro chráněno proti rychlým tepelným ztrátám. Když je pěnový polystyren (EPS) použit na správné straně konstrukce a ve vhodné tloušťce, výrazně zpomaluje prostup tepla směrem ven a vytváří podmínky pro to, aby teplo uložené v těžších vrstvách zůstávalo v budově déle. To znamená, že budova méně reaguje na krátkodobé změny venkovní teploty, interiér je stabilnější a potřeba vytápění nebo chlazení se snižuje.

Vliv izolace na akumulaci v různých částech budovy:

• Obvodové stěny: V obvodových stěnách je význam pěnového polystyrenu (EPS) pro akumulaci tepla v konstrukci mimořádně zřetelný. Nosná stěna, zejména pokud je tvořena hutnějším materiálem, má schopnost přijímat a do určité míry ukládat teplo. Pokud však není z vnější strany dostatečně tepelně chráněna, dochází k rychlejšímu ochlazování a její akumulační efekt se výrazně snižuje. Když je na fasádě aplikován pěnový polystyren (EPS), omezuje se tepelný tok směrem do exteriéru a nosná vrstva se dostává do příznivějšího teplotního režimu. Díky tomu může konstrukce efektivněji využívat své přirozené akumulační vlastnosti.
• Střechy: U střech má akumulace tepla v konstrukci rovněž zásadní význam. Střecha bývá vystavena vysokému tepelnému zatížení během letních měsíců a zároveň značným tepelným ztrátám v zimě. Pěnový polystyren (EPS) v tomto případě omezuje rychlý prostup tepla střešním pláštěm a přispívá k tomu, aby teplo uložené v dalších vrstvách konstrukce působilo ve prospěch vnitřní stability.
• Podlahové konstrukce: U podlahových konstrukcí má akumulace tepla mimořádný význam zejména v souvislosti s podlahovým vytápěním a s dlouhodobou tepelnou stabilitou interiéru. Když je pod roznášecí vrstvou nebo potěrem použit pěnový polystyren (EPS), omezuje se odvod tepla směrem dolů a tepelná energie zůstává ve větší míře k dispozici v prostoru, kde je skutečně potřebná.

Velmi zajímavý je vztah mezi akumulací tepla v konstrukci a fázovým posunem teplotní vlny. V dobře navržené konstrukci je cílem, aby se venkovní teplotní špičky nepřenášely okamžitě do interiéru. Pěnový polystyren (EPS) v tomto směru výrazně pomáhá, protože omezuje dynamiku prostupu tepla a vytváří podmínky pro klidnější teplotní chování konstrukce. Důležitým přínosem pěnového polystyrenu (EPS) je také jeho rozměrová stabilita, která je zásadní pro dlouhodobé zachování projektovaných parametrů.

Akumulace tepla v konstrukci souvisí také s otázkou tepelných mostů. Pěnový polystyren (EPS) je v tomto směru mimořádně přínosný, protože umožňuje vytvářet souvislou a přesně navazující tepelnou ochranu i v náročných detailech, čímž zabraňuje narušení teplotní rovnováhy.

Vliv umístění izolace na chladnutí stavebních konstrukcí

Následující tabulka ilustruje vliv umístění tepelné izolace na rychlost chladnutí vnitřních povrchů po vypnutí vytápění:

Z tabulky je patrné, že vnitřní zateplení akumuluje do obvodové konstrukce v zimě chlad a v létě zas horko, což se nejvíce projeví při vypnutí topení nebo při snaze o chlazení. Z toho neplyne, že je vnitřní zateplení nevhodné nebo že vede k vyšším ztrátám tepla, ale je nutné mu přizpůsobit režim vytápění tak, aby včas a citlivě reagoval na pokles i růst vnitřní teploty. Chcete-li mít celoročně příjemné prostředí, stavějte z těžkých hmot - těžké stěny, stropy a zejména těžké střechy, a to s vnější izolací.

Čtěte také: Informace o úpravě povrchu dřevovláknité izolace

2. Akumulace latentního tepla (PCM materiály)

Akumulace latentního tepla využívá entalpii fázové změny pracovní látky. K fázové změně dochází za téměř konstantní teploty a právě během ní je materiál schopen akumulovat velké množství energie. V čistých chemických látkách jsou možné tři druhy fázových změn: tání/tuhnutí, výpar/kondenzace a sublimace/resublimace. Ke skladování velkého množství páry by bylo potřeba objemné zařízení odolávající velkým tlakům, z toho důvodu je nejčastěji využitelný pouze fázový přechod mezi tuhou látkou a kapalinou. Používají se látky, které tají při požadované teplotě. Kromě chemicky čistých látek (např. síran sodný Na₂SO₄ × 10H₂O) se používají i směsi (například parafiny), u nichž lze v závislosti na složení dosáhnout požadované teploty fázové změny. Výhodou oproti akumulaci citelného tepla je konstantní teplota a často i menší objem. Jistou nevýhodou je vyšší cena pracovní látky.

Jednou z nevýhod moderních lehkých konstrukcí je nedostatek tepelné hmoty, což může v létě vést k přehřívání, či problémům s udržením tepla v zimě. Tento problém je možné řešit využitím PCM (phase-change materiál) akumulačních materiálů. Specifickou metodou jsou PCM materiály, které kombinují jak teplo citelné, tak teplo latentní.

Aplikace PCM materiálů v budovách

V budovách mohou být PCM materiály umístěny ve stavebních prvcích, jako jsou stěny nebo stropy, nebo mohou být uspořádány do samostatných zásobníků tepla nebo chladu. Nejčastěji jsou využívány jako pasivní systémy k eliminaci teplotních špiček. Dnešní klasické chladicí systémy mohou mít i vyšší energetickou účinnost v případě, kdy využijí přirozených teplotních rozdílů mezi dnem a nocí pro účely chlazení. PCM materiály mohou být použity s využitím přirozeného zdroje tepla a chladu, například solární energie pro vytápění v průběhu večera nebo noci, případně použití nočního chladu pro chlazení během dne. Dále lze PCM použít s umělými zdroji tepla nebo chladu.

Příklad aktivního systému s PCM panely

Technologie aktivního systému pro ohřev a chlazení s akumulací tepla nebo chladu, na níž jsou prováděna měření, je umístěna v laboratoři. Hmotu termálních panelů tvoří směs polymeru ethylenu a organického PCM parafínového vosku. Při teplotě pod 18 °C zůstává parafín v pevném skupenství. Jakmile teplota panelu vzroste, začne se parafín zkapalňovat a absorbovat teplo až do 515 kJ·m^-2 při 18 až 24 °C. Průměrný bod tání je 22 °C, což odpovídá standardním teplotním podmínkám v domácnosti. Mezi druhou a třetí vrstvou těchto panelů se nachází tepelný výměník napojený na zásobníky teplé a studené vody, případně na okruh termoelektrických článků. Systém je v daném složení možno využívat jak pro ohřev, tak i pro chlazení PCM panelů. Měření ukázala, že akumulační panely byly schopny navýšit teplotu vzduchu v místnosti a udržovat ji i během následné chladnější noci. V pasivním režimu, kdy nejsou v provozu jiné aktivní části systému, byly akumulační panely schopny udržovat stabilní průběh teploty vzduchu v místnosti.

Odebírání tepla, případně chladu z termálních panelů je možné i bez aktivního chlazení či ohřevu. Cílem měření bylo zjistit průběh teplot v režimu ohřevu i chlazení. Problematickým faktorem akumulačních panelů je zejména nízký energetický tok, což vychází z nízkého součinitele prostupu tepla. Nicméně i tak je možné daný aktivní systém využívat pro dosažení lepších hodnot tepelné pohody v místnosti.

3. Akumulace sorpčního tepla

Vzduch v obytných stavbách obsahuje při 20°C a 50% relativní vlhkosti asi 8,6 g/m³ vodní páry. Výparná entalpie vody při pokojové teplotě je přibližně 2500 kJ/kg. K akumulaci se využívá bilance tepla při sorpci/desorpci vlhkosti v pracovní látce. Sorpce nezávisí přímo na teplotě, ale na relativní vlhkosti okolního vzduchu, může tedy probíhat při konstantní teplotě. S výjimkou vychladnutí náplně jsou ztráty tepla v této fázi nulové. Představitelem látek z této skupiny je kromě známého silikagelu i jíl, který je hlavní součástí jílovitých zemin a nepálených cihel. Během fáze skladování je třeba zabránit přístupu vlhkosti k pracovní látce.

4. Akumulace chemického tepla

Podobně jako v předchozím případě se využívá výparná entalpie vlhkosti obsažené v pracovní látce. Některé z látek, které obsahují ve své krystalové struktuře chemicky vázanou vodu, ji při zvýšení teploty uvolňují. Při poklesu teploty vodu zpětně absorbují (např.: CaCl₂ CaCl₂ × 2H₂O CaCl₂ × 6H₂O). Akumulační schopnost nezávisí na teplotě v době mezi nabíjením a vybíjením akumulátoru, tepelné ztráty jsou pouze chladnutím náplně, případně neřízeným přístupem vlhkosti. Hlavní nevýhodou je vysoká teplota, jíž je třeba k nabití akumulátoru, proto nejsou vhodné pro spolupráci s plochými kapalinovými kolektory. Akumulátory tepla založené na chemické absorpci vodní páry jsou ve stadiu experimentů. Při nabíjení akumulátorů na principu chemické absorpce vlhkosti se uvolňuje pára o vysoké teplotě, kterou lze s výhodou použít například k ohřevu teplé užitkové vody. Tím, že teplo je využito dvakrát, lze snížit celkovou spotřebu energie.

Inovativní řešení a budoucí trendy

Akumulace tepla v písku

Čeští vývojáři vyvinuli nový otopný a energetický systém pro rodinné domy i velké průmyslové podniky, který funguje na principu akumulace tepla v písku. Takto akumulovaná energie prý dovede za určitých podmínek vytápět vnitřní prostory a ohřívat teplou užitkovou vodu prakticky za nulových provozních nákladů po dobu životnosti zařízení v délce padesát let. Do písku lze dokonce ukládat nejen energii tepelnou, ale i elektrickou, funguje pak jako bateriové úložiště, buď zcela nebo jen částečně. Písek přitom lze nahřívat z vlastní fotovoltaiky nebo ze sítě v době nulových či dokonce záporných cen elektřiny na spotovém trhu. Vznikla tak vlastně alternativa k tradičním bateriím a současným energetickým systémům domů. Pískové úložiště prostě a jednoduše funguje jako akumulátor energie, pokud písek v případě využití v rodinných domech ohřejeme na teplotu cca 400 stupňů Celsia. Z písku se ztratí pouze pět až deset procent tepla za sedm měsíců. Nádoba na písek je izolována speciálním materiálem, který má schopnost odrazit většinu sálavé složky unikajícího tepla zpět do úložiště.

Vlastnosti písku zůstávají dlouhodobě stabilní, písek vydrží neporušený tisíce let, pokud teplota nepřekročí 1300 °C. Pro průměrný rodinný dům je třeba sto metrů krychlových písku, abychom z této hmoty získali 10 MWh uloženého tepla (10 m³ = až 1 MWh energie). Součástí systému je pak též tepelný výměník a kompaktní předávací stanice, která není větší než tradiční kotel a plně jej nahradí. Kromě toho jsou připravovány i projekty spolu se státem pro zabezpečení kritické infrastruktury energiemi, pokud by došlo k nenadálému ohrožení či blackoutu, jelikož kontejnery s pískem a celé zařízení lze kdykoli kamkoli přemístit, jsou plně mobilní. Vyvinuta byla i nová turbína, která dokáže z tepla uloženého v písku zpětně generovat elektřinu s účinností až 51 procent.

Celkové přínosy akumulace tepla

Akumulace tepla v konstrukci je součástí širšího konceptu energetické stability. Akumulace tepla umožňuje efektivně chránit akumulační vrstvy, stabilizovat teplotní režim konstrukcí, zlepšovat fázový posun teplotní vlny, snižovat potřebu chlazení budov, omezovat tepelné mosty, podporovat nízkou roční potřebu tepla na vytápění a přispívat k dlouhodobé energetické účinnosti i provozní spolehlivosti staveb. Budova, která umí lépe hospodařit s teplem, potřebuje méně energie na vytápění i chlazení, vykazuje menší provozní zatížení a vytváří kvalitnější vnitřní prostředí. Investice do kvalitní vrstvy z pěnového polystyrenu (EPS) se tak promítá nejen do lepších tepelnětechnických parametrů, ale i do dlouhodobé ekonomické výhodnosti budovy. Akumulace pomáhá „vyhladit“ provoz topných systémů a čerpadlo běží klidněji, což je extrémně praktické kvůli proměnlivým cenám energií a vlastní výrobě z fotovoltaiky.

Akumulace tepla není jen otázkou zimního provozu. V letním období je stejně důležité, aby konstrukce dokázala tlumit přehřívání a omezovala rychlé pronikání tepla do interiéru. Pěnový polystyren (EPS) i zde významně pomáhá, protože omezuje tepelný tok z exteriéru a podporuje klidnější dynamické chování budovy. Akumulace sama o sobě ale není samospásná: v létě musí být podpořená stíněním a větráním, v zimě rozumnou regulací.

tags: #princip #akumulace #tepla #izolací

Oblíbené příspěvky:

• Přečtěte si recenzi akrylátové vany Besco Modern Slim
• Péče o laminátovou podlahu v domácnosti se psem
• Lišta pro dokonalé zakončení interiéru
• řešení pro energeticky úsporné domy
• Kvalitní betonové ploty Vsetín