Podcast o Fyzika budov a prenos tepla

Kapitoly

Základy šírenia tepla

Tepelné mosty a pocit chladu

Voda, para a termodynamika

Energetická bilancia budovy

Vetranie a rekuperácia

Energetické triedy a tepelná pohoda

Tepelné mosty a vlhkosť

Zákony a výpočty

Absolútna nula

Energia a budovy

Softvér v praxi

Kľúčové hodnoty U

Zhrnutie a záver

Přepis

Lenka: Už si sa niekedy v zime dotkol okna a cítil, aké je ľadové, aj keď je vnútri teplo? Alebo si si všimol, ako sa na ňom zráža voda?

Lukáš: Presne toto sú javy, ktorými sa zaoberá stavebná fyzika. A práve na ňu sa dnes pozrieme. Vitajte pri Studyfi Podcast.

Lenka: Dobre, Lukáš, poďme na to. Prečo sa teplo vlastne hýbe? Prečo mi uniká von oknom?

Lukáš: Pretože existuje takzvaný tepelný tok. Ten potrebuje dve veci: zdroj tepla, čo je tvoja izba, a tepelný gradient, teda rozdiel teplôt medzi interiérom a exteriérom.

Lenka: A ako sa to teplo šíri? Lieta si len tak vzduchom?

Lukáš: Skoro. Má tri hlavné spôsoby: vedenie, prúdenie a sálanie. To je úplný základ, ktorý musíš vedieť.

Lenka: Dobre, takže to studené miesto na stene alebo pri okne je miesto, kde teplo uniká rýchlejšie?

Lukáš: Presne tak. Nazývame to tepelný most. Je to vlastne konštrukčná chyba s deformovaným teplotným poľom.

Lenka: A je to problém?

Lukáš: Obrovský! Na Slovensku ich hodnotíme podľa toho, či najnižšia vnútorná teplota neklesne pod kritickú teplotu, pri ktorej vznikajú plesne. A to nechceš.

Lenka: Rozhodne nie! A čo podlahy? Prečo je dlažba vždy pocitovo chladnejšia ako koberec?

Lukáš: To je kvôli tepelnej prijímavosti. Čím je vyššia, tým sa nám zdá podlaha studenšia, lebo rýchlejšie odoberá teplo z našich nôh.

Lenka: A tá zrazená voda na okne, to je čo?

Lukáš: To je kondenzácia. Súvisí s difúziou vodných pár, čo je pohyb pary v materiáli na základe rozdielu tlakov. Tieto dva javy sú kľúčové pri prenose látky.

Lenka: Znie to celé ako veľmi zložitá veda.

Lukáš: Všetko to stojí na dvoch jednoduchých termodynamických vetách. Prvá je o zachovaní energie a druhá hovorí, že teplo sa nikdy samovoľne nešíri z chladnejšieho miesta na teplejšie. Proste si vždy vyberie ľahšiu cestu von do zimy.

Lenka: Takže vďaka stavebnej fyzike vieme, ako tomu teplu v úteku zabrániť. Super, poďme na ďalšiu tému.

Lenka: ...a presne takto sa tie sily rozkladajú. Ale keď už hovoríme o silách a energiách, poďme sa pozrieť na niečo, čo cítime každý deň, hlavne teraz v zime... teplo.

Lukáš: Presne tak, Lenka. Prechádzame k tepelnej technike. A to nie je len o tom, či nám je teplo alebo zima. Je to celá veda o tom, ako energia prúdi v budovách. A celé sa to točí okolo jednej kľúčovej rovnice, ktorá vyzerá zložito, ale v skutočnosti je to len jednoduché sčítanie a odčítanie.

Lenka: Super, rovnice mám "najradšej". Tak sem s ňou. O čo ide?

Lukáš: Je to rovnica energetickej bilancie. Hovorí, že tepelné straty sa musia rovnať tepelným ziskom a výkonu vykurovania. Znie to ako: QT plus Qv sa rovná Qs plus Qp plus Qe plus H.

Lenka: Páni, to je viac písmen ako v abecede. Môžeš to preložiť do ľudskej reči?

Lukáš: Jasné. QT je tepelná strata cez steny, strechu, okná... proste vedením tepla von. A Qv je strata vetraním. To sú tie zlé správy, teplo, ktoré nám uniká.

Lenka: Okej, takže strácame teplo cez steny a vetraním. Chápem. A tie zisky?

Lukáš: Tie sú zaujímavejšie. Qs je tepelný zisk zo slnka. Qp je teplo od ľudí – áno, každý z nás je taký malý radiátor. A Qe sú zisky z vnútorných zdrojov... napríklad z počítača, chladničky alebo keď pečieš koláč.

Lenka: Takže keď mám doma párty, vlastne si kúrim hosťami a notebookom?

Lukáš: V podstate áno! A to posledné písmeno, H, je výkon vykurovacieho systému. Ten dorovnáva rozdiel, aby si mala doma príjemne teplo.

Lenka: Spomínal si straty vetraním. To znamená, že by sme nemali vetrať? To znie nezdravo.

Lukáš: To určite nie! Vetranie je kľúčové pre zdravé prostredie. Norma dokonca hovorí, že minimálna intenzita výmeny vzduchu v obytných miestnostiach má byť aspoň polovica objemu miestnosti za hodinu.

Lenka: Takže ako vetrať a zároveň neprichádzať o všetko to drahé teplo?

Lukáš: A tu prichádza na scénu superhrdina menom rekuperácia. Je to spätné získavanie tepla. Predstav si to ako výmenník tepla. Teplý, vydýchaný vzduch, ktorý ide von, odovzdá svoje teplo čerstvému, studenému vzduchu, ktorý prichádza dnu.

Lenka: Takže ten čerstvý vzduch sa predhreje a my nemusíme toľko kúriť? To je geniálne!

Lukáš: Presne tak. Minimalizujú sa tým tepelné straty. A práve toto je jeden z kľúčových prvkov v moderných nízkoenergetických domoch.

Lenka: Keď už hovoríme o moderných domoch, často počuť o energetických triedach. A, B, A0... Čo to znamená?

Lukáš: Je to jednoduché stupňovanie. Trieda B, teda nízkoenergetická úroveň, znamená, že budova má veľmi dobre zateplený obvodový plášť. Proste hrubú izoláciu.

Lenka: Okej, to je základ.

Lukáš: Trieda A, alebo ultranízkoenergetická, k tomu pridáva práve tú mechanickú ventiláciu s rekuperáciou tepla, o ktorej sme hovorili.

Lenka: A tá najvyššia, A0?

Lukáš: To je takmer nulová úroveň. Tam máme všetko predtým – super zateplenie, rekuperáciu – a navyše sa pridá nejaký obnoviteľný zdroj energie. Napríklad fotovoltika na streche.

Lenka: Takže od 1. januára 2021 musia byť všetky nové budovy v triede A0. To je dosť veľký skok, nie?

Lukáš: Je, ale je to nevyhnutné pre udržateľnosť. Ale nestačí mať len úsporný dom. Musíme sa v ňom aj dobre cítiť. A to je o tepelnej pohode.

Lenka: Čo môže narušiť tepelnú pohodu, ak je celková teplota v miestnosti v poriadku?

Lukáš: Napríklad príliš veľký vertikálny teplotný gradient. Ak máš pri hlave o niekoľko stupňov teplejšie ako pri nohách, bude ti nepríjemne. Telo to vníma ako diskomfort, aj keď priemerná teplota je ideálna.

Lenka: To poznám z niektorých starých budov. Pri zemi zima a hore teplo. A koľko ľudí musí byť spokojných, aby sa prostredie považovalo za akceptovateľné?

Lukáš: Norma je celkom zhovievavá. Hovorí, že prostredie je akceptovateľné, ak je s ním spokojných aspoň 80% ľudí. Nikdy sa nezavďačíš všetkým.

Lenka: Hovorili sme o zateplení, ale občas počujem pojem "tepelný most". Znie to ako nejaká skratka pre teplo.

Lukáš: Je to presne to. Je to miesto v konštrukcii, kde teplo uniká oveľa rýchlejšie ako inde. Predstav si to ako dieru v zateplení. Napríklad zle osadené okno alebo balkónová doska.

Lenka: A to je problém, lebo tam strácame teplo...

Lukáš: Nielen to. Povrch na vnútornej strane je v mieste tepelného mosta oveľa chladnejší. A na studenom povrchu sa zráža vlhkosť. A kde je vlhkosť, tam sa darí...?

Lenka: Plesniam! To nikto nechce.

Lukáš: Presne. Preto existuje rovnica na vylúčenie rizika vzniku plesní. Zjednodušene hovorí, že vnútorná povrchová teplota musí byť vždy bezpečne nad teplotou rosného bodu. Teda nad teplotou, pri ktorej sa vodná para mení na vodu.

Lenka: Takže správne navrhnutá konštrukcia tomu zabráni. Ako to súvisí s materiálmi?

Lukáš: Veľmi úzko. Materiály klasifikujeme podľa toho, ako prepúšťajú vodnú paru. Sú difúzne otvorené, čiastočne priepustné a difúzne nepriepustné. Dôležité je ich správne usporiadať.

Lenka: A aké je pravidlo?

Lukáš: Ak máme konštrukciu, ktorá obklopuje teplé a vlhké prostredie, napríklad kúpeľňu, tak vrstvy, ktoré bránia prechodu pary – tie difúzne uzavreté – by mali byť na vnútornej, teplej strane. Aby sa vlhkosť nedostala dovnútra konštrukcie, kde by mohla kondenzovať.

Lenka: Fyzika by nebola fyzikou bez zákonov. Ktoré sú dôležité v tepelnej technike?

Lukáš: Určite Stefan-Boltzmannov zákon. Ten opisuje, koľko tepla vyžaruje teleso sálaním. Čím je teplejšie, tým viac žiari. Je to základ pre pochopenie tepelných strát sálaním.

Lenka: A čo plyny? Vzduch je zmes plynov...

Lukáš: Tu nám pomáha Daltonov zákon. Hovorí niečo veľmi intuitívne. Celkový tlak zmesi plynov, ako je napríklad vlhký vzduch, sa rovná súčtu tlakov jednotlivých zložiek. Teda súčtu tlaku suchého vzduchu a tlaku vodnej pary.

Lenka: Takže sa to dá jednoducho sčítať?

Lukáš: Presne tak. Každý plyn sa tvári, akoby tam tie ostatné ani neboli. Je to taká... plynová demokracia.

Lenka: To sa mi páči. Ešte posledná vec k výpočtom. Všade vidím veličiny R a U. Aký je medzi nimi rozdiel?

Lukáš: Je to vlastne len prevrátená hodnota. R je tepelný odpor. Čím je väčší, tým lepšie materiál izoluje. Počíta sa ako hrúbka vrstvy delená jej tepelnou vodivosťou.

Lenka: Takže veľké R je dobré.

Lukáš: Áno. A U je súčiniteľ prechodu tepla. To je vlastne 1 delené celkovým odporom. Takže U nám hovorí, koľko tepla prejde cez meter štvorcový konštrukcie pri rozdiele teplôt jeden stupeň. Tu chceme, aby bolo U čo najmenšie.

Lenka: Super, takže si treba pamätať: chceme veľké R a malé U. Dáva to zmysel. Je toho naozaj veľa, ale keď sa to takto rozoberie, je to oveľa jasnejšie.

Lukáš: Presne o to ide. Pochopiť princípy, nie sa len bifľovať vzorce. A tieto princípy potom vidíš všade okolo seba, v každej jednej budove.

Lenka: Výborne, Lukáš, ďakujem ti za skvelé vysvetlenie tepelnej techniky. Myslím, že naši poslucháči si odteraz budú všímať nielen to, ako budovy vyzerajú, ale aj ako fungujú. Nabudúce sa pozrieme na to, ako sa v budovách šíri zvuk...

Lenka: Takže tá druhá veta nám v podstate hovorí, že v živote aj vo vesmíre vládne chaos. Čo nám k tomu povie tretia veta?

Lukáš: Presne tak. Tretia termodynamická veta, alebo Nernstova veta, je o absolútnej nule. Hovorí, že je nemožné dosiahnuť teplotu absolútnej nuly. Pri tejto teplote by bola zmena entropie nulová.

Lenka: Takže vesmír nám hovorí „stop, ďalej sa už nedá ochladzovať“?

Lukáš: V podstate áno. Je to taká konečná stanica. Ale aj keď sa k nej nikdy nedostaneme, tieto princípy sú kľúčové pre moderné technológie.

Lenka: Dobre, to znie veľmi teoreticky. Kde vidíme termodynamiku v bežnom živote? Napríklad pri stavbe domu?

Lukáš: Výborná otázka! Súvisí to s energetickou hospodárnosťou. Aj taký „Manifest 2020“ tlačí na zmenu. Chce, aby sme stavali budovy s takmer nulovou spotrebou energie, čo rieši zmenu klímy.

Lenka: A ako na to? Aký je správny postup?

Lukáš: Vždy sa začína minimalizáciou potreby energie, napríklad zateplením. Až potom prichádzajú na rad efektívne systémy kúrenia a nakoniec obnoviteľné zdroje, ako solárna energia.

Lenka: Takže najprv opraviť diery v streche a až potom kupovať výkonnejší kotol.

Lukáš: Presne tak! Logické, však? A práve o tých obnoviteľných zdrojoch si povieme viac už o chvíľu.

Lenka: A sme vo finále! Posledná téma pre dnešok, no myslím, že jedna z najdôležitejších v súčasnej architektúre – energetická hospodárnosť.

Lukáš: Presne tak, Lenka. Je to obrovská téma. A začnime hneď kľúčovou definíciou. Čo je to vlastne budova s takmer nulovou potrebou energie?

Lenka: Dobrá otázka. Znie to ako niečo z ďalekej budúcnosti.

Lukáš: Ale už je to súčasnosť! Je to budova, ktorá potrebuje extrémne málo energie na svoje fungovanie. A to málo, čo potrebuje, si z veľkej časti zabezpečí sama... najmä z obnoviteľných zdrojov priamo na mieste alebo v blízkosti.

Lenka: Takže dom si energiu vyrába skoro sám? Ešte chvíľu a bude nám ju aj predávať.

Lukáš: No, v podstate áno! A aby sme nezabudli, toto nie je žiadne sci-fi. Všetky novostavby na Slovensku musia spĺňať tento štandard už od prvého januára 2021.

Lenka: Páni, to je skvelé. Ale ako to architekt dokáže navrhnúť a overiť? To sa asi nedá len tak odhadnúť.

Lukáš: Určite nie. Na to existujú špecializované programy. Najčastejšie sa v praxi stretneš s prípravou takzvaného projektového hodnotenia energetickej hospodárnosti. Na to slúži napríklad softvér PEHA.

Lenka: PEHA? Čo všetko taký program potrebuje vedieť?

Lukáš: Potrebuje presné dáta. Nestačí mu len pôdorys. Musíš mu dať kompletný projekt stavby s presnými rozmermi a hlavne skladbami všetkých konštrukcií – od podlahy až po strechu.

Lenka: A čo také zradné miesta ako rohy alebo okná? Takzvané tepelné mosty?

Lukáš: Výborná poznámka! Na detailné posúdenie tepelných mostov sa používajú iné nástroje, napríklad softvér THERM. Ten dokáže odhaliť miesta, kde teplo uniká najviac.

Lenka: Dobre, poďme na konkrétne čísla. Aké sú dnes požiadavky na zateplenie? Čo napríklad strecha?

Lukáš: Zapamätaj si hodnotu U. Je to súčiniteľ prechodu tepla a čím je nižší, tým lepšie konštrukcia izoluje. Pre strechy je dnes požadovaná hodnota U rovná 0,15 W/(m2.K).

Lenka: A čo obvodové steny, ktoré tvoria najväčšiu plochu domu?

Lukáš: Tam je požiadavka o niečo miernejšia, U sa rovná 0,22. A pre podlahy na teréne je to 0,40 W/(m2.K).

Lenka: Takže pre študentov je kľúčové zapamätať si: strecha 0,15, steny 0,22. To sú dnes normy pre novostavby.

Lukáš: Presne tak. Tieto čísla sú základom pre dosiahnutie tej takmer nulovej potreby energie.

Lenka: Lukáš, čas nám vypršal. Bolo to opäť veľmi poučné. Ako by si zhrnul túto tému na záver?

Lukáš: Kľúčový odkaz je, že energetická hospodárnosť už nie je len bonus, ale povinnosť. Všetky nové budovy musia byť extrémne úsporné. Architekti na to používajú špecializovaný softvér ako PEHA a musia dodržiavať prísne normy, hlavne hodnoty U pre konštrukcie.

Lenka: Super. Ďakujem ti veľmi pekne za všetky cenné informácie nielen v tejto časti, ale v celom našom podcaste.

Lukáš: Aj ja ďakujem za pozvanie. Bolo mi potešením.

Lenka: A vám, milí poslucháči, ďakujeme za pozornosť. Veríme, že ste sa naučili niečo nové a držíme vám palce. Majte sa krásne!

Lukáš: Dopočutia.