POTROŠNJA ENERGIJE U ZGRADAMA
FIZIKALNI PROCESI U ZGRADAMA/GRAĐEVINAMA su procesi koji se događaju unutar građevnih dijelova ili na njihovoj površini, a mogu biti uzrok građevinskoj šteti. Fizikalne procese promatramo u različitim unutarnjim i vanjskim klimatskim uvjetima kojima je građevni dio izložen.
OVOJNICA ZGRADE 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE Pojam ovojnica zgrade odnosi se na obodne dijelove zgrada/građevina koje dijele unutarnji od vanjskog prostora.
OPLOŠJE/OMOTAČ ZGRADE Pojam oplošje zgrade ili omotač zgrade se odnosi na obodne građevne dijelove grijanog dijela zgrade. Oplošje zgrade je ukupna ploština građevnih dijelova (zidovi, prozori, podovi, krovovi, međukatne konstrukcije,...) koji razdvajaju grijani dio zgrade od vanjskog prostora, tla ili negrijanih dijelova zgrade.
POJMOVI VANJSKI UTJECAJI Temperatura zraka Toplinska izolacija Preuzimanje temperature UNUTARNJI UTJECAJI Temperatura zraka Toplinska izolacija Toplinska akumulacija Sunčevo zračenje Refleksija Apsorpcija Vodena para Difuzija vodene pare Parna brana Oborine Kišna brana Stvaranje kondenzata Akumuliranje kondenzata Pritisak vjetra Zaptivanje fuga Vanjska buka Izolacija od buke Propusnost za zrak Zaptivanje fuga Zračni zvuk Upijanje Rafleksija
POJMOVI FIZIKALNI PROCESI Fizikalni procesi u građevnim dijelovima su procesi koji se događaju unutar građevnih dijelova ili na njihovoj površini, a koji mogu biti uzrok građevinskoj šteti. Fizikalne procese promatramo u različitim unutarnjim i vanjskim klimatskim uvjetima kojima je građevni dio izložen. Izloženost oplošja zgrade unutarnjim i vanjskim utjecajima
POJMOVI TOPLINSKI TOK Toplinski tok je izmjena topline između prostora različitih temperatura. GUBITAK TOPLINE Količina topline Q (W) koja prođe kroz građevni dio biti će to veća što je veća: - ploština A (m 2 ) kroz koju prolazi, - vrijednost prolaska topline U (W/m 2 K), - razlika temperature θi θe (ºC) Gubitak topline po jedinici površine biti će manji ako je građevni dio bolje toplinski izoliran i ako se zgrada nalazi na lokaciji s blažom klimom.
POJMOVI VODLJIVOST TOPLINE - λ Materijali imaju različite vrijednosti vodljivosti topline. Oni koje uobičajeno koristimo kao toplinske izolacije imaju vrlo malu vrijednost vodljivosti topline (λ: 0,025 do 0,045 W/mK).
POJMOVI TOPLINSKI OTPOR - R Površinske temperature i temperature u dodirnim ravninama slojeva materijala unutar građevnog dijela ovise o: - toplinsko-izolacijskim svojstvima materijala λ 1, λ 2 (W/mK) - vodljivost topline - debljinama slojeva d 1, d 2 (m) Pad temperature kroz sloj materijala je to veći što je materijal bolji toplinski izolator i što je veće debljine, t.j. što ima veći toplinski otpor: R = d / λ (m²k)/w d debljina sloja materijala u m λ projektna vrijednost toplinske provodljivosti materijala u W/(mK) d 1 d 2 λ 1 λ 1
POJMOVI Koliko će topline građevni dio propustiti ovisi o toplinskom otporu cijele pregrade RT: Ukupan toplinski otpor RT : R T = R si + R 1 + R 2 +... R n + R se (m 2 K)/W R si R 1, R 2,..R n R se unutarnji plošni otpor prijelaza topline u (m 2 K)/W projektne vrijednosti toplinskog otpora svakog sloja u (m 2 K)/W vanjski plošni otpor prijelaza topline u (m 2 K)/W Vrijednosti plošnih otpora prijelaza topline u (m 2 K)/W, ovisno o smjeru toplinskog toka: R si = 0,10 (uvis); 0,13 (vodoravno); 0,17 (naniže) R se = 0,04 (uvis, vodoravno i naniže)
POJMOVI Toplinsko-izolacijska vrijednost nekog građevnog dijela izražava se s njegovim koeficijentom prolaska topline U: Vrijednost prolaska topline U U = 1 / RT W/(m 2 K) Građevni dijelovi koji imaju dobru toplinskoizolacijsku vrijednost imaju malu vrijednost prolaska topline.
POJMOVI VENTILACIJSKI GUBICI Ventilacijski gubici kroz sljubnice prozora, vrata, spojeve različitih građevnih dijelova i sl. imaju značajan utjecaj. Svaka zgrada mora imati i određene ventilacijske gubitke koji nastaju radi potrebne izmjene zraka prostorije.
KRETANJE TOPLINE I VLAGE 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE Građevni dio oplošja zgrade je element koji razdvaja dva prostora različite temperature zraka. Zrak ima određenu temperaturu i vlažnost. Zbog prirodnog procesa izjednačavanja temperatura i pritisaka vodene pare dolazi do: - toplinskog toka kada se toplina kreće iz prostora više temperature prema prostoru niže temperature - difuzije vodene pare kada se vodena para kreće iz prostora s višim pritiskom vodene pare prema prostoru s nižim pritiskom vodene pare. Smjer kretanja topline i vlage je isti jer topli zrak ima veći pritisak vodene pare. Smjer kretanja može biti vodoravan, uzlazni i silazni.
KRETANJE TOPLINE I VLAGE 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE Najvjerojatniji smjer toplinskog i difuznog toka je iz unutarnjeg prema vanjskom prostoru, u zimskom razdoblju, kada vanjski prostor ima znatno nižu temperaturu od unutarnjeg grijanog prostora. Ovisno o potrebnom temperaturnom režimu unutarnjeg prostora ili o podneblju u kojem se zgrada projektira moguć je i obrnuti smjer kretanja toplinskog i difuznog toka: - kada je unutarnji prostor hlađen na nižu temperaturu, a vani ili u susjednoj prostoriji je toplo. - u ljetno vrijeme kada je vanjska temperatura vrlo visoka, a unutarnji su prostori klimatizirani. PRILIKOM ODREĐIVANJA SASTAVA GRAĐEVNOG DIJELA POTREBNO JE POZNAVATI RUBNE TEMPERATURE I VLAŽNOST ZRAKA RADI PROCJENE FIZIKALNOG PROCESA.
RUBNE TEMPERATURE I VLAŽNOST ZRAKA Rubne temperature i vlažnost zraka ovise o: - klimatskom području lokacije zgrade - namjeni unutarnjeg prostora Klimatsko područje: Vanjska projektna temperatura i vlažnost zraka se određuje se prema podacima referentne meteorološke postaje za lokaciju na kojoj se zgrada nalazi. Namjena unutarnjeg prostora: Unutarnja projektna temperatura i vlažnost zraka ovise o djelatnosti koja se odvija u tom prostoru.
Primjeri različitih djelatnosti: 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE temperatura vlažnost ºC % Stanovi: boravišni prostori i radne sobe 18 20 50 60 Spavaonice 15 18 55 70 Kupaonice 22 25 70 80 Apoteke - skladište lijekova 20 27 30 35 Bazeni 22 28 76 80 Prostorije za hlađenje - kravlji sir -2 +2 75
ISPRAVAN FIZIKALNI PROCES 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE Toplina: Vodena para: Kretanje topline se ne može zaustaviti, ono se može samo usporiti (toplinskim otporom građevnog dijela). Najpovoljniji fizikalni proces pretpostavlja da vodena para prođe kroz građevni dio bez zaustavljanja i bez vlaženja materijala. To je moguće ako su materijali paropropusni.
Nepovoljno je ako se u sastavu građevnog dijela nalazi paronepropusni sloj i ako je on smješten na krivom mjestu. Vanjski zidovi: Kod vanjskih zidova treba izbjegavati postavu paronepropusnog sloja s vanjske strane zida jer će on zaustaviti difuziju vodene pare kroz zid na nepovoljnom mjestu (hladna zona) gdje će doći do unutarnje kondenzacije vodene pare i navlaženja zida. Vanjska paronepropusna obloga zida treba biti odvojena od zida ventiliranim slojem. Krovovi: Kod krovova se s vanjske strane izvodi pokrov, odnosno hidroizolacijski sloj na ravnom krovu. Obzirom da je on potreban, krovovi se izvode s toplinskim izolacijama i zaštitnim slojem jakom parnom branom (topli krov), ili s odvojenom ventiliranom konstrukcijom koja nosi pokrov (hladni krov).
PROVJETRAVANA FASADA 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE Izvodi se kod ugradnje vanjskih obloženja na pročeljima koja su u ulozi zaštite od atmosferilija. Takvi materijali (staklo, lim, kamen, keramika, opeka, drvo za vanjske obloge,...) imaju veliku gustoću i paronepropusnost što treba uzeti u obzir kod projektiranja sastava vanjske stijene. Odmicanje paronepropusnog materijala i stvaranje ventilirane zračne šupljine omogućava nesmetan prolazak vodene pare u vanjski prostor (ispravan fizikalni proces).
TOPLI KROV Svi slojevi krova su u međusobnom kontaktu. Zbog paronepropusnog završnog sloja krova potrebno je prije toplinske izolacije ugraditi paronepropusni sloj parnu branu. Iako je difuzija vodene pare zaustavljena (vodena para ne ulazi u toplinsku izolaciju), do kondenzacije vodene pare unutar krova ne dolazi, jer je (zbog prisustva toplinske izolacije) temperatura na tom mjestu povoljna (iznad temperature rošenja).
HLADAN KROV Prozračivana vanjska paronepropusna obloga na krovu (na zasebnoj potkonstrukciji) koja je odijeljena od ostalih slojeva krova, omogućava nesmetan fizikalni proces (prolazak vodene pare i odzračivanje putem provjetravanog sloja).
Zaključno može se reći da, osim o klimatskim uvjetima, fizikalni proces ovisi i o: - vrsti i svojstvima materijala od kojeg je građevni dio sastavljen, - debljini pojedinog sloja materijala, - redoslijedu pojedinih slojeva.
ZIMSKO RAZDOBLJE 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE U zimskom razdoblju zgradu treba toplinski zaštititi da se osigura: - ugodna mikroklima unutarnjeg prostora - smanjenje gubitaka topline - sprječavanje orošavanja oplošja Zbog prirodnog procesa izmjene topline i vlage između unutarnjeg i vanjskog prostora građevne dijelove treba projektirati na način da se osigura ispravan fizikalni proces. ISPRAVAN FIZIKALNI PROCES (prolaska topline/vlage) - ne dopušta se kondenzacija vodene pare u građevnom dijelu ili na njemu u mjeri koja može izazvati građevinsku štetu. GRAĐEVINSKA ŠTETA - očituje se u vlaženju materijala i posljedici da se on mijenja: gubljenje toplinsko-izolacijskih svojstava, propadanje materijala, moguć razvoj mikroorganizama.
ZIMSKO RAZDOBLJE 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE Promjena materijala: - mjesto gdje se spajaju različiti materijali je toplinski most zbog različitih pojedinačnih svojstava materijala i kroz to različitih tokova topline i uzajamnog djelovanja. Promjena debljine i geometrije: - mjesta gdje je promjena debljine sloja materijala ili promjena geometrije građevnog dijela je toplinski most jer postoji razlika između površina kroz koje ulazi i izlazi toplina.
ZIMSKO RAZDOBLJE 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE Zbog povećanih toplinskih gubitaka na toplinskim mostovima postoji razlika u unutarnjim površinskim temperaturama između karakterističnog dijela oplošja i mjesta gdje je toplinski most. Ukoliko je unutarnja površinska temperatura preniska može doći do površinske kondenzacije vodene pare. PRIMJER UNUTARNJE POVRŠINSKE TEMPERATURE NA KARAKTERISTIČNOM DIJELU ZIDA I NA TOPLINSKOM MOSTU (UGLU ZIDOVA) ZA: - TOPLINSKI IZOLIRANE ZIDOVE - TOPLINSKI NEIZOLIRANE ZIDOVE
ZIMSKO RAZDOBLJE 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE Površinska kondenzacija se primjećuje na unutarnjim plohama oplošja kao rošenje - na staklu kao zamagljenje, a na zidovima i stropovima rošenje ima za posljedicu razvoj gljivica i plijesni koje su opasne po zdravlje.
LJETNO RAZDOBLJE 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE U ljetnom razdoblju zgradu treba toplinski zaštititi da se postigne: - ugodna mikroklima unutarnjeg prostora - kontrola toplinskog rada građevnih dijelova LJETNA TOPLINSKA ZAŠTITA neće dopustiti pregrijavanje unutarnjeg prostora u mjeri u kojoj nije ugodan za boravak. GRAĐEVINSKA ŠTETA očituje se u deformacijama materijala zbog promjene temperature. KONTROLIRANI TOPLINSKI RAD građevnih dijelova se postiže toplinskom zaštitom i dilatacijama.
LJETNO RAZDOBLJE 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE Ljeti je potrebno postići ujednačenu temperaturu zraka unutarnjeg prostora tijekom dana i noći. Ugodna mikroklima unutarnjeg prostora u ljetnom vremenu postiže se: svojstvima neprozirnih dijelova oplošja da priguši temperaturne oscilacije zaštitom prozirnih dijelova oplošja od direktnog sunčevog zračenja
LJETNO RAZDOBLJE 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE LJETNA ZAŠTITA NEPROZIRNIH GRAĐEVNIH DIJELOVA Masivni građevni dijelovi imaju zadovoljavajuća svojstva toplinske zaštite u ljetnom vremenu (ljetna toplinska stabilnost). Lagani građevni dijelovi (s plošnom masom manjom od 100 kg/m 2 ) imaju zadovoljavajuća svojstva samo ako imaju dobru toplinsku zaštitu, t.j. nisku vrijednost koeficijenta prolaska topline U [W/(m 2 K)], odnosno veću debljinu sloja toplinske izolacije.
LJETNO RAZDOBLJE 8a. FIZIKALNA SVOJSTVA ZGRADE LJETNA ZAŠTITA PROZIRNIH GRAĐEVNIH DIJELOVA Postiže se zaštitnim sredstvima o obliku elemenata za zasjenjenje ili posebnim staklima. Kod elemenata za zasjenjenje bitan je položaj elementa, jer je učinkovit samo kada je smješten s vanjske strane prozirnog građevnog dijela.
MINIMALNA TOPLINSKA ZAŠTITA Minimalna toplinska zaštita građevnih dijelova zgrade ima za posljedicu velike toplinske gubitke kroz oplošje zgrade te zahtjeva više energije za grijanje (veću količinu toplinske energije).
ENERGETSKI UČINKOVITO PROJEKTIRANE ZGRADE Energetski učinkovito projektirane zgrade imaju male gubitke topline kroz oplošje, a velike dobitke od sunca. Zbog toga trebaju manje energije za grijanje zgrade.
ENERGETSKI UČINKOVITO PROJEKTIRANE ZGRADE Energetski učinkovito projektirane zgrade se razvrstavaju prema godišnjoj potrebnoj toplini za grijanje Qh na: - niskoenergetske zgrade 40 (50) kwh/(m 2.a) - pasivne zgrade 10 (15) kwh/(m 2.a) - nulenergetske zgrade ~ 0 kwh/(m 2.a)
ENERGETSKI UČINKOVITO PROJEKTIRANE ZGRADE DEBLJINA TOPLINSKE IZOLACIJE Danas izvrsne toplinske zaštite postižu se s debljinama uobičajenih toplinskoizolacijskih materijala od 10 do 20 cm. Debljine ispod 10 cm su učinkovite u određenim okolnostima, a iznad 20 cm neekonomične jer materijal i izvedba sustava znatno poskupljuje gradnju. Ipak, velike debljine toplinske izolacije primjenjuju se za postizanje standarda niskoenergetskih ili pasivnih kuća, te posebno u vrlo hladnim podnebljima na Zemlji. Potreba za sve većim debljinama toplinske izolacije potiče tehnologiju novih materijala (VIP ploče, SKYTECH i dr.) koji mogu biti tanji.