Technologické limity zateplenia panelových bytových domov

Tepelnotechnické vlastnosti obvodových konštrukcií vo významnej miere ovplyvňujú energetickú náročnosť panelových bytových domov. V súčasnej stavebnej praxi dochádza však často k podceňovaniu dimenzovania tepelnoizolačných systémov.

Tepelnoizolačné systémy sa navrhujú z hľadiska ekonomickej návratnosti vzhľadom na ceny energie v minulosti. V priebehu niekoľkých rokov sa tak môže tento spôsob obnovy stať zastaraným. Okrem energetickej náročnosti objektu je nutné venovať zvláštnu pozornosť spôsobu kotvenia tepelnoizolačného systému.
 
Typy izolačných materiálov a ich použitie
Ako izolačný materiál sa v súčasnosti v rámci tepelnoizolačných kontaktných systémov používa extrudovaný polystyrén a minerálna vlna. Nanovo stanovené požiadavky v STN 73 0802/01: 2011 (Požiarna bezpečnosť stavieb. Spoločné ustanovenia) týkajúce sa šírky požiarne odolných zón medzi jednotlivými oknami fakticky vylučujú použitie klasického fasádneho polystyrénu v prípade zatepľovania obvodových stien so súvislým radom okien, ako je to v prípade panelových domov. Zateplenie priečelí tepelnou izoláciou na báze minerálnej vlny sa však odráža v navýšení ceny.

V prípade štítových a bočných stien si môže investor vybrať, či sa na ich zateplenie použije tepelná izolácia na báze expandovaného polystyrénu, alebo minerálnych vlákien. Na štítových alebo bočných stenách sa totiž počíta s minimálnou zasklenou plochou.

Neprehliadnite!

Momentálne prebieha veľká súťaž o príspevok na zateplenie rodinného domu 5 × 500 eur!
 
www.domvovaticke.sk

Zateplenie z ekonomického hľadiska
Hrúbka tepelnej izolácie sa musí navrhnúť tak, aby sa splnili platné normatívne požiadavky (STN 73 0540: 2002 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov). Aby sa po zateplení panelového bytového domu dosiahla odporúčaná hodnota súčiniteľa prechodu tepla, je nutné obvodové murivo zatepliť tepelnou izoláciou s hrúbkou 90 až 140 mm v závislosti od typu obvodovej konštrukcie daného panelového domu. Ak sa má po obnove dosiahnuť pasívny štandard, takéto riešenie predpokladá použitie tepelnej izolácie s hrúbkou 300 a viac milimetrov. Takýto prístup sa však spája s vyššími finančnými nákladmi.

Bežné fasádne tepelné izolácie sa vyrábajú v hrúbke do 200 mm, čo sa zároveň považuje za limitnú hrúbku pre jednovrstvovú konštrukciu. Táto hranica neprináša žiadne významné navýšenie finančných nákladov, pretože aj kotvenie jednotlivých vrstiev sa realizuje štandardnou metódou. V prípade väčších hrúbok sa musia použiť dve vrstvy tepelnej izolácie. Z tepelnotechnického hľadiska ide o výhodné riešenie, pretože tak dochádza k potlačeniu tepelných mostov medzi doskami tepelnej izolácie, avšak investičné náklady rastú. Vhodnosť použitia viacerých vrstiev tepelnej izolácie z ekonomického hľadiska závisí od viacerých faktorov. Predovšetkým od pôvodného súčiniteľa prechodu tepla danej konštrukcie, aktuálnej ceny energie, ceny kompletnej skladby tepelnoizolačného systému, hrúbky, pri ktorej je nutné použiť ďalšiu vrstvu, a od dodatočných nákladov spojených s aplikáciou ďalšej vrstvy.

Na výpočet hrúbky tepelnej izolácie možno použiť optimalizačný výpočet, v ktorom sa zohľadnia konkrétne podmienky. Do výpočtu sa zahŕňa cena zateplenia, cena ušetrenej energie, klimatické podmienky, vývoj cien za energiu a cena investovaných peňazí vyjadrená diskontom. Modelový výpočet sa realizoval pre dva varianty pôvodnej konštrukcie (variant 1a, b) a tri varianty zohľadňujúce aktuálnu cenu energie (varianty 2a, b, c). Do úvahy sa brala konštantná cena aplikovaného tepelnoizolačného systému na štvorcový meter. Ceny štandardných hrúbok tepelnoizolačných systémov sa určili z podkladov firiem zaoberajúcich sa zatepľovaním, a to v súlade s realizovanými rozpočtami a statickými stavebnými tabuľkami. V prípade nadštandardného zateplenia sa urobil odborný odhad. V cene viacvrstvových systémov sa odráža vyššia prácnosť, riziko novej technológie a zvýšené náklady na väčšie množstvo použitého materiálu.

Obr. 1  Ekonomická optimalizácia zateplenia menej kvalitnej konštrukcie (variant 1a) a kvalitnejšej konštrukcie (variant 1b)	Obr. 2  Ekonomická optimalizácia zateplenia pri uvažovanej cene tepla 18,72 €/GJ (variant 2a), 27 €/GJ (variant 2b), 42 €/GJ (variant 2c)

V prvom variante sa realizoval výpočet optimálnej hrúbky tepelnej izolácie, a to pre rozličné tepelnotechnické vlastnosti pôvodnej konštrukcie – sendvičového štítového panelu VVÚ ETA, pri cene energie 27 eur/GJ. Vo variante 1a sa berie do úvahy hrúbka vnútornej tepelnej izolácie panelu 40 mm a vo variante 1b s 80 milimetrami (tab.). V druhom variante sa realizovalo porovnanie optimálnej hrúbky tepelnej izolácie pri rozličných cenách za teplo (variant 2a, b, c).

Efektívna hrúbka tepelnej izolácie sa tu hodnotí pomocou dvoch ekonomických ukazovateľov – jednoduchá návratnosť a NPV (net present value – čistá súčasná hodnota). Vhodnejším ukazovateľom je NPV, pretože sa v ňom zohľadňuje hodnota peňazí v čase. Časový rad 20 až 30 rokov, počas ktorého sa investícia do príslušného typu tepelnej izolácie hodnotí, je totiž natoľko dlhý, že časovú hodnotu nemožno v žiadnom prípade zanedbať.

Z výpočtu vyplýva, že z ekonomického hľadiska je najvhodnejšia hrúbka tepelnej izolácie 120 až 200 mm (obr. 1). Po prekročení hrúbky 200 mm dochádza ku skokovému nárastu ceny. Krivka prostej návratnosti má veľmi plochý tvar, čo zvádza k tvrdeniu, že je rovnako výhodné použiť akúkoľvek hrúbku tepelnej izolácie medzi 120 a 200 mm. Ide však o skreslený obraz ekonomickej efektívnosti. V súlade s vhodnejším ukazovateľom, a to NPV, sa ako optimálna hrúbka tepelnej izolácie javí 200 mm pre obidva varianty pôvodnej konštrukcie. Po skokovom navýšení ceny zisk mierne klesá (obr. 1). Krivka NPV stúpa strmo až po hrúbku zateplenia 120 mm, potom nárast ceny nie je až taký významný. Ekonomická efektivita zateplenia medzi 120 a 200 mm sa príliš nelíši, preto sa odporúča realizovať zateplenie s hrúbkou tepelnej izolácie v tomto rozmedzí (obr. 3).

V prípade zateplenia menej kvalitnej pôvodnej konštrukcie (variant 1a) je hodnota NPV kladná aj pri menšej hrúbke tepelnej izolácie, čo znamená, že investícia má zmysel. V prípade kvalitnejšej pôvodnej konštrukcie (variant 1b) je hodnota NPV záporná pre akúkoľvek hrúbku tepelnej izolácie menšiu ako 40 mm.

Výsledný súčiniteľ prechodu tepla pri hrúbke zateplenia 200 mm je 0,18 W/(K . m²), a to v prípade menej kvalitnej pôvodnej konštrukcie s hrúbkou vnútornej izolácie panelu 40 mm a 0,15 W/(K . m²) v prípade pôvodnej konštrukcie s hrúbkou vnútornej izolácie panelu 80 mm.

V druhom variante sa realizoval výpočet optimálnej hrúbky tepelnej izolácie pri uvažovaní s tromi rozličnými cenami tepla (18,72 €/GJ; 27 €/GJ, 42 €/GJ) a pri súčiniteli prechodu tepla pôvodnej konštrukcie 0,89 W/(K . m²). Vyhodnotenie sa realizovalo rovnako ako v prípade variantu 1 podľa ukazovateľa NPV.

Pre variant s predpokladanou najnižšou cenou tepla (variant 2a) vychádza opäť najvhodnejšia hrúbka tepelnej izolácie v rozpätí od 12 do 200 mm (obr. 2). Pri aplikácii druhej vrstvy tepelnej izolácie dochádza ku skokovému nárastu ceny. Ušetrené náklady na tepelnú energiu pri použití väčšej hrúbky tepelnej izolácie nepokryjú v tomto prípade zvýšené náklady na väčšiu hrúbku tepelnej izolácie, pretože cena energie je príliš nízka. V prípade variantu s najvyššou cenou tepla (variant 2c) nie je skokový nárast ceny pri aplikácii druhej tepelnoizolačnej vrstvy taký významný v porovnaní s ušetrenými nákladmi za energiu. Z toho vyplýva, že v tomto prípade je optimálne voliť hrúbku tepelnej izolácie čo najväčšiu, teda 300 mm. Krivka NPV je strmšia v rozmedzí hrúbky tepelnej izolácie 120 až 200 mm pri vyšších cenách energie (2c), a preto je z ekonomického hľadiska výhodnejšie aplikovať tepelnú izoláciu s väčšou hrúbkou, aspoň 200 mm.

Zateplenie z environmentálneho hľadiska
Aplikáciou tepelnoizolačného systému na panelové domy dochádza k redukcii tepelnej straty prechodom tepla cez obalovú konštrukciu domu, a tým k zníženiu spotreby tepla na vykurovanie budovy, teda ku zníženiu energie potrebnej na jej prevádzku. Pri ťažbe a spracovávaní surovín na výrobu tepelnej izolácie a ostatných súčastí tepelnoizolačného systému, pri ich výrobe, doprave a realizácii sa spotrebúva veľké množstvo energie označované ako zviazaná spotreba energie. Táto energia sa spája s produkciu CO₂, čo negatívne vplýva na životné prostredie. Z hľadiska zníženia negatívneho dosahu na životné prostredie má zmysel aplikovať tepelnoizolačný systém, pokiaľ bude množstvo ušetrených prevádzkových emisií CO₂ v priebehu životného cyklu stavby vyššie ako hodnota zviazaných emisií CO₂.

Množstvo ušetrených prevádzkových nákladov emisií CO₂ sa líši v závislosti od použitého druhu paliva na vykurovanie bytového domu. Teplo na vykurovanie sa do bytových domov dodáva väčšinou systémami CZT (centrálny zdroj tepla) a vyrába sa v teplárni alebo ako odpadový produkt v elektrárni. Ako palivo sa teda bežne používa uhlie, mazut a zemný plyn. Rozličný nárast krivky spôsobuje fakt, že pri spaľovaní hnedého uhlia sa na jednotku získanej energie vyprodukuje väčšie množstvo emisií CO₂ (0,357 kg/kWh) ako pri spaľovaní zemného plynu (0,198 kg/kWh).

Množstvo zviazaných emisií CO2 závisí od druhu tepelnej izolácie. Ako súčasť tepelnoizolačných systémov sa najčastejšie používa tepelná izolácia na báze expandovaného polystyrénu (obr. 4) a minerálnej vlny. Výroba minerálnej vlny je energeticky výrazne náročnejšia, a preto je množstvo vyprodukovaných emisií CO₂ na 1 m³ materiálu (241,08 kg/m³) štyrikrát väčšie ako zviazané emisie CO₂ vznikajúce pri výrobe expandovaného polystyrénu (60,30 kg/m³).

Návratnosť zviazaných emisií CO₂ lineárne stúpa so zväčšujúcou sa hrúbkou tepelnej izolácie v tepelnoizolačnom systéme. Pri porovnaní s ekonomickou prostou návratnosťou má návratnosť zviazaných emisií CO₂ nižšie hodnoty, pretože množstvo emisií uvoľňovaných pri výrobe energie z hnedého uhlia alebo zemného plynu je vysoké. Pokiaľ by sa na výrobu tepla použil zemný plyn, tak pri hrúbke tepelnej izolácie na báze expandovaného polystyrénu s hrúbkou 200 mm je návratnosť emisií CO₂ jeden rok, v prípade minerálnej vlny štyri roky. Pri spaľovaní hnedého uhlia dochádza k produkcii väčšieho množstva emisií CO₂, a preto je výsledná návratnosť rýchlejšia.
 
Zateplenie z technologického hľadiska
Pri uvažovaní o použití nadštandardných hrúbok tepelnej izolácie na zateplenie bytového domu alebo budovy sa často diskutuje o statike a spôsobe kotvenia. Kotvenie nadštandardných hrúbok tepelnej izolácie musí zabezpečiť jej mechanickú stabilitu. Zvislé zaťaženie (vlastná váha izolácie, omietky) sa prenáša cez lepidlo na podklad. Súčasťou dodávky systému musí byť aj realizácia odtrhových skúšok, pri ktorých musí byť prídržnosť lepiaceho materiálu k podkladu minimálne 80 kPa. Prídržnosť sa overuje in-situ odtrhovou skúškou v súlade s STN EN 1542: 2001

(Výrobky a systémy na ochranu a opravu betónových konštrukcií. Skúšobné metódy.

Meranie prídržnosti pri odtrhových skúš­kach). Vodorovné zaťaženie musia preniesť mechanické kotvy. Certifikované výrobky umožňujú klasické kotvenie tepelnej izolácie až do hrúbky 260 mm (napríklad tanierová zatĺkacia rozperka s predmontovaným oceľovým tŕňom, ktorú možno použiť na kotvenie tepelnej izolácie na báze expandovného polystyrénu a minerálnej vlny s pozdĺžnou orientáciou vlákien).

V ostatnom období sa na trhu objavili nové kotviace systémy, ktoré využívajú kombináciu mechanického kotvenia a lepenia, čím sa zabezpečuje stabilita tepelnej izolácie proti saniu vetra. Lepiace kotvy sa mechanicky kotvia priamo na upravený podklad v rastri odporúčanom výrobcom a overenom statickým výpočtom. Pred prilepením izolačnej dosky, na ktorú sa nanieslo lepidlo v súlade s technologickým predpisom, sa na hlavy kotiev nanesie lepidlo, ktorým sa zabezpečí súdržnosť kotvy s podkladom. Týmto systémom možno kotviť tepelnú izoláciu až do hrúbky 400 mm.

Kotvy sa v súlade s väčšinou systémových riešení navrhujú na stopercentné sanie vetra a neprispievajú k prenášaniu ostatného zaťaženia. Z doposiaľ publikovaných a dostupných firemných pomôcok na navrhovanie počtu kotiev vyplývajú iba odporúčané riešenia, pričom výrobcovia pri stanovení zaťaženia vetrom vychádzajú pravdepodobne z normatívnych požiadaviek (STN) alebo z prevzatých zahraničných predpisov (DIN, ÖNORM a podobne). Odporúčania jednotlivých výrobcov ETICS sa pritom pri stanovaní základného počtu kotiev na štvorcový meter, počtu kotiev pre okrajovú oblasť nárožia (zvýšený počet kotiev) a v uvádzaní výškových pásiem líšia. Čo je pozitívne, je fakt, že každý výrobca uvádza nutnosť stanovenia počtu kotiev statickým výpočtom v každom konkrétnom prípade (obr. 5).

Návrhové hodnoty zaťaženia vetrom v jednotlivých oblastiach fasády bytového domu s návrhom počtu kotviacich prvkov vidieť na obr. 6. Minimálny počet kotiev pre tento modelový bytový dom je 6 kotiev na 1 m² fasády v jej strednej časti. Na nároží sa tento počet zvyšuje viac ako na dvojnásobok (14 kotiev na 1 m²). V oblastiach s vyššou veternou expozíciou a v prípade vyšších budov sa investičné náklady na tepelnoizolačný systém a kotviace prvky priamo úmerne zvyšujú. Ak by sa na kotvenie tepelnej izolácie s hrúbkou 200 mm použili rozperky s kovovým tŕňom, predstavovalo by navýšenie ceny približne 1 euro na kotviaci prvok.

Zateplenie z hľadiska denného osvetlenia
Panelové bytové domy sa navrhovali s pomerne veľkými odstupovými vzdialenosťami medzi jednotlivými blokmi domov. V čase výstavby sa jednotlivé byty neposudzovali z hľadiska úrovne denného osvetlenia, ale používali sa unifikované panelové sústavy, a teda aj štandardné odstupové vzdialenosti, ktoré sa navrhovali v závislosti od výšky okolitých stavieb. Okná väčšiny panelových bytových domov boli pomerne veľké (obr. 7) a tieniace konštrukcie lodžií neboli väčšia ako 1,2 m. Súčasná úroveň denného osvetlenia miestností panelových bytových domov je spravidla vyššia ako sú normatívne požiadavky.

Z hľadiska úrovne denného osvetlenia sa miestnosti posudzujú v súlade s STN 73 0580-1:
1986 (Denné osvetlenie budov. Časť 1: Základné požiadavky) a STN 73 0580-2: 2000 (Denné osvetlenie budov. Časť 2: Denné osvetlenie budov na bývanie). V týchto normatívnych predpisoch sa na hodnotenie kvality denného osvetlenia budov zisťuje veličina činiteľa dennej osvetlenosti D (%), ktorý musí mať minimálnu hodnotu Dmin = 0,7 %, a to vo dvoch kontrolných bodoch umiestnených v polovici hĺbky miestnosti, ale najďalej 3 m od okna a vzdialených 1 m od vnútorného povrchu bočných stien. Zároveň treba splniť požiadavku na priemernú hodnotu činiteľa dennej osvetlenosti v obidvoch týchto bodoch Dm1/2 = 0,9 %.

Aby sa overilo dodržanie požiadavky na činiteľa dennej osvetlenosti, vytvoril sa model kritickej miestnosti obývacej izby na 1. NP v panelovom bytovom dome so siedmimi nadzemnými podlažiami, orientovanej na severnú stranu. Odstupová vzdialenosť protiľahlého domu bola 30 m. Základný model tienenia tvorila bočná hrana susednej miestnosti, ktorá je zároveň bočnou stenou lodžie, a horná stropná doska lodžie na 2. NP.
Táto modelová miestnosť sa posúdila bez tienenia a s tienením vznikajúcim od protiľahlej súvislej zástavby panelových domov s výškou 7 NP. Tieto dva varianty sa posúdili bez tepelnoizolačného systému a s tepelnoizolačným systémom s hrúbkou tepelnej izolácie 100 a 200 mm. Hodnotená modelová miestnosť mala dĺžku 4,6 m a šírku 3,7 m. Osvetľovacie otvory tvorila zostava lodžiových dverí s veľkosťou okien 0,9 × 2,3 m + 1,6 × 1,5 m. Svetlá výška miestnosti bola 2,6 m.

Možno predpokladať, že na stenách lodžie sa nebude bežne používať hrúbka tepelnoizolačného systému 200 mm, aby sa nezmenšovala úžitková plocha lodžie. Vyhovujúci stav denného osvetlenia sa zachováva aj v prípade tejto extrémnej hrúbky tepelnoizolačného systému, z čoho vyplýva, že bude vyhovujúci aj v prípade akejkoľvek inej, menšej hrúbky. Zníženie úrovne denného osvetlenia vplyvom tepelnoizolačného systému sa pohybuje na úrovni asi 7 až 20 % bez okenného tienenia a 7 až 26 % pri tienení od protiľahlej zástavby.

Záver
Optimálna hrúbka tepelnej izolácie sa z ekonomického hľadiska hodnotila podľa NPV a závisí od tepelnotechnického stavu pôvodnej konštrukcie, ceny energie, ceny kompletného tepelnoizolačného systému, a ak sa použije druhá vrstva tepelnej izolácie, aj od dodatočných nákladov. Ako najvýhodnejšia sa z ekonomického hľadiska javí hrúbka tepelnoizolačného systému 120 až 200 mm. Investícia do zateplenia v prípade budov vykurovaných lacnejším teplom a pri lepších vlastnostiach pôvodnej konštrukcie má horší výsledok ekonomického hodnotenia. V oblastiach, v ktorých je cena energie vyššia (42 €/GJ), je výhodnejšie používať tepelnoizolačný systém s väčšou hrúbkou, ako v oblastiach s nižšou cenou energie. Keďže cena energie stále stúpa, malo by sa už teraz investovať do väčších hrúbok tepelnej izolácie.

Ukazovateľom hodnotenia vplyvu aplikácie tepelnoizolačného systému na životné prostredie je návratnosť zviazaných emisií CO₂ v tepelnej izolácii, ktorá sa líši v závislosti od druhu izolačného materiálu a druhu paliva použitého na vykurovanie panelového bytového domu. Z hľadiska dosahu na životné prostredie sa odporúča na panelové bytové domy aplikovať akúkoľvek hrúbku tepelnej izolácie, pretože návratnosť zviazaných emisií CO₂ v tepelnej izolácii je vo všetkých posudzovaných prípadoch nižšia ako životnosť izolačného materiálu.

Na základe štúdie denného osvetlenia miest­nosti bytového domu zatepleného tepelnoizolačným systémom s hrúbkou 200 mm možno konštatovať, že aj pri hrúbke 200 mm sa zachovajú požiadavky na denné osvetlenie.

TEXT: Ing. Lucie Šancová, Mgr. František Macholda, MBA, Ing. Jan Antonín, Ing. Petr Vogel, Ing. Petr Kotek, PhD., Ing. Gabriela Krajcarová, doc. Ing. Hana Gattermayerová, CSc.
OBRÁZKY a FOTO: archív autorov, Dano Veselský
 
Ing. Lucie Šancová je odbornou asistentkou v spoločnosti EkoWaTT. Špecializuje sa na problematiku úspor energie, pohody vnútorného prostredia, certifikáciu LEED a SBToolCZ a podieľa sa na výskumných projektoch.

Mgr. František Macholda, MBA je senior konzultantom v spoločnosti, energetickým audítorom a obchodným riaditeľom spoločnosti EkoWaTT.

Ing. Jan Antonín je konzultantom-špecialistom v spoločnosti EkoWaTT a doktorandom na Stavebnej fakulte ČVUT v Prahe. Venuje sa tvorbe výpočtových aplikácií na optimalizáciu návrhu a predbežné posúdenie pasívnych rodinných a bytových domov.

Ing. Petr Vogel je konzultantom-špecialistom v spoločnosti EkoWaTT, spoluzakladateľom a predsedom predstavenstva Českej rady pre šetrné budovy.

Ing. Petr Kotek, PhD., je konzultantom špecialistom a vedúcim regionálnej pobočky spoločnosti EkoWATT v Liberci.

Ing. Gabriela Krajcarová je konzultantkou, energetickou audítorkou a projektovou manažérkou v spoločnosti EkoWaTT.

Doc. Ing. Hana Gattermayerová, CSc., pôsobí ako docentka na Katedre konštrukcií pozemných stavieb Stavebnej fakulty ČVUT v Prahe. Je autorizovanou inžinierkou pre statiku a dynamiku stavieb. Okrem toho pôsobí ako hlavný statik v projektovej spoločnosti Atelier P. H.A, s. r. o., kde vedie profesijnú skupinu betónových a oceľových konštrukcií.

Recenzoval doc. Dr. Ing. Zbyněk Svoboda, ktorý pôsobí na katedre konštrukcií pozemných stavieb Stavebnej fakulty ČVUT v Prahe.

Článok vznikol ako výstup z výskumného projektu VAV-SP-3g5-221-07 Komplexné rekonštrukcie panelových domov v nízkoenergetickom štandarde.

Literatúra
1.    Základný prehľad tepelnoizolačných materiálov, http://istavitel.cz.
2.    Řehánek, J. – Valenta, V. a kolektív: 4 × E o tepelné izolaci budov,. Praha: CKAIT-CEA, 2004, s. 252,
ISBN 80-86769-25-9.