Součinitel prostupu tepla – co to je a jak se vypočítá?

Součinitel prostupu tepla je veličina, která vyjadřuje schopnost stavebního materiálu či celé skladby konstrukce tepelně izolovat. Hodnota součinitele U musí být u obvodových konstrukcí domu ze zákona dodržena a slouží také k výpočtu tepelných ztrát objektu a k dimenzování otopné soustavy. Jednotkou součinitele prostupu tepla U je W/m²K.

 

K čemu je vhodné znát součinitel prostupu tepla U?

Součinitel prostupu tepla určuje, k jakým tepelným ztrátám skrze danou konstrukci dochází. Jednotka W/m²K vyjadřuje, kolik tepelné energie ve Wattech prostupuje obvodovou konstrukcí o ploše 1 m² při rozdílu venkovní a vnitřní teploty 1 K. Čím je tato hodnota vyšší, tím horší tepelně izolační vlastnosti konstrukce má a uniká tak skrze ni více tepla.

Součinitel prostupu tepla je vhodné znát zejména u novostaveb a staveb, u nichž dochází k rekonstrukci a zateplení obálky budovy. Součinitel prostupu tepla zateplovaných konstrukcí musí dosahovat stanovených hodnot, které jsou uvedeny v normě ČSN 73 0540-2. Povinnost dosahovat požadovaných, resp. doporučených hodnot součinitele prostupu tepla vychází z vyhlášky č. 78/2013 Sb. Vyhláška o energetické náročnosti budov.

Součinitele U jednotlivých konstrukcí také slouží k výpočtu celkového průměrného součinitele Um, který slouží k orientačnímu výpočtu tepelných ztrát a k následnému dimenzování otopné soustavy.

Výpočet tepelných ztrát objektu

Průměrný součinitel prostupu tepla obálky budovy Um vyjadřuje průměrné tepelné ztráty na 1 m² plochy všech obvodových konstrukcí domu při rozdílu teploty 1 K.

Průměrný součinitel Um se vypočítá následně:

Um = (U1 * A1 + U2 * A2 + Ui * Ai)/Acelkem

Kde:

U1, U2, Ui jsou součinitele prostupu tepla všech jednotlivých konstrukcí

A1,  A2, Ai jsou celkové plochy jednotlivých obvodových konstrukcí

Acelkem je součet všech ploch obvodových konstrukcí

Pokud se dále pro výpočet užije níže uvedený vzorec, vyjde nám měrný tepelný tok, ke kterému dochází v celé ploše obvodových konstrukcí. Jinak řečeno určuje, kolik Wattů energie prostupuje skrze všechny konstrukce domu při rozdílu 1 K. Vynásobením této hodnoty číslem 20 vyjde tepelná ztráta ve Wattech, ke které dochází v okamžiku, kdy je rozdíl vnitřní a venkovní teploty zmíněných 20 °C (např. uvnitř domu je 20 °C a venku je o 20 °C méně, tedy 0 °C).

HT = Um * Acelkem (W/K)

Kde:

HT je měrný tepelný tok

Tepelná ztráta objektu se vypočítá užitím průměrné hodnoty součinitele prostupu tepla Um, která se vynásobí hodnotami vycházejícími z klimatologických podmínek dané lokality.

Na základě zadání skladeb a ploch jednotlivých konstrukcí místností domu lze spočítat tepelné ztráty každé místnosti domu, na základě čehož je následně navržena otopná soustava.

Jak součinitel prostupu tepla vypočítat?

Pro výpočet součinitele prostupu tepla je potřeba znát hned několik parametrů, které jsou zjistitelné z technického listu stavebního materiálu použitého ve skladbě konstrukce a dále z příslušné technické normy.

Jedná se především o:

• Součinitel tepelné vodivosti jednotlivých materiálů, které jsou ve skladbě konstrukce použity.
• Tloušťky těchto vrstev.
• Odpor při přestupu tepla na konstrukci z interiérové a exteriérové strany.

Součinitel tepelné vodivosti λ (lambda)

Součinitel tepelné vodivosti lambda má jednotku W/mK a vyjadřuje schopnost materiálu vést teplo z teplejší části do studenější části – prostup tepla skrze konstrukci z teplejší místnosti do chladnější místnosti.

Součinitel lambda je určován nejčastěji laboratorně a je uveden v technickém listu výrobku. Čím je hodnota součinitele lambda nižší, tím lépe dokáže materiál tepelně izolovat.

Součinitele lambda nejčastěji užívaných materiálů:

Klasická cihla pálená 0,8 – 0,88 W/mK

Cihelné tvárnice 0,13 – 0,21 W/mK

Dřevo (kolmo na směr vláken) 0,18 W/mK

Beton 1,3 – 1,43 W/mK

Polystyren – 0,033 – 0,04 W/mK

Minerální vata 0,035 – 0,043 W/mK

PUR a PIR pěna 0,022 – 0,026 W/mK

Odpor při přestupu tepla

Odpory při přestupu tepla na vnitřní a vnější straně konstrukce Rsi a Rse jsou uvedeny v normě ČSN 73 0540-3. Jedná se o součinitele vyjadřující tepelný odpor „nehybné“ vzduchové vrstvy na rozmezí vzduch/konstrukce.

Tepelný odpor z vnější strany je pochopitelně nižší, tedy Rse  = 0,04 m²K/W. Pokud je na vnější straně zemina (stěna k zemině, podlaha na zemině), Rse = 0 m²K/W.

Tepelný odpor při přestupu tepla na vnitřní straně je dále rozdělen dle typu konstrukce. U svislé stěny, u které dochází k horizontálnímu tepelnému toku je Rsi = 0,13 m²K/W, v případě střechy a stropu pod nevytápěným prostorem je Rsi = 0,10 m²K/W a při tepelném toku dolů skrze podlahu je Rsi = 0,17 m²K/W.

Tepelný odpor konstrukce

Jak již název napovídá, tepelný odpor konstrukce R (m²K/W) vyjadřuje schopnost materiálů klást odpor při prostupu tepla konstrukcí. Čím vyšší hodnota tepelného odporu konstrukce je, tím lépe. Tepelný odpor konstrukce se vypočítá ze vzorce:

Rk = d1/λ1 + d2/λ2 + di/λi

Kde:

d1, d2, di jsou tloušťky jednotlivých vrstev konstrukce v metrech

λ1, λ2, λi jsou součinitele tepelné vodivosti jednotlivých konstrukcí ve W/mK

Výsledný tepelný odpor celé konstrukce je:

RT = Rsi + Rk + Rse

Kde:

Rsi je tepelný odpor při přestupu tepla na vnitřní straně konstrukce

RT je tepelný odpor konstrukce

Rse je tepelný odpor při přestupu tepla na vnější straně konstrukce

Výpočet součinitele prostupu tepla konstrukce

Pokud již známe celkový tepelný odpor konstrukce, výpočet součinitele prostupu tepla konstrukce je velmi jednoduchý: Pro výpočet součinitele U se použije vzorec:

U = 1/RT (W/m2K)

Požadované a doporučené hodnoty součinitele prostupu tepla

Požadované a doporučené hodnoty součinitele prostupu tepla U pro novostavby a pasivní domy jsou uvedeny v normě ČSN 73 0540-2:2011.

Zda navrhovat konstrukci na požadovaný či doporučený součinitel je složitější a pravidla pro navrhování obvodových konstrukcí z pohledu tepelně-technického je dáno vyhláškou č. 78/2013 Sb. Každopádně novostavby musí mít všechny obvodové konstrukce navrženy minimálně na požadovaný součinitel prostupu tepla, lépe však na doporučený součinitel prostupu tepla. Konstrukce mimo jiné musí být navrženy tak, aby byly splněny další požadavky plynoucí z legislativních a normových požadavků. Jedná se však o rozsáhlejší téma, které není součástí tohoto článku.

Příklad výpočtu součinitele prostupu tepla konstrukce

V níže uvedené tabulce je zobrazen příklad výpočtu součinitele prostupu tepla U obvodové stěny z CPP, která je zateplena 120 mm extrudovaného polystyrenu a oboustranně omítnuta vápenocementovou omítkou.

Součinitel prostupu tepla stěny U je 0,244 W/m²K, což plně vyhovuje normou požadovanému součiniteli prostupu tepla pro obvodovou stěnu Up

Obvodová stěna
Konstrukce	Tloušťka d [m]	Lambda [W/mK]	R [m2K/W]
Omítka vápenocementová	0,020	0,990	0,020
Cihla plná pálená	0,450	0,800	0,563
Tepelná izolace EPS7	0,120	0,036	3,333
Omítka vápenocementová	0,020	0,990	0,020
CELKEM R	3,936
Svislá konstrukce směrem do exteriéru	Rsi =	7,690	0,130
Rse =	25,000	0,040
CELKEM RT	4,106
Souč. prostupu tepla U [W/m2K]	0,244