IsoCal - výpočetní program pro návrh technických izolací
Snižování energetické náročnosti stavebních objektů jako celku nespočívá pouze v omezování tepelných ztrát obvodovými konstrukcemi budov, ale také ve snižování tepelných ztrát technických zařízení budov. Článek se snaží přiblížit problematiku návrhu oboru izolací, který je většinou záležitostí několika specializovaných odborníků. Jde o oblast technických izolací (izolace potrubí, VZT potrubí, zásobníků, kouřovodů, elektrárenských komponent, apod.), jenž má jistá specifika při návrhu i při provádění.
Pro výběr vhodného izolačního materiálu existují různé požadavky. Zejména je důležité, aby izolační materiály byly použitelné v praktických provozních podmínkách. Z tohoto důvodu jsou při projektování hodnoceny jednak technické vlastnosti jednotlivých materiálů, jednak je věnována pozornost také jejich zpracovatelnosti. Všechna potrubní vedení, VZT potrubí, plochy (včetně závěsů potrubí a dalších doplňků) musí být izolovány tak, aby byly splněny bezpečnostní a funkční požadavky. Funkčními požadavky jsou maximální tepelná ztráta a maximální povrchová teplota izolovaného zařízení. U chladových izolací je nejdůležitějším požadavkem zamezení kondenzace na vnějším povrchu izolace. Bezpečnostními požadavky se rozumí chování při hoření, ekologická nezávadnost a zdravotní nezávadnost materiálu.
Rádi bychom Vám tímto představili novou verzi programu IsoCal 2.0. Tato verze doznala výrazných změn, které usnadní v každodenní inženýrské praxi výpočty tepelných ztrát v oboru průmyslových zařízení. Pro obor technických izolací je velmi důležité mít při projektování k ruce seriózní výpočtový nástroj, díky němu je odpovědný výběr vhodného izolačního materiálu a spolehlivý výpočet hračkou. Snažíme se proto technikům co nejvíce usnadnit práci. Program počítá podle aktuálně platné legislativy v ČR – podle normy ČSN EN ISO 12 241. Nová verze obsahuje i posouzení navržené tloušťky izolace s ohledem na hodnotící kritéria dle vyhlášky 193/2007 Sb.
Protože jsme si vědomi rychlosti a snadnosti práce s programem IsoCal, které by mohli uživatele programu odvést od bližšího porozumění návazných vlivů a okolností, tak se v tomto článku podrobněji zmíníme o kritériích pro výpočet a o veličinách, které mají na výpočet vliv. Více technických informací se potom můžete dočíst v manuálu se vzorovými příklady, který dodáváme společně s programem IsoCal. Ten je zpracován obšírněji, abychom při návrhu nezapomínali na podstatu problémů, jež by ve svém důsledku mohly vést k nesprávným, někdy dokonce i zavádějícím výsledkům. V manuálu dále najdete přílohy, ve kterých jsou uvedeny nejčastější veličiny nutné pro zadávání okrajových podmínek výpočtu, tak abyste kvůli každé hodnotě nemuseli hledat v několika knihách či normách.
Program byl vyvinut především pro použití izolačních výrobků Saint-Gobain Orsil, avšak je možné jej použít na více všeobecné výpočty pro jakýkoliv jiný izolační výrobek.
Veličiny stavební fyziky
Tepelná vodivost
Tepelná vodivost je obvykle označována řeckým písmenem λ, proto je často nazývána lambda materiálu. Představuje schopnost materiálu vést teplo. Je dána tepelným tokem ve W, který prochází 1 m2 materiálu o tloušťce 1 m, jestliže rozdíl teplot povrchů ve směru teplotního spádu činí 1 K.
Nehybný a suchý vzduch uzavřený mezi póry či vlákny materiálu nejvíce snižuje hodnotu tepelné vodivosti. Tepelná vodivost materiálu záleží na jeho složení, struktuře, pórovitosti, mezerovitosti, vlhkosti, vrstevnatosti, směru tepelného toku a zejména na teplotě (s rostoucí teplotou tepelná vodivost roste). Tepelná vodivost se zvyšuje s obsahem vlhkosti.
Tepelná vodivost je silně závislá na střední teplotě. Jde o aritmetický průměr z povrchové teploty potrubí (u ocelového potrubí bude v podstatě rovno teplotě látky) a povrchové teploty izolace. V praxi se vyskytuje případ, že se výpočet provádí s teplotou okolního vzduchu místo s povrchovou teplotou izolace. U rozvodů chladu je toto zjednodušení akceptovatelné, protože rozdíl mezi teplotou povrchu a teplotou okolního vzduchu je malý, a navíc je na straně bezpečné (hodnoty λ jsou vyšší). Pro tepelné rozvody by se však správně měla pro výpočet střední teploty používat povrchová teplota izolace a ne často používaná teplota okolního vzduchu.
Minerální vlna Orsil má vynikající mechanické vlastnosti a tepelná vodivost se stárnutím nezvyšuje. Lambdy materiálů firmy Orsil mají v technických listech uvedené hodnoty deklarované λD. Deklarované hodnoty uvedené v technických listech jsou použity i v databázi programu IsoCal. Jsou tedy sice horší než aktuální reálné, ale pro výpočty tepelných ztrát v duchu ČSN EN ISO 12 241 jste pak vždy na bezpečné straně.
Tepelná vodivost různých typů izolačních výrobků v závislosti na střední teplotě teplonosné látky.
Měrná tepelná kapacita
Měrná tepelná kapacita materiálu vyjadřuje množství tepla, které je nutné pro zvýšení teploty 1 kg materiálu o 1 K. Měrná tepelná kapacita při konstantním tlaku se označuje se cp, při konstantním objemu potom cv. Do vstupních údajů programu IsoCal se zadávají hodnoty měrné tepelné kapacity při konstantním tlaku. Jednotkou jsou [J/(kg∙K)].
Emisivita povrchu
Emisivita je vzájemný vztah mezi energii vyzařovanou z tělesa ve formě elektromagnetického záření a energií vyzařovanou absolutně černým tělesem při stejné teplotě. Povrchy s emisivitou < 1 mohou být považovány za šedé povrchy, které mají konstantní a neměnnou pohltivost a odrazivost (emisivitu) pro všechny vlnové délky a všechny směry elektromagnetického záření. Výpočty IsoCalu jsou provedeny pro šedá tělesa a tepelná radiace je funkcí pouze teploty povrchu tělesa a teploty okolí. Většina nekovových povrchů má emisivitu kolem hodnoty 0,94 a např. hliníková fólie (leštěný povrch) 0,05.
Vnější součinitel přestupu tepla
Na součinitel přestupu tepla α [W/(m2∙K)] mají vliv dva přenosové mechanismy – proudění a sálání. Čím je vyšší hodnota součinitele přestupu tepla, tím dochází k většímu přestupu tepla z teplého povrchu a snižuje se tepelný odpor mezní vrstvy, která přestupu tepla brání. Celkový vnější přestup tepla je roven součtu konvektivního a radiačního přestupu tepla. Vnitřní součinitel přestupu tepla počítá program pouze u VZT potrubí. U kapalin je vnitřní odpor při přestupu tepla zanedbán, protože nemá pro návrh izolace téměř vliv. Tepelná radiace v uzavřených systémech je také zanedbána.
Se vzrůstající emisivitou povrchu se snižuje teplota povrchu, ale zároveň se tím zvyšuje tepelná ztráta. Je to tím, že se zvyšuje součinitel přestupu tepla sáláním αr (z povrchu se vyzáří větší množství tepla). Se zvyšující se rychlostí větru se snižuje teplota povrchu, zvyšuje se tepelná ztráta a výrazně se zvyšuje konvektivní součinitel přestupu tepla.
Součinitel prostupu tepla
Součinitel prostupu tepla U (pro plochy ve [W/(m2∙K)], pro potrubí ve [W/(m∙K)]) je převrácená hodnota tepelného odporu a zohledňuje vliv všech tří přenosových mechanismů, tj. vedení, proudění i sálání. Pro stěnu platí:
Pro potrubí potom:
kde
| d | tloušťka izolační vrstvy [m], |
| λ | součinitel tepelné vodivosti [W/(m∙K)], |
| αi | součinitel přestupu tepla na vnitřní straně, na straně teplonosné látky [W/(m2∙K)], |
| αe | součinitel přestupu tepla na vnější straně, na straně okolního vzduchu [W/(m2∙K)], |
| R | plošný tepelný odpor složené stěny [m2∙K/W], |
| Rl | lineární tepelný odpor složené stěny [m∙K/W], |
| Rsi | tepelný odpor při přestupu tepla na vnitřní straně [m2∙K/W] pro plochy, [m∙K/W] pro potrubí, |
| Rse | tepelný odpor při přestupu tepla na vnější straně [m2∙K/W] pro plochy, [m∙K/W] pro potrubí. |
Při výpočtu součinitele prostupu tepla je možné zanedbat odpor při přestupu tepla uvnitř potrubí a u ocelových rozvodů i odpor vedením tepla stěnou potrubí, protože vliv na celkový tepelný odpor těchto dvou částí je minimální (řádově 10-2 až 10-4 x menší oproti Rse a Rizolace). Při výpočtu se tedy zohlední pouze odpor vedením tepla vrstvou izolace a odpor při přestupu tepla na povrchu izolace. U VZT potrubí je nutné započítat i vliv odporu při přestupu tepla uvnitř. Součinitel přestupu tepla uvnitř vzduchovodu se při nízké rychlosti proudění vzduchu blíží součiniteli přestupu tepla vně. Při přirozeném proudění nejčastěji nabývá hodnot αi = 6 až 20 W/(m2∙K) (velikost je závislá na emisivitě povrchu a teplotě média uvnitř potrubí – se vzrůstající teplotou se αi zvyšuje), při nuceném proudění uvnitř VZT potrubí αi = 10 až 200 W/(m2∙K).
Relativní vlhkost vzduchu
Relativní vlhkost je podíl absolutní vlhkosti vzduchu c v okolí a absolutní vlhkostí, která by stačila na nasycení vzduchu při stejné teplotě cs. Absolutní vlhkost je definovaná jako obsah vodní páry v objemu vzduchu [g/m3]. Případně je možné relativní vlhkost vyjádřit jako podíl parciálního tlaku vodní páry p k parciálnímu tlaku vodní páry při nasycení ps. Relativní vlhkost φ [-] závisí na teplotě. S konstantním obsahem vodní páry ve vzduchu a s klesající teplotou se zvyšuje relativní vlhkost. Proto je například relativní vlhkost vzduchu v zimě velmi vysoká, avšak absolutní vlhkost je nízká. Po ohřátí tohoto vzduchu na pokojovou teplotu se relativní vlhkost výrazně sníží při zachování absolutní vlhkosti.
Teplota rosného bodu
Teplota rosného bodu je teplota, při které je vzduch nasycen vlhkostí (je dosažena 100% relativní vlhkost). Na obr. vpravo je zobrazen vzájemný vztah mezi obsahem vodní páry ve vzduchu, relativní vlhkostí a teplotou rosného bodu. Z grafu je patrné, že např. vzduch při teplotě 20 °C a relativní vlhkosti 70 % (bod 1) dává teplotu rosného bodu 14 °C (bod 2).
Činitel zvukové pohltivosti
Když zvuková vlna zasáhne materiál, kterým je např. stěna, část zvukové energie se odrazí, část se pohltí a část stěnou projde. Činitel zvukové pohltivosti je vzájemný vztah mezi zvukovou energií, která je pohlcena a prochází stěnou a zvukovou energií, která na stěnu dopadá.
Činitel zvukové pohltivosti se zvyšuje s frekvencí zvuku a také s tloušťkou materiálu, zejména při nižších frekvencích. Žádná pohltivost odpovídá činiteli zvukové pohltivosti 0. Maximální pohltivost, např. otevřeným oknem, odpovídá koeficientu absorpce 1. Materiály s porézním povrchem mají vysoký činitel zvukové pohltivosti, zatímco tvrdé a nepórovité materiály jsou charakteristické nízkým činitelem zvukové pohltivosti.
Výpočetní moduly programu IsoCal
1. Výpočet tepelných ztrát
Teplo se vždy přenáší z teplejší látky do látky chladnější, jakmile jsou dvě látky s různými teplotami odděleny vrstvou materiálu (stěnou). Pokud je dělící stěna velmi málo izolovaná dochází k relativně rychlému přenosu tepla. Užití materiálů s dobrými izolačními vlastnostmi a zvyšování tloušťky izolace značně snižuje tepelnou ztrátu. Výpočet tepelné ztráty je proveden pro stacionární 1-D přenos tepla.
Pomocí programu IsoCal mohou být řešeny výpočty potrubí, kruhových či obdélníkových vzduchovodů a ploch. Dále je možné si zvolit ze tří výpočetních přístupů:
- daná tloušťka izolace,
- nejvyšší povrchová teplota,
- maximálně dovolená tepelná ztráta.
Tento výpočetní modul počítá tepelnou ztrátu s izolací i bez a porovná tyto dva výsledky v procentech – vyjádří tzv. energetickou úsporu izolovaného potrubí. Program spočítá vnější součinitel přestupu tepla, povrchovou teplotu izolace, teplotu mezi izolačními vrstvami, celkovou tepelnou ztrátu pro danou délku potrubí nebo danou plochu plošného povrchu. Dále zobrazí součinitel prostupu tepla U a porovná jej s požadavky vyhlášky 193/2007 Sb.
Pro kritérium nejvyšší povrchové teploty a maximální tepelné ztráty vypočte požadovanou tloušťku izolace a navrhne vhodnou tloušťku izolace, která se standardně vyrábí. Od verze 2.0 je možné zadat až tři izolační vrstvy. Programem je také možné spočítat energetickou ztrátu a náklady na energii pro danou délku potrubí či plochu povrchu a zohlednit i vliv tepelných mostů způsobených podkonstrukcemi, závěsy, armaturami či přírubami podle postupu uvedeným v ČSN EN ISO 12 241.
2. Změna teploty v potrubí
Pomocí tohoto výpočetního modulu je možné spočítat teplotní změnu teplonosné látky proudící potrubím nebo vzduchovodem vlivem tepelné ztráty po úseku. Program počítá tepelnou ztrátu, výstupní teplotu, vnitřní a vnější součinitele přestupu tepla. Dále je možné zahrnout do výpočtu energetickou ztrátu a náklady na energii.
3. Teplota v nádrži
Program počítá teplotu látky po dané akumulační době, součinitel přestupu tepla vně, plochu, objem nádrže a změnu energie během daného akumulačního období. Graficky je znázorněn časový průběh chladnutí látky v nádrži.
4. Izolace proti vnější kondenzaci
Izolace proti vnější kondenzaci je nutná všude tam, kde je povrchová teplota potrubí (vzduchovodu, plochy) pod teplotu rosného bodu okolního vzduchu. Za těchto podmínek vodní pára z okolního vzduchu kondenzuje na chladném povrchu, což může způsobit odkapávání kondenzátu. Proto je nutné takový povrch izolovat. Tloušťka izolace musí být dostatečná, aby se zvýšila povrchová teplota izolace nad teplotu rosného bodu okolního vzduchu. Může se tedy jednat o rozvod chladu, ale např. i o VZT potrubí sloužící pro nasávání čerstvého vzduchu z exteriéru do VZT jednotky v zimě, pokud potrubí prochází vytápěnou místností.
Program počítá požadovanou tloušťku izolace potrubí, vzduchovodu či rovinného povrchu, která zabrání kondenzaci na vnějším povrchu. Dále spočítá teplotu rosného bodu, povrchovou teplotu izolace a vnější součinitel přestupu tepla.
5. Izolace proti vnitřní kondenzaci
Izolace pro prevenci vnitřní kondenzace je nutná, pokud VZT potrubí slouží k přepravě teplého a vlhkého vzduchu přes chladnou místnost. Kondenzace uvnitř nastane, jestliže vnitřní povrchová teplota vzduchovodu je nižší než teplota rosného bodu teplého vzduchu proudícího potrubím. Často se jedná o odtahy z kuchyní a jídelen. Program spočítá požadovanou tloušťku izolace pro prevenci vnitřní kondenzace, teplotu rosného bodu, výstupní teplotu proudící látky, tepelnou ztrátu a vnitřní a vnější součinitele přestupu tepla.
6. Protimrazová ochrana
Pokud je nebezpečí, že teplota vody ve vodovodních potrubích klesne pod 0 °C, je nutné zajistit prevenci proti zamrznutí. Krátkodobě může zamrznutí zamezit izolace potrubí. Samotná izolace zamrznutí nezabrání, jen prodlouží dobu potřebnou k zamrznutí. Podzemní rozvody je nutné izolovat, pokud neleží v nezámrzné hloubce. V případech se stojatou vodou je nutné zvážit současné použití izolace a vytápěcího kabelu.
Program počítá dobu do zamrznutí vodovodního potrubí bez odběru vody v prostředí s okolní teplotou pod nulou, celkový čas pro nebezpečí vzniku trhlin, požadovaný výkon topné spirály pro prevenci zamrznutí a součinitel přestupu tepla vně.
7. Útlum hluku
Zvukově pohltivý materiál se používá pro útlum hluku ve VZT potrubích, např. z ventilátorů, strojoven a pro prevenci hluku procházejícího potrubím z jedné místnosti do druhé. Při použití vnitřní izolace vzduchovodů se eliminuje přenos hluku přes závěsné systémy potrubí. Útlum hluku ve vzduchovodech je funkcí činitele zvukové pohltivosti a poměru vnitřního průměru protihlukové izolace a průřezu potrubí.
Program spočítá útlum hluku ve vzduchovodu při použití zvukově pohltivé izolace. Je možné zadat čtyři různé typy tlumičů: kruhové, obdélníkové, horizontální (podlaha, střecha) a vertikální (stěna). Útlum hluku se počítá pro šest frekvencí, dále se spočítá kritická frekvence a akusticky účinný průřez.
8. Ekonomika izolace
Pro rozvody teplovodních látek je důležitým faktorem návrh nejekonomičtější tloušťky izolace. Větší tloušťka izolace snižuje tepelné ztráty, a tím i s nimi spojené náklady, zároveň však zvyšuje cenu izolačního systému. Cena izolace není lineární funkcí tloušťky izolace, při silnější izolaci se cena izolačního systému zvyšuje rychleji než snižování nákladů na tepelné ztráty. Nejhospodárnější tloušťka izolace je taková, kdy je součet nákladů na tepelné ztráty a ceny izolace za dané časové období nejnižší.
Náklady na izolaci: investiční náklady, zahrnující izolační materiál, povrchovou úpravu a práci.
Náklady na energii: roční náklady na energii = roční ztráty energie vynásobené cenou energie.
Celkové náklady: současné investiční a provozní náklady počítané s ohledem na reálnou úrokovou míru, ekonomickou životnost a náklady na energii s očekávaným zvýšením cen energie.
Nejekonomičtější tloušťka nebo typ izolace je spočítána za základě celkového nákladu na izolaci, zahrnující materiál, montáž a náklady na energii. Do výpočtu nejsou zahrnuty náklady na údržbu.
Do vstupních údajů je nutné zadat cenu energie, náklady na izolaci (zahrnující montáž) a úrokovou sazbu. Pro každý typ izolace se spočítá tepelná ztráta, vnější součinitel přestupu tepla, náklady na izolaci (investice), náklady na energii a celkové náklady. V kalkulačním modulu Ekonomika izolace je samozřejmě možné porovnat nejen různé tloušťky izolace, ale i různé druhy izolací a najít tak pro danou teplotu použití nejvhodnější produkt. S rostoucí objemovou hmotností produktu se totiž zlepšuje jeho izolačních schopnost při vyšších teplotách zařízení a proto i dražší izolační materiál v konečném důsledku může díky menší tepelné ztrátě vyjít levněji.
Získání programu IsoCal
 |
Program IsoCal byl vyvinut společností Saint-Gobain Orsil na pomoc odborníkům pracujícím v oblasti TZB (vytápění, chlazení, vzduchotechnika) a energetiky. Je k dispozici zdarma a jeho součástí je i přehledná nápověda. Uživatelům programu je dále k dispozici i manuál se vzorovými příklady výpočtů. Získání licence je velice jednoduché – stačí vyplnit všechny kolonky ve formuláři na www.isover.cz/isocal a budete mít možnost si IsoCal stáhnout a nainstalovat jej na Váš počítač. Po zaregistrování budete zařazeni do naší databáze uživatelů. Díky provedené registraci Vám budou rozesílány nové materiálové databáze, případně nové vylepšené verze programu IsoCal. |
Isover nabízí nejširší sortiment tepelných, zvukových a protipožárních izolací v té nejvyšší kvalitě na českém trhu: produkty z čedičové i skelné vlny, expandovaného polystyrenu a doplňky pro systémová izolační řešení.
