Vliv lokálního zúžení mezery na funkčnost konstrukce osluněné provětrávané fasády

Abstrakt

Tento článek se zabývá provětrávanými fasádami z hlediska optimalizace návrhu provětrávané mezery. Návrh provětrávané fasády vychází z ETAG 034, který stanovuje jako minimální tloušťku větrané mezery 20 mm s možností její lokálního zúžení na 10 mm, nebo dokonce i 5 mm po posouzení vlastností takto navržené konstrukce. Dále stanovuje jako nejmenší průřez pro přiváděcí a odváděcí otvory větrané mezery 50 cm² na metr délky otvoru, což může být rovněž mezera o šířce 5 mm. V rámci této práce byla na experimentálním modelu provedena analýza vlivu takového zúžení u přiváděcího a odváděcího otvoru větrané mezery. Expertíza byla zaměřena na sledování průběhu rychlosti proudění a teplot vzduchu v provětrávané mezeře o tloušťce 20, 40 a 60 mm. Z výsledků měření vyplývá, že vliv lokálního zúžení přívodního a odváděcího otvoru větrané mezery na šířku 5 mm se zvyšuje s rostoucí tloušťkou větrané mezery.

Úvod

Základním konstrukčním prvkem, kterým se odlišuje provětrávaná fasáda od jiných typů fasád, je větraná mezera v konstrukci vnějšího opláštění objektu. Tato mezera ovlivňuje vlhkostní a teplotní chování konstrukce. Má vliv na teplotní změny obkladu na osluněné straně fasády, nebo vlhkostní parametry obkladu a zejména vrstev nacházejících se mezi větranou mezerou a interiérem budovy. Pro správné fungování provětrávaných konstrukcí je potřebné dodržovat jisté zásady návrhu, které jsou uvedeny v ETAG 034-1 [1], 034-2 [2]. Z národních norem lze odvodit návrh mezery provětrávané fasády od konstrukcí provětrávaných střech [3]. Tyto dokumenty obsahují i požadavky na minimální tloušťku provětrávané vrstvy 20 mm, resp. 40 mm s možností lokálního zúžení vlivem podpůrného roštu nebo jiných prvků konstrukce na 10 mm nebo 5 mm. Takové zúžení je potřebné posoudit vzhledem k rozměrům fasády a počtu obdobných vřazených odporů, aby nenastalo znehodnocení funkčnosti celé konstrukce. Z ETAG vychází i požadavky na přívodní a odváděcí otvory větrané mezery, kterých plocha by měla být minimálně 50 cm² na metr délky konstrukce. To představuje například průběžnou 5 mm mezeru pro přívodní a stejnou pro odváděcí otvor. Článek se zabývá problematikou vlivu lokálních zúžení na chování konstrukce, přičemž hlavními sledovanými parametry jsou teplota vzduchu v provětrávané mezeře a rychlost proudění vzduchu v mezeře provětrávané fasády. Z naměřených dat je evidentní vliv lokálního zúžení na nárůst teploty a snížení rychlosti proudění ve větrané mezeře. Vliv zúžení se zvyšuje s rostoucí tloušťkou větrané mezery.

Experimentální model

Obr. 1 Axonometrie konstrukce rámu panelu fasády s posuvnými bočními deskami

Vzhledem k tomu, že experiment probíhal v exteriérových přirozených podmínkách, tak bylo potřebné sestavit dva panely provětrávané fasády, pro které byly porovnávány průběhy sledovaných veličin ve stejném čase při rozdílném nastavení. Panely se skládají ze dvou částí. Jedna část panelů je pevně spojená s obvodovou stěnou objektu. Tato část je tvořena obdélníkovým rámem vyplněným tepelnou izolací z kamenné vaty a následně potažená difuzně otevřenou protivětrnou folií. Šířka rámu 600 mm vymezuje šířku větrané mezery. Výška rámu 1500 mm vychází z rozměru části fasády mezi okny objektu, na kterém jsou panely osazeny. Tloušťka tepelné izolace je stejná jako tloušťka rámu 100 mm. Druhá část panelů je tvořena dvěma svislými deskami, které jsou opatřeny drážkami pro připevnění k bočním stranám pevné části panelu. Drážky umožňují posun těchto desek v rozmezí 40 mm, čímž lze vytvořit větranou mezeru tloušťky 20–60 mm [4]. Z průčelí je k těmto deskám připevněn obklad provětrávané fasády, který je tvořen cementotřískovou deskou tloušťky 12 mm v tmavě šedé barvě. Z horní strany jsou panely opatřeny parapetem proti zatékání srážkové vody. Schéma základní části panelu je znázorněna na (obr. 1).

Obr. 2 Geometrie fasádních panelů a osazení čidel: a – termoanemometr, b – vlhkostní čidlo, c – termočlánek, d – meteostanice

Na jednom panelu bylo vždy nastaveno zúžení větrané mezery na 5 mm u přívodního a odváděcího otvoru. Druhý panel se stejným nastavením tloušťky větrané mezery byl bez zúžení větracích otvorů konstrukce. Data byly zaznamenávány ve stejném čase, za stejných podmínek. Schéma panelu a osazení měřících prvků je znázorněno na (obr. 2). Vliv zúžení na proudění a teplotu vzduchu v mezeře byl posuzován u provětrávané mezery tloušťky 20, 40 a 60 mm. Ve všech případech byly na jednom panelu zúženy otvory na šířku 5 mm.

Tab.1. Schémata posuzovaných variant větrané mezery

Varianta	Varianta 1	Varianta 2	Varianta 3	Varianta 4
Schéma větrané mezery bez zúžení kótováno v [m]
Schéma větrané mezery se zúžením kótováno v [m]

Obr. 3 Schéma zapojení čidel a měřené veličiny

Rozpis posuzovaných variant se nachází v (tab. 1). Schéma zapojení jednotlivých čidel a měřené veličiny jsou uvedeny na (obr. 3). Měření probíhalo pro každou posuzovanou variantu v délce jednoho týdne, v letním období na osluněné jižní straně objektu. Teplota vzduchu uvnitř objektu se pohybovala kolem 23 °C.

Cílem experimentálního měření je zjistit a porovnat rozdíly u jednotlivých variant. Jednotlivé posuzované varianty odpovídají tloušťkám větrané mezery 20, 40 a 60 mm. Varianty 1 a 2 jsou porovnávány i navzájem vzhledem ke stejné tloušťce větrané mezery. Porovnáním těchto dvou variant je sledován vliv rozšíření odváděcího otvoru na větší šířku, než je tloušťka samotné větrané mezery. U Varianty 4 je odváděcí otvor pro případ bez zúžení uvažován v rozměru o 20 mm menším, než je tloušťka větrané mezery vzhledem k pohledovým vlastnostem konstrukce fasády.

Výsledky

Výsledky měření jsou shrnuty do tabulek, kde jsou uvedeny průměrné hodnoty rychlostí proudění (tab. 2) a teplot vzduchu (tab. 3) v provětrávané mezeře pro jednotlivé sledované varianty. Uvedené údaje jsou průměrné hodnoty za celou dobu měření.

Z výsledků rychlostí proudění vzduchu v provětrávané mezeře u jednotlivých variant je evidentní vliv zúžení otvorů větrané mezery. Lokální zúžení mezery jednoznačně způsobuje snížení průměrné rychlosti vzduchu v mezeře. V závislosti od poměru zúžení k tloušťce větrané mezery se zvyšuje jeho vliv na proudění. Při tloušťce větrané mezery 20 mm je vliv zúžení nejmenší. U větrané mezery tloušťky 60 mm se lokální zúžení projevilo na proudění vzduchu nejvíce, a to snížením rychlosti proudícího vzduchu až o 61 %. Rozšíření odváděcího otvoru u Varianty 1 se na rychlosti proudění vzduchu v mezeře neprojevilo. Experimentální výsledky poukazují na značný vliv lokálního zúžení otvorů větrané mezery zejména u provětrávaných fasád s větší tloušťkou větrané mezery. Nezanedbatelný vliv zúžení se projevil i u větrané mezery s minimální možnou návrhovou tloušťkou 20 mm. V našich podmínkách pravděpodobně nejčastěji užívaná tloušťka větrané mezery 40 mm byla ovlivněna zúžením otvorů větrané mezery vedoucím ke snížení rychlosti vzduchu o nezanedbatelných 44 %.

Teplota vzduchu v mezeře provětrávané fasády byla ve všech sledovaných variantách vyšší u případů se zúžením otvorů. Zobrazené hodnoty představují průměrnou teplotu za celou dobu měření, která byla jeden týden pro každou variantu. Maximální rozdíly v teplotách byly naměřeny v době oslunění fasády. Teplota vzduchu v mezeře se zúžením byla v době oslunění vyšší i o 10 °C. V nočních hodinách byly teploty v měřené úrovni u obou panelů přibližně stejné.

Obr. 4. Graf závislosti mezi plochou větracích otvorů a rychlosti proudícího vzduchu

Na následujícím obrázku (obr. 4) je graficky znázorněná závislost rychlosti vzduchu proudícího v mezeře provětrávané fasády na poměru průřezové plochy otvorů k celkovému průřezu v tloušťce větrané mezery.

Z grafu je zřejmý vliv lokálního zúžení na snížení rychlosti proudění vzduchu v mezeře. Avšak zmenšení průřezu u první a druhé varianty na 25 % velikosti otvorů u nezúženého případu představuje snížení rychlosti proudícího vzduchu pouze o 24 %. Významněji se zúžení otvorů na 5 mm projevuje u větších tlouštěk provětrávané mezery, protože u 40 mm tloušťky mezery představuje zúžená část pouze 12,5 % nezúženého průřezu. Při mezeře tloušťky 60 mm představuje zúžený průřez otvorů vzhledem k rozměru nezúženého horního odváděcího otvoru šířky 40 mm jen 10 %. Rychlost proudění v takových případech klesá o více než 50 % vůči případu bez zúžení.

Závěry

Výsledky experimentálního měření potvrzují nepříznivý vliv lokálního zúžení v konstrukcích osluněných provětrávaných fasád. Z tohoto důvodu by se v rámci návrhu provětrávaných konstrukcí měl klást důraz na zachování průřezu po celé výšce fasády. Lokální zúžení průřezu provětrávané mezery bývá způsobeno zejména vlivem vodorovných prvků nosného roštu. Existující konstrukční systémy však umožňují umístit vodorovné prvky mimo průřez větrané mezery. Svislé prvky roštu následně vymezují větranou mezeru. Obzvláště vhodné je neomezovat průřez větrané mezery na minimální přípustné hodnoty u mezer s větší tloušťkou, kde se nepříznivý vliv lokálního zúžení projevuje výrazněji. V takových případech se v místě lokálního zúžení zmenšuje průřez i na hodnoty kolem 10 % plochy nezúženého průřezu. Zúžení průřezu uvnitř konstrukce je nevhodné i z důvodu dalších prvků omezujících proudění vzduchu v konstrukci jako jsou například větrací mřížky na přívodních a odváděcích otvorech [5]. Vhodným návrhem konstrukce, bez zbytečných zúžení je možné zabezpečit výrazně lepší vlastnosti osluněné konstrukce vzhledem k jejímu přehřívání, přehřívání interiéru objektu, nebo v případě použití energeticky aktivních fotovoltaických fasád zlepšit jejich účinnost snížením teploty panelů [6], [7], [8], [9].

Poděkování

Tento článek byl zpracován s podporou projektu FAST-J-14-2330. Materiálově byl experimentální model podpořen firmami: Divizí CETRIS, CIDEM Hranice, a.s., která dodala cementotřískové desky a Divizí ISOVER Saint-Gobain Construction Products, s.r.o., která dodala tepelnou izolaci do panelů experimentálního modelu a protivětrnou, difuzně otevřenou folii s odolností vůči UV záření.

Literatura

• [1] ETAG 034-1 Ventilated gladding kits comprising gladding components and associated fixings. European Organisation for Technical Approvals 2012. 98 p
• [2] ETAG 034-2 Cladding kits comprising cladding components, associated fixings, subframe and possible insulation layer. European Organisation for Technical Approvals 2012. 29 p
• [3] ČSN 73 1901 Navrhování střech – Základní ustanovení. Praha: Vydavatelství ÚNM. 2011. 56 s
• [4] Šagát, E. – Pěnčík, J. – Matějka, L.: Parametrická studie vlivu tloušťky vzduchové mezery provětrávané fasády. Stavební obzor, Vydání: 08/2013, s. 197–201, ISSN 1210-4027
• [5] Šagát, E. – Matějka, L.: Numerical Study of the Influence of Insect Grille on Airflow in Ventilated Facade Constructions. Advanced Materials Research, Volume 1041 (2014), pp 31–34, ISSN 1022-6680
• [6] Han, J. – Lu, L. – Peng, J. – Yang, H.: Performance of ventilated double-sided PV façade compared with conventional clear glass façade, Energy and Buildings. Volume 56, January 2013, Pages 204–209, ISSN 0378-7788
• [7] Gaillard, L. – Ménézo, Ch. – Giroux, S. – Pabiou, H. – Le-Berre, R.: Experimental Study of Thermal Response of PV Modules Integrated into Naturally-ventilated Double Skin Facades. Energy Procedia, Volume 48, 2014, Pages 1254–1261, ISSN 1876-6102
• [8] Hamou, S. – Zine, S. – Abdellah, R.: Efficiency of PV Module under Real Working Conditions. Energy Procedia, Volume 50, 2014, Pages 553-558, ISSN 1876-6102
• [9] Bechník, B.: Nejpoužívanější pojmy ve fotovoltaice. TZB-info, Topinfo s.r.o., Praha, 2014, ISSN 1801-4399