Lehké obvodové pláště budov – pokročilá řešení s přírodními materiály

Úvod

Lehké obvodové pláště budov se začaly ve velké míře používat od šedesátých let dvacátého století. Lze je charakterizovat jako nenosné roštové nebo panelové konstrukce upevňované zpravidla ke stropní konstrukci skeletové stavby. Jejich neznámějším českým reprezentantem jsou tzv. Boletické panely. Takovými panely je osazeno téměř 300 školních budov v ČR i další nebytové stavby, jako jsou polikliniky, administrativní budovy apod.

Obr. 1 Lehký obvodový plášť budovy A Fakulty stavební ČVUT v Praze z roku 1971. a) demontáž původního pláště, b) nový plášť s odlišným členěním oken a venkovními dálkově ovládanými žaluziemi

Ve své době progresivní řešení se ukázalo být zatížené několika problémy, jako je riziko přehřívání interiérů v důsledku realizace velkých prosklených ploch, zpravidla bez efektivního stínění, a vysokou energetickou náročností budov s těmito plášti. K tomu se dále řadí i možná přítomnost azbestu v použitých deskových materiálech. K objektivním problémům patří i neatraktivní vzhled budov po 30–50 letech existence.

Vzhledem k tomu, že se jedná o nenosné prvky většinou panelového typu, je možné k sanaci přistoupit opět systémovým způsobem – ve formě náhrady za panely s výrazně lepšími vlastnostmi. Obvyklým řešením je použití panelů s kovovou kostrou a okny s kovovými rámy. Inspirováni probíhající výměnou lehkého obvodového pláště jedné z budov stavební fakulty ČVUT v Praze se začal náš tým věnovat hledání alternativního řešení s cílem použít co nejmenší množství kovových a ropných materiálů při zachování možnosti rychlé montáže a dosažení nízké energetické náročnosti. Řešení má být použitelné jak pro rekonstrukce budov, tak pro novostavby.

Výměna obvodových plášťů a tepelné ztráty

V mnoha případech již došlo nebo dochází k výměně těchto lehkých obvodových plášťů, značné množství to teprve čeká. Revitalizace budov probíhá v mnoha případech kompletní demontáží pláště s následným vyzděním z pórobetonových tvárnic se zateplovacím systémem ETICS. Tato varianta je časově náročná, zahrnuje mokré a prašné stavební procesy a navíc dochází ke kompletní změně vzhledu budovy. Nejrozšířenější variantou je instalace nového lehkého obvodového pláště na bázi metalických materiálů. Takovým případem je například patnáctipodlažní budova Fakulty stavební ČVUT v Praze (obr. ). Výměnou obvodového pláště se u takové budovy může výrazně změnit bilance tepelných ztrát a zisků, což vede k zásadnímu snížení potřeby tepla až o 50–70 % [1]. Na druhou stranu, hliníkové obvodové pláště mají značnou energetickou náročnost ve fázi výroby. Tato svázaná spotřeba může představovat množství energie, která odpovídá tepelným ztrátám metalickým obvodovým pláštěm za více než 30 let provozu.

Vývoj nového LOP

Obr. 2 Schéma lehkého obvodového pláště panelového typu na bázi dřeva (envilop)

Snahou bylo vytvořit lehký obvodový plášť, který bude nejen kvalitně řešen z hlediska prostupu tepla, ale navíc budou vyloučeny nebo výrazně omezeny materiály neobnovitelné a energeticky náročné. V rámci projektu Inteligentní budovy Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT v Praze (UCEEB) [2, 3] bylo navrženo systémové řešení plně prefabrikovaného lehkého obvodového pláště panelového typu envilop s přednostním využitím obnovitelných materiálů (schéma na obr. 2).

Konstrukce

Hlavní konstrukční (nosný rám panelu, vnější a vnitřní konstrukční desky) i doplňkové materiály (tepelná izolace, fasádní obklad, okenní rám a křídlo) navrženého LOP pojmenovaného envilop mohou být vyrobeny z materiálů na bázi dřeva. Nový LOP s panely na celou výšku podlaží je koncipován tak, aby umožňoval snadnou montáž zavěšením na nosnou stropní desku budovy.

Mezi hlavní inovativní prvky tohoto řešení patří maximální míra prefabrikace. Technické řešení využívá automatizovanou CNC výrobní linku pro opracování dřevěných prvků s velmi vysokou přesností. Provedení připojovacích spár mezi panely pomocí pružných těsnění umožňuje montáž na stavbě bez nutnosti jakéhokoliv dalšího ošetření. Díky tomu se panely montují s finální vnější povrchovou úpravou a není nutná stavba lešení. Vodorovná spára mezi panely je umístěna ve výši parapetu, takže je při montáži snadno přístupná pro zajištění těsnosti. Z interiérové strany se pak doplňují obvyklé sádrokartonové nebo sádrovláknité předstěny, do jejichž dutiny je možné s výhodou umístit potřebné rozvody elektro a vytápění.

Materiál rámu panelu je proveden z nosníku z vrstvených dýh „Laminated Veneer Lumber“ (LVL) s vysokou únosností. Díky tomu bylo možné zmenšit tloušťku nosných prvků, tím výrazně eliminovat množství tepelných mostů a zároveň dosáhnout subtilního vzhledu obvodového pláště. Vnější konstrukční plášť je z tenké tuhé difuzní dřevovláknité desky. Vnější pohledové prvky jsou provedeny z bezúdržbového dřeva Thermowood.

Systémové doplňky

Neprůsvitná část panelu může být ve formě větrané fasády vytvořena obkladovými materiály (vláknocementové desky, sklo, dřevo). Může být také osazena aktivními solárními prvky (fotovoltaické panely) nebo dřevěnou podpůrnou konstrukcí pro pnoucí zeleň. Je umožněno zabudování podparapetní větrací jednotky se zpětným získáním tepla. Okenní otvory jsou standardně opatřeny vnějšími žaluziemi s motorovým pohonem pro snížení solárních zisků v letním období.

Při využití fotovoltaických panelů jako vnější fasády dochází k produkci energie, kterou lze v objektu dále využít. Při svislé jižní orientaci mohou i v podmínkách ČR fotovoltaické panely během několika let provozu vyrobit množství energie odpovídající množství energie potřebné pro výrobu celého obvodového pláště. Bilančně je tedy garantována tzv. energetická návratnost.

Tepelně technické vlastnosti

Technické řešení splňuje současné požadavky na tepelnou ochranu budov v ČR. V základní verzi je celková tloušťka panelu 270 mm a tloušťka vloženého tepelně izolačního materiálu je 240 mm. Podle druhu tepelně izolačního materiálu (měkké dřevovláknité izolace, minerální vlákna, konopná izolace apod.) dosahuje tato skladba hodnot součinitele prostupu tepla od 0,16 do 0,09 W/(m²K) – bez započtení tepelných vazeb.

Průsvitné varianty obvodového pláště mají v sobě zabudována dřevěná okna Slavona Progression. Řešení okna umožňuje provést osazení bez viditelného rámu z vnější strany. Zasklení je provedeno tepelně izolačním trojsklem se součinitelem prostupu tepla 0,6 W/(m²K).

Environmentální vlastnosti

Jedním z významných cílů a motivací vývoje nového LOP na bázi dřeva bylo dosažení co nejlepších environmentálních vlastností v porovnání s konvenčními řešeními lehkých obvodových plášťů na metalické bázi. Bylo provedeno environmentální posouzení panelů zjednodušenou analýzou životního cyklu (LCA). Pro hodnocení byl vybrán typický rozměr jednoho panelu LOP s rozměry 3,3 × 1,5 m, s průsvitnou výplní. Lehký obvodový plášť na bázi dřeva podle prezentovaného řešení byl porovnán s běžným lehkým obvodovým pláštěm na bázi hliníku.

Obr. 3 Zjednodušené multikriteriální vyhodnocení environmentální kvality posuzovaných variant obvodového pláště pomocí paprskového grafu. Dřevěný lehký obvodový plášť způsobuje výrazně nižší environmentální zatížení téměř ve všech sledovaných parametrech.

Základním prostředkem jak vytvořit environmentálně efektivní konstrukci bylo maximální využití materiálů na bázi dřeva. Ty tvoří představený dřevěný LOP z 65 % hmotnosti v průsvitné variantě a 93 % hmotnosti celého panelu v neprůsvitné variantě. Detailnější výsledky posouzení byly publikovány v článku [4], závěry jsou přehledně zobrazeny na obr. 3.

Porovnání energetické náročnosti výroby:

• navržený dřevěný obvodový plášť – 962 MJ/m²
• hliníkový obvodový plášť – 2350 MJ/m²
• původní Boletické panely – 3050 MJ/m² (informativní hodnota)

Porovnání potenciálu globálního oteplování GWP („uhlíková stopa“):

• navržený dřevěný obvodový plášť – 5 kg CO₂/m²
• hliníkový obvodový plášť – 168 kg CO₂/m²

Prototypy a testování

Obr. 4 Pohled do klimatické místnosti UCEEB v Buštěhradu. a) zařízení pro řízení teploty a relativní vlhkosti vzduchu, b) dlouhodobé testování poměrů při dodatečné interiérové tepelné izolaci obvodových cihelných stěn budov s dřevěnými trámovými stropy. Do horních testovacích oken se umisťují lehké konstrukční skladby (například pro dřevostavby).

Po jednotlivých zkouškách doprovázených stavebně-fyzikálními výpočty na několika zmenšených modelech byl první prototyp navrženého dřevěného obvodového pláště umístěn do fasádního testovacího pole (obr. 4) v tzv. klimatické místnosti v Univerzitním centru energeticky efektivních budov (UCEEB) v Buštěhradě. Jedná se o prostor s nastavitelnou teplotou a relativní vlhkostí vzduchu, v jehož obvodové stěně je vynechána šestice otvorů (každý 3,0 × 3,2 m), do kterých se na dobu zpravidla delší než jeden rok umístí testovaná obvodová konstrukce nebo jsou otvory zaslepeny. Byly zde osazeny dva průsvitné panely a dva parapetní neprůsvitné panely (obr. 5). Během výroby byly panely osazeny množstvím snímačů pro měření jejich tepelně-vlhkostního chování.

Obr. 5 Dlouhodobé testování. a) Výroba prototypů s umístěním sensorů b) osazovaní prefabrikovaných panelů LOP na bázi dřeva do experimentální fasády UCEEB

Další sestava panelů byla vyrobena pro účely testování akustických parametrů systému v externí laboratoři. Jednalo se o sestavu čtyř panelů o celkových rozměrech 306 × 285 cm, se kterou byly provedeny celkem tři testy v různých konfiguracích: jen plné panely s nevyplněnou systémovou spárou, s vyplněnou spárou, třetí konfigurace obsahovala jeden panel s oknem (průsvitný panel).

Test potvrdil nezávislost akustických vlastností na vyplnění spáry a pomohl stanovit rozdíl mezi plnými a průsvitnými panely. Vážená neprůzvučnost plných panelů byla stanovena v hodnotě R_w1 = R_w2 = 41 dB a R_w3 = 38 dB pro konfiguraci s průsvitným panelem, oba případy platí pro vzorky bez vnitřní předstěny a vnější fasádní vrstvy.

Obr. 6 Probíhající zkoušky Envilop: a) test vzduchotěsnosti a vodotěsnosti systémových spár na fragmentech panelů, b) připravený vzorek Envilop FIRE pro zkoušku požární uzavřenosti

V současné době probíhá série zkoušek vzduchotěsnosti a vodotěsnosti, je provedena sada zkoušek vodorovné a svislé systémové spáry v různých konfiguracích a zkouška celého průsvitného panelu. Podle předběžných výsledků jsou naměřené parametry vzduchotěsnosti více než dostačující normovým požadavkům. Závěrečné vyhodnocení bude k dispozici po provedení testu křížového styku panelů.

Poslední připravovanou zkouškou je zkouška požární uzavřenosti systému Envilop FIRE. Jde o variantu představené čistě dřevěné obvodové konstrukce, ovšem se zvýšenou požární odolností díky použití nehořlavých materiálů v kombinaci s materiály na bázi dřeva. Tato varianta by měla umožnit širší použití systému Envilop – nerozšiřovat při výměně původního pláště požárně nebezpečnou plochu kolem rekonstruovaných objektů. Požární zkoušky proběhnou během dubna 2015 (obr. 6).

Závěrem

Je jistě žádoucí, aby se rozšířily možnosti náhrady dosloužilých obvodových plášťů za nová, různorodá řešení s velmi nízkým prostupem tepla, odpovídající požadavkům pro pasivní budovy a s možností výhodné integrace aktivních prvků. Připravené řešení představuje možnost realizovat nenosné obvodové pláště budov s minimalizovaným environmentálním dopadem, vysokou tepelně technickou kvalitou a s možností aplikace moderních rozšiřujících technologií. Dřevěný plášť Envilop bude dále ověřován ve výzkumném centru UCEEB ve formě rozsáhlé pilotní instalace.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektů OP VaVpI č. CZ.1.05/3.1.00/13.0283 – Inteligentní budovy a č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov (UCEEB). Uvedené akustické zkoušky byly provedeny v akreditované zkušební laboratoří č. 1007.4 – Centrum stavebního inženýrství a.s., Praha. Za podporu a spolupráci děkujeme.

Podklady

• [1] Tywoniak, J., Bureš, M.: Lehké obvodové pláště při energetické sanaci budov. Pasivní domy, Bratislava, 2013
• [2] UCEEB: Lehký obvodový plášť panelového typu na bázi dřeva. Užitný vzor 2013-28513, Úřad průmyslového vlastnictví, září 2013
• [3] Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT v Praze, http://www.uceeb.cz
• [4] Tywoniak, J., Bureš, M., Hodková, J., Lupíšek, A.: Nová generace environmentálně šetrného lehkého obvodového pláště. Průmyslová ekologie 2014, Praha, 2014