Realizácia a prvotné výsledky merania extenzívnych vegetačných striech na Žilinskej univerzite
Od roku 2020 sú postupne zhotovované skladby rôznych výrobcov za účelom merania teplôt a retencie dažďovej vody. V súčasnosti prebieha meranie na piatich rôznych skladbách. V tomto článku sú sumarizované poznatky z experimentu a načrtnuté výsledky počas prvého roku merania vo forme charakteristických dní pre jednotlivé obdobia.
1. Úvod
Na Slovensku sa často používa označenie zelená strecha ako doslovný preklad z anglického Green roof. Podľa vyjadrenia Jazykovedného ústavu Ľudovíta Štúra je však zelenou strechou každá strecha so zelenou farebnou povrchovou úpravou. Preto je momentálne nevyhnutné dbať na správnu terminológiu. V rámci výskumných aktivít v Česko-Slovenskom priestore je známa posledná realizácia výskumnej strechy v Košiciach pod vedením doc. Vertaľa [1]. Takisto určitý výskum realizujú vo výskumnom centre UCEEB v Buštěhrade [2]. Od roku 2020 prebieha výskum zameraný na vegetačné strechy aj na Katedra pozemného staviteľstva a urbanizmu Stavebnej fakulty Žilinskej univerzity v Žiline (ŽUŽ).
Prínosy vegetačných striech bývajú uvedené v každom článku týkajúceho sa týmto strechách, preto ich spomenieme iba v skratke:
- ochrana povlakovej krytiny, pričom odstraňujú dva degradačné faktory: pôsobenie UV žiarenia a teplotné rozkyvy,
- zmiernenie letného prehrievania,
- retencia vody a následné odparovanie,
- zachytávanie prachových častíc,
- zmiernenie spätného sálania akumulovaného tepla,
- protipožiarna ochrana, atď.
Najjednoduchším typom vegetačných striech sú extenzívne vegetačné strechy, ktoré jednotlivé funkčné vrstvy uvedené v platnej norme [3] združujú do viacfunkčných vrstiev (napríklad filtračná a hydroakumulačná, hydroakumulačná a drenážna atď.). Jednotlivé systémové skladby, ktoré ponúkajú spravidla výrobcovia povlakových krytín alebo tepelných izolácií sú maximálne zjednodušené. V niektorých variantoch ani neobsahujú substrát, resp. je nahradený minerálnou vlnou.
Ako vegetačná vrstva sa najčastejšie používa predpestovaný koberec so suchomilnými rastlinami – rozchodníkmi Sedum rôznych druhov. Väčšinou majú posunuté vegetačné obdobie aby rastliny kvitli dlhšie obdobie a strecha bola farebnejšia. V novembri 2021 bola dokončená ďalšia skladba, tentokrát so zasadením rezkov a teraz sa v blízkej dobe ukáže či došlo k ich zakoreneniu.
Výhodou extenzívnych striech je ich nízka plošná hmotnosť (v nasýtenom stave 95 až do 120 kg/m2). Samozrejme, vzhľadom na ich obmedzenú hrúbku, majú aj negatíva: nižšia retencia vody, obmedzený rozsah použitých druhov vegetácie a rastlín a takisto aj tepelnoakumulačné schopnosti. Pre zlepšenie ich funkčnosti v letnom období je možnosť u niektorých výrobcov vybaviť ich tzv. kvapkovou závlahou, ktorá zlepšuje počas letných horúčav možnosť odparovania vody a zabezpečuje aj stabilnejšie prostredie pre použité rastliny. Doteraz sa automatizovaná závlaha používala hlavne len pri strechách s využitím trávniku, kde je navyše vyžadovaná údržba kosením. Množstvo polievanej vody môže byť nastavované automaticky podľa merania aktuálnej vlhkosti v substráte.
Obr. 1 Pohľad na vzorky vegetačných striech 12/2021 (každá 1,8 × 1,85 m). Spodný rad pre meranie teplôt, horný rad pre meranie vodného režimu. Vzorka so štrkom celkom vľavo (1,2 × 1,2 m)
V rámci experimentálnych fragmentov je zhotovených päť systémových skladieb bežne dostupných na Slovenskom trhu. Šiesta skladba je modifikovaná pre zlepšenie vlastností dodatočnou vrstvou. Všetky fragmenty sú zhotovené dvakrát pre možnosť merania retencie dažďovej vody. Pohľad na vzorky v stave pred zimou 2021 je na Obr. 1. V tomto článku je priame porovnanie vegetačnej strechy a strechy bez ochrany povlakovej krytiny – ukončená mechanicky kotvenou povlakovou krytinou na báze mPVC svetlej farby. Takisto sú porovnané dve najdlhšie zhotovené vegetačné skladby medzi sebou. Keďže sú /boli ďalšie skladby postupne dopĺňané, priame porovnanie preto zatiaľ nie je realizované.
2. Metodológia merania a realizácia skladieb
Pri realizácii obnoveného strešného plášťa v roku 2019 nad blokom AF Stavebnej fakulty ŽUŽ, boli na dvoch miestach do skladby osadené snímače teplota/relatívna vlhkosť vzduchu. Jedna zo skladieb (Knauf Urbanscape) je realizovaná nad týmto miestom, nad druhým strecha končí povlakovou krytinou. Toto riešenie umožňuje presné porovnanie prínosu jednej zo skladieb oproti streche bez akejkoľvek ochrannej vrstvy povlakovej krytiny, čo je dnes najpoužívanejšie riešenie. Takisto je možné na základe nameranej teploty pod povlakovou krytinou porovnať ostatné skladby z hľadiska efektívneho vplyvu daného vegetačného súvrstvia a takisto túto teplotu použiť do nestacionárnych simulačných modelov.
Keďže pri vegetačných strechách je dôležitá aj analýza retencie dažďovej vody v jednotlivých skladbách, každá meraná skladba je duplicitná. Je to z dôvodu potreby pridaného spádovania vo vytvorených vaničkách pre rýchlejší odtok vody. Tento odtok je meraný pomocou lodičkových zrážkomerov, ktoré sú vhodné na nestály prietok a dokážu merať aj veľmi nízke prietoky. Na streche sa meria úhrn zrážok na ploche, ktorý sa porovnáva s jednotlivými skladbami a na základe toho sa dá stanoviť retencia jednotlivých skladieb, filtračné charakteristiky vrstiev a oneskorenie odtoku pri dosiahnutí vodozádržnej kapacity. Tento parameter je obzvlášť dôležitý, pretože so zmenou klímy súvisia aj čoraz častejšie prívalové dažde, ktoré môžu zahltiť kanalizačný systém a pri vzdutí uličnej kanalizácie môže dôjsť aj k škodám v budove pri rôznych netesnostiach potrubia.
V priebehu roku 2020 sa začalo na tejto streche s realizáciou skúšobných skladieb extenzívnych striech, ako prvá bola zhotovená vzorka ľahkej vegetačnej strechy STERED (ďalej Stered), pred zimou 2020 boli zhotovené aj vzorky od firiem Knauf a Icopal. V júni 2021 bola doplnená skladba od Isoveru a na jeseň 2021 bola doplnená skladba s doskami Stered s klasickým substrátom a sadením rezkov. Nakoniec bola pridaná menšia vzorka so štrkom, ktorý na rozdiel od čistej povlakovej krytiny má väčšiu schopnosť akumulácie tepla v letnom období a následné spätné sálanie v noci. Na Obr. 1 je znázornený stav v decembri 2021. Rozmery skúšobných skladieb sú 1,8 × 1,85 m. Fotografie z realizácie skladieb a počas exploatácie sú na Obr. 2.
Obr. 2 Umiestnenie snímačov do skladby počas obnovy strešného plášťa a realizácia jednotlivých skúšobných vzoriek
Ako bolo spomenuté, tak extenzívne vegetačné strechy vyžadujú minimálnu údržbu (odporúča sa min. 2× ročne, rovnako ako aj pri klasických plochých strechách). Takisto väčšina výrobcov odporúča hnojenie dvakrát ročne pomalorozpustným hnojivom. Rozdiel vo vegetácii v čase vzhľadom na hnojenie je na Obr. 3.
Obr. 3 Súčasný stav vzoriek strechy s doskami Stered s predpestovanou vegetáciou: vzorka vľavo bola na jar pohnojená pomaly rozpustným hnojivom pre extenzívnu zeleň, vzorka vpravo je bez hnojenia
Zmena výzoru vegetácie v rámci roku je na Obr. 4. Vzhľadom na realizáciu s predpestovaným kobercom sa nedá celkom povedať že je to charakteristický výzor, ten sa bude dať hodnotiť až nasledujúci rok. V súčasnosti sa však už dá povedať že je vegetácia zakorenená do vrstvy minerálnej vlny v tomto prípade a po jari 2021 sa vegetácia podstatne rozrástla. Vzhľadom na typické podmienky transportu rôznych živých častí vetrom došlo aj k rastu iných ako predpestovaných rastlín na streche, či už to bola púpava alebo rôzne vyššie trávy.
Obr. 4 Vzorka strechy Knauf Urbanscape: október 2020 hneď po realizácii skladby, december, január, máj, jún a august 2021
Zabudované snímače do skladby počas obnovy strešného plášťa v roku 2019 sú kombinované snímače Sensirion SHT21 napojené na mikropočítač RaspberryPI. Záznam je v intervale jednej minúty. Pre meranie teplôt nad povlakovou krytinou sú používané zapuzdrené termočlánky typu K a snímače PT100, určené pre meranie vo vode. Tieto snímače sú napojené na datalogger Fluke HYDRA 2638A. Lodičkové zrážkomery sú napojené na mikropočítač RaspberryPI. V obidvoch prípadoch je časový krok záznamu 1 minúta. Teploty vonkajšieho vzduchu a prípadne ďalšie klimatické parametre sú merané vlastnou meteostanicou, patriacou pracovisku autora a umiestnenou v areáli UNIZA.
Schéma meraných pozícií na vzorkách realizovaných priamo na pôvodnej povlakovej krytine je na Obr. 5 – použité pozície pre porovnanie sú označené farebne. Teploty sú takisto merané aj v skladbách, ktoré sú primárne na retenciu vody, v tomto prípade sa správajú podobne ako strecha typu DUO. Porovnanie výsledkov medzi nimi nie je predmetom tohto príspevku.
Obr. 5 Skladby striech použitých v tomto článku pre porovnanie. Snímače použité v tomto porovnaní sú farebne označené.
3. Meranie teplôt
Výsledky merania teplôt v extenzívnej streche a porovnanie so strechou bez vegetácie bolo vykonané pre vybraté dni s vhodným ukázaním funkčnosti a vplyvu:
- kalibračné meranie 9. október (Obr. 6),
- zimný deň bez snehovej pokrývky 1. február 2021 (Obr. 7),
- zimný deň so snehovou pokrývkou 16. január 2021 (Obr. 8),
- teplý jarný deň 1. február 2021 (Obr. 9),
- letný deň so suchou skladbou 24. júl 2021 (Obr. 10),
- letný deň s mokrou skladbou 26. júl 2021 (Obr. 11).
Výsledky merania teplôt sú ukázané na dvoch vegetačných strechách: Stered, označená ako VEGE strecha krytina, Knauf Urbanscape – označená ako Knauf krytina a porovnané so strechou bez vegetácie (jednoplášťová plochá strecha s parozábranou a mechanicky kotvenou krytinou z mPVC fólie) – označené ako bezVEGE krytina. Teploty vonkajšieho povrchu vegetácie na streche so Steredom sú označené VEGE povrch.
Kalibračné meranie na Obr. 6 ukazuje skoro presné zhodu napriek miernemu rozdielu vo výške tepelnej izolácie (strecha má spádovú vrstvu z tepelnej izolácie. Počas tohto merania boli obidve vytvorené miesta prekryté doskami Stered pre vytvorenie identickej skladby.
Obr. 6 Priebeh teplôt na vybraných miestach dvoch skladieb strechy Stered ako kalibračné meranie meracích miest
Zimné obdobie vo forme strecha bez snehovej pokrývky vystavená silnému mrazu (−12,8 °C) na Obr. 7 ukazuje jasný benefit vegetačného súvrstvia, ktoré pôsobí ako ochranná vrstva. Pôsobením dlhovlnného žiarenia sálaním jasnej nočnej oblohy dochádza pri streche bez ochrannej vrstvy k výrazne nižšej teplote ako je teplota vzduchu (−19,5 °C). Teplota krytiny takmer nie je ovplyvnená ani zmenou teploty ani týmto sálaním na rozdiel od obyčajnej plochej strechy. Použitie vegetačnej strechy má pozitívny prínos v zabránení vysokému teplotnému rozkyvu, znižuje maximálnu zápornú teplotu a takisto zabraňuje podchladeniu povrchu, čo znižuje tepelnú stratu prechodom tepla. Takéto výrazné podchladenie je pozorovateľné najmä pri výrazne zateplených konštrukciách a pri použití tepelnoizolačných materiálov s nízkou tepelnou akumuláciou.
Obr. 7 Priebeh teplôt na vybraných miestach dvoch vegetačných striech a strechy bez vegetácie počas zimného dňa bez snehovej pokrývky na streche
Naopak, zimný deň so snehom na streche, v tomto prípade cca 80 mm prachového snehu (Obr. 8) ukazuje, že sneh pôsobí takisto ako ochranná vrstva a významne ovplyvňuje teplotu krytiny obyčajnej strechy. Jeho vplyv ako dodatočnej vrstvy na vegetačných strechách je veľmi malý a priebehy sú stále bez viditeľných rozkyvov. Počas celého zimného obdobia sa teplota krytiny pohybovala okolo nuly, pri pokrytí snehom bola +0,1 °C (Obr. 8), pokiaľ na streche nebol sneh bola −1,5 °C (Obr. 7).
Obr. 8 Priebeh teplôt na vybraných miestach dvoch vegetačných striech a strechy bez vegetácie počas zimného dňa so snehom na streche
Počas jari dochádza (Obr. 9) postupne k čoraz vyšším denným rozkyvom pre strechu bezvegetačnú aj vegetačnú. Samozrejme trvanie jednotlivých špičiek je rôzne, zatiaľ čo krytina obyčajnej strechy dosahuje oveľa vyššie hodnoty, tak je veľmi ovplyvnená priamym slnečným žiarením. Akékoľvek aj čiastočné zakrytie slnka spôsobuje výrazný pokles jej teploty (aj do 20 °C). Pri vegetačných strechách je viditeľný fázový posun teploty na krytine oproti teplote na povrchu blízko vegetácie.
Obr. 9 Priebeh teplôt na vybraných miestach dvoch vegetačných striech a strechy bez vegetácie počas jarného slnečného dňa
Pri letnom dni (Obr. 10), sa rozdiel medzi maximom teploty vegetácie a teploty na povlakovej krytine pohybuje medzi 5–7 °C s fázovým posunom 3–4 hodiny. Teplotný rozkyv je rádovo nižší ako pri bezvegetačnej streche a závisí od obsahu vody v skladbe. Pri suchej skladbe je pri analyzovanom dni 15 °C. Pri hodnotení treba prihliadnuť na fakt, že merané skladby sú zhotovené nad strechou budovy, v ktorej dochádza v letnom období k podstatnému prehrievaniu vnútorných priestorov (teplota sa pohybuje v priestoroch pod strechou v závislosti od vetrania kancelárií v rozmedzí 24 až 34 °C). Toto je dôsledok netieneného svetlíka z polykarbonátu nad vnútornou chodbou. Vzhľadom na vysoký tepelný odpor strešného plášťa je ale vplyv na vonkajšiu teplotu, resp. teplotu súvrstvia minimálny.
Obr. 10 Priebeh teplôt na vybraných miestach dvoch vegetačných striech a strechy bez vegetácie počas letného dňa v suchom období
Veľký vplyv na funkčnosť, resp. výsledky meraní teplôt má aktuálny obsah vody v danom vegetačnom súvrství. Čim je tento obsah nižší, tým je efektivita nižšia, pretože vlhké vrstvy povrch ochladzujú. Tento jav je možné pozorovať na výsledku merania na Obr. 11, čo je deň po výdatnom daždi predchádzajúci večer. Napriek tomu že krytina bezvegetačnej strechy dosahuje porovnateľné teploty ako na Obr. 10, rozkyvy vegetačných striech sú skoro polovičné (8 °C namiesto 15 °C).
Obr. 11 Priebeh teplôt na vybraných miestach dvoch vegetačných striech a strechy bez vegetácie počas letného dňa po predchádzajúcom daždi (mokrá skladba)
4. Meranie vodného režimu
Zobrazené výsledky z merania retencie dažďovej vody alebo vodného režimu sú v podobe jedného daždivého dňa medzi uvedenými dňami na Obr. 10 a 11. Počas večera 25. júla došlo k intenzívnemu dažďu s úhrnom viac ako 30 mm (Obr. 12).
Obr. 12 Porovnanie intenzity a kumulatívneho úhrnu odtoku z vegetačných striech s dažďom
Výsledky ukazujú na podstatný prínos z hľadiska retencie dažďovej vody: skladba dokáže zadržať veľké percento dažďovej vody a filtráciou cez jednotlivé vrstvy podstatne znižuje rýchlosť odtoku zo strechy. To má pozitívny vplyv na možné zahltenie kanalizačnej siete, v kontexte stále častejšie sa vyskytujúcich prívalových dažďov, striedaných obdobiami bez zrážok. Skúšobné vzorky redukovali odtok vody v rozpätí 77–83 %. Do úvahy je však potrebné vziať aj nedokonalý odtok zo skúšobných vzoriek. Pri nižších úhrnoch v rámci leta dokázali skladby väčšinou absorbovať všetok dážď.
5. Záver
Namerané výsledky sumarizujúce ročné skúsenosti ukazujú na výrazný pozitívny vplyv vegetačnej strechy tak na teplotný, ako aj na vodozádržný/retenčný režim. Vegetačné súvrstvie v zimnom období znižuje podchladzovanie povrchu a tým aj tepelnú stratu prechodom tepla. Súvrstvie, aj napriek tomu, že je mokré/vlhké/zamrznuté s vysokým súčiniteľom tepelnej vodivosti, prispieva k zlepšeniu tepelnoizolačných vlastností hlavne elimináciou podchladzovania vonkajšieho povrchu. Pri bezvegetačnej streche túto funkciu môže plniť sneh, ale v dnešnej dobe je jeho výskyt a dĺžka trvania krátka. Takisto sa jeho vlastnosti výrazne menia s druhom snehu.
Meranie zrážok bolo v roku 2021 značne obmedzené pre nízke úhrny. Nameraný dážď s vyšším úhrnom ukazuje však nato, že zadržanie vody funguje a následne sa aj zlepšuje chladiaci vplyv. Skladba dokáže zadržať podstatnú časť vody z bežného dažďa (75 %) a zadržať vodu filtrovaním v rozpätí od približne dvoch hodín. Tento čas, aj retencia sa samozrejme znižuje v závislosti od dĺžky trvania zrážok, resp. ich opakovania.
Pokiaľ sa jedná o porovnanie dvoch použitých typov striech, pre všetky vybraté dni sú rozdiely v nameraných teplotách na povrchu povlakovej krytiny porovnateľné vo všetkých analyzovaných dňoch. Dosiahnuté rozdiely sú na úrovni odchýlky použitých snímačov.
Poďakovanie
Tento článok bol podporený grantovou úlohou VEGA 1/0673/20. Takisto ďakujeme za podporu výskumu firmám Knauf, Icopal, Isover, Sadova a MDM Slovakia.
Literatúra / zdroje
[1] M. Vertaľ a kol.: Experimentálna vegetačná strecha s bio diverzným potenciálom, In Střechy, fasády, izolace 11-12/2020
[2] https://www.uceeb.cz/cz/zelena-strecha-roku-2021-nam-prinesla-uznani-odborniku/
[3] STN 73 1901: 2005: Navrhovanie striech. Základné ustanovenia
Green roofs are considered one of the best ways to eliminate summer overheating, mitigate climate change, or reduce the urban heat island effect. The winter season and its impact on building energy consumption are often overlooked. This paper deals with experimental measurement of the different green roof samples. The impact on the membrane temperatures is analyzed for two green roof and compared with the regular single ply flat roof and with gravel covered one. Initial results are provided for short time period of each seasons. Also the impact of the rain and water retention is showed.