Tepelně-vlhkostní režim konstrukce s vnitřním zateplením na bázi celulózy

Úvod

V minulosti byly stavební materiály na bázi přírodních surovinových zdrojů hojně využívány zejména v souvislosti s omezenými možnostmi výroby pokročilých stavebních materiálů. S rozvojem společnosti a racionalizací stavebnictví nastal také rozvoj v oblasti stavebních materiálů, kdy byly přírodní materiály ve velké míře nahrazeny materiály syntetickými, často na bázi polymerních a anorganických látek. Tyto produkty získané často energeticky a technologicky složitými procesy nejsou v současné době považovány za ekologicky udržitelný stav. Proto je ve společnosti vyvíjen velký tlak na redukci nežádoucích plynů a látek v ovzduší s cílem snížení globálního oteplování planety a šetření přírodních zdrojů. Jednou z možností je využití přírodních a snadno obnovitelných surovinových zdrojů, jejichž zpracování nevyžaduje energeticky náročné procesy. V případě izolačních materiálů poskytuje příroda mnoho variant přírodních vláken, ať již na rostlinné či živočišné bázi. V dnešních stavebních konstrukcích však nemusí být jejich uplatnění tak jednoduché, jako tomu bylo v minulosti. Stavby a jejich technické zařízení prodělaly v posledním století velké změny jak v koncepci navrhování konstrukcí a tvorby vnitřního prostředí, tak i u samotného užívání staveb. Dnešní stavební konstrukce tak musí splňovat mnohem více kritérií, než tomu bylo v minulosti, a tyto je nutné v procesu návrhu také ověřit.

Nevýhodou přírodních materiálů je zpravidla velká vlhkostní citlivost, která může negativně ovlivnit jejich životnost a další tepelně technické a mechanické charakteristiky. Již od roku 2014 probíhá na VUT v Brně, Fakultě stavební ve spolupráci se společností CIUR a.s. vývoj přírodních partikulárních izolací s využitím do konstrukcí budov. Jedná se především o izolace na bázi celulózových vláken, konopných vláken, slámy a dřevovláken, při jejichž výrobě jsou používané lokální surovinové zdroje. Vzhledem ke struktuře těchto vláknitých materiálů je zde specifické chování z hlediska transportu vlhkosti a jejího vlivu na zachování parametrů v porovnání s běžně užívanými izolacemi. Z tohoto důvodu je nutné se detailněji zabývat návrhem z hlediska tepelné techniky s ohledem na možnou degradaci a ztrátu tepelně izolačních vlastností při zvýšené vlhkosti. Tyto otázky byly mimo laboratorních měření ověřeny i v reálné aplikaci do stavební konstrukce při rekonstrukci rodinného domu.

V oblasti navrhování stavebních konstrukcí z pohledu tepelné ochrany budov jsou v současné době v ČR závazné požadavky technické normy ČSN 730540 [1]. V oblasti šíření vlhkosti a vlhkostní bilance tato norma stanovuje závazné požadavky v oblasti maximálního množství zkondenzované vodní páry a v oblasti roční vlhkostní bilance. Také ve své části 4 obsahuje postup pro výpočet vlhkostní bilance Glaserovou metodou a odkazuje se na další výpočetní postupy dle ČSN EN ISO 13788 [2]. Výsledky obou zjednodušených metod založených na metodě Helmuta Glasera [3] však vykazují často výrazně odlišné výsledky. Mimo jiné, tyto zjednodušené metody ignorují zejména sorpci vlhkosti a kapilární transport, která má zcela zásadní vliv na vývoj vlhkosti a její redistribuci v konstrukci a jejích materiálech v období roku. Proti tomu je možné použít metodiku dle ČSN EN 15 026 [4], která dokáže zohlednit nejen sorpci vlhkosti a proměnlivost okrajových podmínek, ale i další aspekty komplexního transportu vlhkosti. Použití těchto komplexnějších metod je možné použít pro vyšetřování složitějších případů, jako je například vysychání konstrukcí [5]. Výsledky jednotlivých metod jsou navzájem mezi sebou konfrontovány a také porovnány s výsledky získanými z experimentálního měření.

Popis experimentu a parametry materiálu

Obrázek 1 Fotka objektu vlevo, vpravo detail konstrukce původní stěny

Rodinný dům se nachází v Mokrých Lazcích, nedaleko Opavy (Moravskoslezský kraj). Rekonstrukce vychází z přestavby původně nevyužitého podkrovního prostoru na obytné místnosti. Objekt je zastřešen šikmou sedlovou střechou a má hřeben orientovaný ve směru východ – západ. V podkroví je zdivo obvodových stěn zhotovené z plných pálených cihel a ze strany exteriéru je opatřeno omítkou. V pravidelném rastru jsou obvodové zdi pod pozednicí vyztužené cihlovými pilíři s výškou přibližně jeden metr nad úrovní podlahy podkroví. Krovky jsou uloženy na pozednici a na vrcholové vaznici, která je podepřená ve štítových zdech a na dvou příčných vazbách přibližně v třetinách délky objektu (tzv. stojatá stolice).

Zateplení obvodových stěn je realizováno dodatečně z vnitřní strany foukanou izolací. Receptury vybrané pro aplikaci při rekonstrukci a zateplení zděného domu byly vyvinuty v rámci společné spolupráce s firmou CIUR a.s. Z vnitřní strany je izolace opatřená parozábranou, která je ze strany interiéru zakrytá sádrokartonovou deskou na systémových profilech. Tabulka 1 uvádí skladbu stěn, sorpční křivky jsou uvedeny na obrázku 3. Hodnoty materiálových parametrů celulózy byly určené měřením, ostatní hodnoty byly převzaty z technických listů výrobců, technické normy [1] nebo odborné literatury [6], [7].

Obrázek 2 Schéma skladby konstrukce a rozmístění senzorů na rozhraních materiálových vrstev

Obrázek 3 Sorpční křivky použitích materiálů

Měření teploty a relativní vlhkosti je řešené tepelně-vlhkostními senzory SENSIRION SHT 21. Jedná se o digitální senzory pracující na sběrnici I2C a podle specifikace výrobce mají tyto senzory přesnost měření přibližně +/− 0,3 °C a 3 % u relativní vlhkosti. Poloha senzorů je lokalizovaná na rozhraní materiálových vrstev, případně ve středu izolačních vrstev, jak uvádí schéma na obrázku 2. Další senzory jsou umístěny v interiéru a exteriéru, pro měření parametru vnitřního a vnějšího prostředí. Detail senzoru je uveden na obrázku 4 a data jsou sbírána v desetiminutových intervalech do databáze. Aktuální rozložení teploty a relativní vlhkosti je možné zobrazit na webové stránce v síti internet.

Obrázek 4 a) Detail senzoru teploty a relativní vlhkosti, b) Webová aplikace pro vizualizaci měřených dat

Výsledky z měření na reálné konstrukci

Monitoring teplot a vlhkosti probíhá od 18. 2. 2016, prezentované a pro další analýzu jsou použité až výsledky získané v období 1. 5. 2016 až 31. 7. 2017, kdy bylo podkroví již užívané. Na obrázku 5 jsou znázorněny průběhy teplot a relativní vlhkosti u jižní stěny a na obrázku 6 pak severní stěny. Označení senzorů v grafech odpovídá na obrázku 2. Z hlediska průběhů teplot se obě stěny mezi sebou odlišují pouze nepatrně. Jižně orientovaná část konstrukce dosahuje mírně vyšší teploty, což je důsledek vlivu slunečního záření.

Konstrukce je zateplená z vnitřní strany a v našich klimatických podmínkách jsou tyto systémy zateplení zpravidla doprovázené nárůstem vlhkosti na rozhraní původní konstrukce a izolantu v zimním období, který je pak postupně odpařen v období letním. Naměřená data u obou monitorovaných profilů potvrzuju zmíněné předpoklady. Z hlediska relativní vlhkosti je nejvyšší hodnota v bodě č. 4, na rozhraní cihelného zdiva a izolace. Relativní vlhkost v tomto bodě nabývá maximální hodnoty blížící se k 9 % a překvapivě u jižní stěny jsou tyto hodnoty mírně vyšší než u stěny severní.

Obrázek 5 Průběhy teploty a relativní vlhkosti v jižní stěně

Obrázek 6 Průběhy teploty a relativní vlhkosti v severní stěně

Výsledky výpočtu

V rámci hodnocení tepelně-vlhkostního režimu obalových konstrukcí budov je u nás využívaná národní metodika ve smyslu ČSN 730540 [1] a metodika evropská ve smyslu ČSN EN ISO 13788 [2]. Národní metodika umožňuje predikci rizika kondenzace a souhrnně stanovit zkondenzované a odpařené množství vodní páry za celý rok. Evropská metodika poskytuje i informaci o bilanci po jednotlivých měsících. Obě metody, i když jsou založené na stejné metodě označované jako Glaserova metoda [3], využívají odlišný přístup z hlediska trvání okrajových podmínek a sčítání množství zkondenzované vodní páry, což vede zpravidla k odlišným výsledkům, i když jsou považované z hlediska hodnocení za rovnocenné [8].

Obalové křivky teploty a relativní vlhkosti dle evropské metodiky jsou uvedeny na obrázku 7. Jsou určeny vnitřními okrajovými podmínkami dle přílohy A normy ČSN EN ISO 13788 pro prostory s normální obsazeností, závislými na vnější teplotě a vnějším prostředí využívajícím měsíční průměry pro Ostravu [1]. Obdobně jako u evropské metodiky jsou obalové křivky výpočtu znázorněny také pro metodiku národní, na obrázku 8. Tato národní metodika užívá pro vnitřní prostředí teplotu 20,6 °C a relativní vlhkost 55 %, pro vnější prostředí využívá početnosti referenčních teplot v rámci roku a jim příslušné relativní vlhkosti.

Obrázek 7 Obalové křivky teploty a relativní vlhkosti na základě ČSN EN ISO 13788 s okrajovými podmínkami v interiéru podle přílohy A v porovnání s měřenými daty

Obrázek 8 Obalové křivky teploty a relativní vlhkosti na základě ČSN 730540 v porovnání s měřenými daty

U metody dle ČSN 730540 dochází v konstrukci ke kondenzaci vodních pár v množství 0,0759 kg.m⁻² za rok a 1,353 kg.m⁻² se z konstrukce může odpařit. V konstrukci dochází ke kondenzaci při vnější teplotě pod 0 °C. U evropské metodiky ke kondenzaci nedojde, i když jsou průměrné teploty nižší než 0 °C. Je to způsobeno tím, že vnitřní návrhové podmínky mají určenou relativní vlhkost na základě vnější teploty, která je oproti národní metodice, uvažující konstantní hodnotu, s klesající vnější teplotou snižována.

Analýza hydrotermální odezvy konstrukce muže být ještě provedena dle evropské normy ČSN EN 15026 [3]. Vnitřní okrajové podmínky byly v simulaci určeny stejně jako u zjednodušené metody na základě přílohy A normy ČSN EN ISO 13788 pro prostory s normální obsazeností závislé na vnější teplotě. Pro vnější okrajové podmínky byla použita teplota a relativní vlhkost testovacího referenčního roku (TRY) pro Ostravu [9]. Porovnání dle této metodiky je uvedeno na obrázku 9.

Obrázek 9 Obalové křivky teploty a relativní vlhkosti určené hydrotermální simulací na základě TRY

Hygrotermální simulace umožňuje mnohem komplexnější pohled na konstrukci. Mimo predikce teploty a vývoje relativní vlhkosti dokáže také určit celkový obsah vlhkosti v jednotlivých materiálech nebo celé konstrukci. Rozložení obsahu vlhkosti napříč skladbou v roce je ilustrováno na obrázku 10. V jeho levé části je celkový obsah vlhkosti, v pravé pouze nadhygroskopický interval. Jak je vidět z grafu, nadhdygroskopickou vlhkost převyšující 80 % relativní vlhkosti, nabývají dle simulace pouze zdivo a vnější omítka, izolace zůstane v hygroskopickém intervalu.

Obrázek 10 Rozložení hmotnostní koncentrace vlhkosti v konstrukci v období roku, vlevo celkové, vpravo zvýrazněná pouze nadhygroskopická oblast

Množství vlhkosti v konstrukci jako integrál sorpční křivky a jeho vývoj v roce je vidět na obrázku 11. Oranžová křivka představuje celkové množství vlhkosti v materiálu, modrá pouze nad hydroskopické, které přesahuje úroveň relativní vlhkosti 80 % na sorpční izotermě. Při pohledu na graf je vidět, že konstrukce v průběhu roku obsahuje hydroskopicky vázanou vlhkost o průměrné hodnotě 1,73 kg.m⁻² s roční amplitudou přibližně 0,24 kg.m⁻². Pokud zanedbáme celý hydroskopický buffer a uvažujeme jenom vlhkost v nadhydroskopické oblasti, ta narůstá v konstrukci až do úrovně 0,29 kg.m⁻².

Obrázek 11 Vývoj vlhkosti v konstrukci určen numerickým výpočtem

Porovnání vypočtených a měřených hodnot relativní vlhkosti je uvedeno na obrázku 12. Z hlediska jejího vývoje je zde vidět relativně dobrou shodu s ohledem na některé další nejistoty ve výpočtu.

Obrázek 12 Vývoj relativní vlhkosti v konstrukci

Diskuse výsledků

Z pohledu konstrukce na základě měřených dat prezentovaných na obrázcích 5 a 6 se jeví, že nedochází k stálému nárůstu relativní vlhkosti, vlhkost v konstrukci v rámci roku jenom periodicky osciluje. Měřené hodnoty relativní vlhkosti na konci uvedeného období 8/2017 dosahují přibližně stejné hodnoty relativní vlhkosti, jako tomu bylo v období 8/2016. Není zde patrný ani výrazný pokles ani nárůst pro žádný kontrolní bod.

Z hlediska hodnotících metod a průběhu teplot jsou pro obě konstrukce na obrázcích 7 až 9 patrné výrazné rozdíly mezi průběhy teploty obalových křivek a rozsahu teplot identifikovaném měřením v konstrukci, zejména na straně interiéru. Je to způsobeno vlivem otopné přestávky v chladném období a také přehříváním prostoru během léta. Z těchto období pochází zaznamenané extrémy, které se objevují v grafech jako minima a maxima u vrstev blízko interiérového povrchu. Větší rozdíly hlouběji v konstrukci mezi rozsahem teploty v měřených bodech a obalových křivek jsou dosaženy hlavně u evropské metodiky jako důsledek výrazně vyšších hodnot měsíčních průměrů teploty, než jsou krátkodobé extrémy po dobu několika hodin nebo dní. Uvedená konstrukce nemá z pohledu tepelné setrvačnosti téměř žádnou akumulační schopnost, velmi rychle následuje změny teplot prostředí k ustálenému teplotnímu stavu a v profilu jsou tak dosaženy výraznější výkyvy teploty, než tomu bývá u masivních konstrukcí. Z hlediska rozložení teplot se nejblíže k měřeným rozsahům přibližuje numerická simulace na základě dat testovacího referenčního roku. U relativní vlhkosti obě zjednodušené metody vykazují pro stěnu zásadně odlišné výsledky. Při použití celoroční teploty 20,6 °C a 55% relativní vlhkosti v interiéru vykazuje národní metodika kondenzaci vodních pár na rozhraní izolace a zdiva. V případě použití vnitřních okrajových podmínek dle přílohy A normy ČSN EN ISO 13788 však snížení relativní vlhkosti v interiéru v zimním období zapříčiní, že u tohoto scénáře v evropském modelu ke kondenzaci vodních pár v konstrukci vůbec nedojde. Z pohledu rozložení vlhkosti ve skladbě stěny však evropský model spolu s hygrotermální simulací vykazuje daleko lepší shodu s měřenými hodnotami relativní vlhkosti, než je tomu u národní metodiky.

Závěr

Výzkum a vývoj nových materiálů vyžaduje mimo laboratorního testování také dlouhodobé experimentální ověření. Měření teplotních a vlhkostních profilů různých stavebních konstrukcí a jejich vyhodnocení nám mohou poskytnout důležité a zajímavé informace o reálném chování stavební konstrukce v interakci s prostředím.

Porovnání výsledků získaných experimentem s výpočty dle standardizovaných metodik naznačuje, že výsledky zjednodušených metod pro posuzování tepelně-vlhkostního režimu plně neodpovídají měřeným hodnotám. Původní československá metodika ve smyslu ČSN 730540 dosahuje větší míru shody zejména u teplotních profilů, protože průměrné měsíční teploty, na jejichž základě konstrukci hodnotí evropská metodika dle ČSN EN ISO 13788, neumožňují zachytit krátkodobé extrémní výkyvy teploty, často výrazně odlišné od těchto měsíčních průměrů. Lehké konstrukce bez výraznější akumulační schopnosti pak právě po dobu těchto období dosahují velmi rychle ustálený teplotní stav a tím i extrémní hodnoty teploty ve skladbě konstrukce. I když tento teplotní stav nemusí být, byť díky vlhkostní kapacitě materiálů a jejich nelineární odezvě, následován dosažením ustáleného vlhkostního stavu, přinejmenším tento výkyv teploty způsobí alespoň větší výkyv relativní vlhkosti ve skladbě konstrukce. Výsledky získané dle metodiky národní normy z tohoto pohledu lépe pokrývají zejména extrémní hranice dosažených hodnot teploty a pokryjí i hranice relativní vlhkosti, i když je značně nadhodnocují. Takový přístup, ačkoliv více konzervativní, je v souladu také s komentářem k normě ČSN 730540 [8], který uvádí, že prokazování možnosti kondenzace evropskou metodikou dle EN 13788 je méně vhodné, a u lehkých konstrukcí s nízkou tepelnou akumulací může být dokonce zcela nevhodné. Z hlediska relativní vlhkosti se zdají být křivky určené evropskou metodikou ve větší shodě, zejména uprostřed konstrukce.

Z provedených tepelně-vlhkostních simulaci se jeví, že jejich výsledky daleko komplexněji odráží reálnou odezvu stavební konstrukce jak uprostřed, tak u povrchů. Numerický výpočet lépe zohlednil celkový průběh rozložení teploty a vlhkosti, proto i hranice vypočítaných obalových křivek se nejlépe blíží k měřeným hodnotám. Z výše uvedeného konstatování vyplývá, že numerické simulace transportu tepla a vlhkosti dokáží daleko lépe popsat tepelně-vlhkostní chování konstrukce a materiálů a nabízí tak více progresivnější nástroj než metody využívající zjednodušené Glaserovy metody.

Konfrontace výsledků experimentálního měření s teoretickými modely umožňuje identifikaci rozdílu a může tak naznačit možné nedostatky nebo omezení aplikačního rámce daných teoretických modelů. Získané poznatky nám umožňují lepší pochopení skutečných jevů, ke kterým ve skutečnosti v konstrukcích dochází a jejich vzájemné interakci. Na základě těchto informací pak můžeme zvolit vhodný nástroj pro hodnocení a posuzovaní konstrukcí.

Z hlediska aplikace vyvinutých materiálů zatím nebyly zjištěny žádné problémy. Z tohoto pohledu se potvrdila použitelnost těchto materiálů pro tento typ konstrukcí. Měření stále probíhá a uvedené závěry bude možno definitivně potvrdit a shrnout až po dalším období.

Poděkování

Tento článek vznikl za podpory projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

Literatura

1. ČSN 730540 Tepelná ochrana budov, Praha: UNMZ 2011.
2. EN ISO 13788 Hygrothermal performance of building components and building elements. Internal surface temperature to avoid critical surface humidity and interstitial condensation Calculation methods. Brussels: CEN 2012.
3. Glaser H., Graphisches Verfahren zur Untereuchung von Diffusionsvorgangen. Kaltetechnik 1 1, 345–349. 1959- 5
4. EN ISO 15026. Hygrothermal performance of building components and building elements – Assessment of moisture transfer by numerical simulation. Brussels: CEN, 2007.
5. VERTAĽ, M.; ĎURICA, P. Tepelnovlhkostné správanie obvodovej steny po zateplení. Tepelná ochrana budov. Praha: ČKAIT, 2016, číslo 3, s. 37–40. ISSN 1213-0907.
6. MRLÍK F. Vlhkostné problémy stavebných materiálov a konštrukcií, Bratislava, Alfa, 1985, 272 s.
7. TRECHSEL H. R. Moisture analysis and condensation control in building envelopes. West Conshohocken, PA: ASTM, 2001, 192 s. ISBN 978-0803120891.
8. J. ŠÁLA, L. KEIM, Z. SVOBODA, J. TYWONIAK. Tepelná ochrana budov – komentář k ČSN 730540. Praha: ČKAIT, 2008, 292 s. ISBN 978-80-87093-30-6.
9. Klimatická data referenčního roku pro Ostravu (IWEC) [online]. Washington: Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, 2012. [cit. 30. 6. 2017]. Dostupné z: http://www.equaonline.com/ice4user/indexIWEC.html