Obvodové a střešní pláště společnosti Insowool

1

Obvodové a střešní pláště společnosti Insowool Prof. Ing. J. Krňanský, CSc., FSv ČVUT Praha, Insowool, s.r.o.

V letech 2009 až 2011 vyvinula a certifikovala společnost Insowool řadu skladeb obalových konstrukcí, postavených na atributu difúzní otevřenosti. Jde o obvodové pláště dřevostaveb, konstrukce zateplení podkroví i zateplení stávajících plášťů staveb a konečně též zateplení stropů posledních podlaží pod nezateplenými půdami a zateplení stropů bungalovů. Celý takto ucelený systém konstrukcí je nabízený pod názvem Energetická stavebnice Insowool-diffu. V článku se v obecnější rovině soustředíme na technické vlastnosti plášťů a principy jejich řešení. 1. Dva stavebně-fyzikální koncepty plášťů budov Obalové konstrukce budov můžeme z hlediska řešení problému pohybu vodních par principiálně rozdělit na dva typy: konstrukce difúzně uzavřené a konstrukce difúzně otevřené. U prvního konceptu ze strany interiéru instalujeme paronepropustnou vrstvu a tím vstupu páry do konstrukce apriori bráníme. Poloha paronepropustné vrstvy na straně interiéru je podstatná, neboť u obytných budov má pára tendenci pohybovat se z interiéru do exteriéru 8-9 měsíců v roce. U difúzně otevřených konstrukcí naopak vstup páry do konstrukce povolujeme a vhodnou skladbou pláště zajišťujeme, aby v konstrukci nedocházelo ke hromadění vlhkosti. Je třeba si uvědomit, že drtivá většina plášťů staveb klasického stavitelství (zděné budovy) jsou difúzně otevřené. Dramatickou změnu vlhkostního režimu chování tyto klasické konstrukce zaznamenávají v okamžiku, kdy je zvenčí zateplíme - obalíme paronepropustnými vrstvami (například kombinace polystyrénu a akrylátové omítky). Poněkud vyhrocenější charakter má volba difúzně otevřené resp. uzavřené skladby u konstrukcí na bázi dřeva (dřevostavby, zateplení krovů). Zde vzniká se zvýšenou vlhkostí navíc i riziko biodegradace dřevěné konstrukce. Prvoplánově se jeví bezpečnější pro pláště na bázi dřeva volit koncept difúzní uzavřenosti, tj. v praxi používat parozábranu. Při podrobnější úvaze se však ukazuje, že tento koncept má některé poměrně závažné nedostatky. Vyjmenujme alespoň některé z nich: •

•

•

•

Stavebně-fyzikální (a potažmo následně i statická) bezpečnost celé stavby (v řádové hodnotě miliónů korun) je závislá na správnosti provedení, následném nepoškození a dostatečné trvanlivosti několik desetin milimetru tlusté plastové fólie (konstrukčně nestabilní řešení). Odhlédneme-li od rizik spojených s trvanlivostí lepených spojů parozábrany (slep by měl teoreticky vydržet neporušený po celou dobu trvání stavby), potom tak jako tak existují místa, kde se parozábrana dokonale provést nedá. Namátkou uveďme místa uzávěrů stropů a místa různých prostupů s dilatujícími rozvody. Je prakticky nemožné při konkrétní realizaci objektu provést parozábranu jako neporušenou; porušením jsou již sama místa připevnění fólie. Na stavbách dále běžně dochází k poškození fólií nešetrně prováděnými řemeslnými pracemi (typicky elektroinstalace). Pokud se do konstrukce s parozábranou dostane nadměrná vlhkost (havárie rozvodů, zatečení, povodeň), potom - zejména je-li ze strany exteriéru vrstva polystyrénu a neprodyšné tenkovrstvé omítky – má konstrukce mizivou regenerační schopnost. Vlhkost zůstává uvězněná v konstrukci a rychle startuje biodegradační procesy ve dřevě.

2 Lze říci, že až do nedávné doby se v Čechách u dřevostaveb a zateplení podkroví realizovaly v podstatě pouze difúzně uzavřené konstrukce. Procento závad způsobených vlhkostí v porovnání s počtem realizovaných staveb přitom není vysoké. To však nesvědčí o tom, že difúzně uzavřená konstrukce pláště je správným konceptem. Malé množství závad vzniká především proto, že ve většině objektů je vlhkost vzduchu na úrovni 30-35%, což je hluboko pod normou předpokládanými hodnotami (50+5% pro obytné místnosti). Ukazuje se, že vlhkostní závady vznikají poměrně záhy u těch budov s difúzně uzavřeným konceptem, kde relativní vlhkost dosahuje hodnot normových (či vyšších). Zde je typický vznik plísní na površích, hromadění vlhkosti v pláštích v místě porušení parozábrany a podobně. U ostatních objektů ze závady mohou projevit lokálně a to až po dlouhé době (řádově 5 i více let), neboť difúzní procesy jsou velmi pomalé a jsou úzce svázány s charakterem užívání objektu. Vedle ryze technických argumentů uvedených výše můžeme vyslovit námitku proti užívání difúzně uzavřených konstrukcí i ve filosofické rovině. Odmyslíme-li si na okamžik okolní konstrukce, potom parozábrana vytváří spolu se vzduchotěsnými okny a dveřmi (na které je napojena) hermeticky utěsněný „vak“, obr. 1. Je otázka, do jaké míry je život v takovém prostředí v souladu se zdravotními hledisky. Z čistě fyzikálního pohledu je však difúze páry nesporně přirozeným procesem, příroda si jej trvale vynucuje. Proto je užívání parozábran v konstrukcích v jistém smyslu bojem proti přírodě.

Obr. 1 : Schéma domu s parozábranou Uvažujeme-li naopak o konstrukcích difúzně otevřených, většina výše uvedených potíží a koncepčních nedostatků odpadá. Proto byly ve společnosti Insowool vyvinuty a certifikovány skladby obvodových i střešních plášťů důsledně jako difúzně otevřené, tedy bez použití parozábran. 2. Co jsou to difúzně otevřené konstrukce Jak známo, plyny se pohybují dvěma možnými způsoby: konvekcí (hnací silou je rozdíl tlaků) a difúzí (hnací silou je rozdíl parciálních tlaků nebo alternativně rozdíl koncentrací). Difúze přitom může nastat pouze ve směsi plynů; ve stavební fyzice se zabýváme směsí vodní pára-suchý vzduch. Jestliže hovoříme o difúzně otevřených konstrukcích (ať již betonových, zděných nebo dřevěných), máme na mysli takové konstrukce, kde je znemožněný pohyb plynů konvekcí a naopak v rozumné míře umožněný pohyb složek směsi plynů difúzí. Konvekce v pláštích budov (infiltrace vzduchu budovami) má za následek nekontrolovatelné ztráty tepla. Proudění spárami má při běžných relativně malých hodnotách přetlaku resp. podtlaku vzduchu charakter laminárního proudění. Pomocí teorie laminárního proudění (základním vztahem je

3 Newtonův viskózní zákon) je možné stanovit množství vzduchu, které projde spárou šířky š o délce jednoho metru pomocí jednoduchého vztahu š ∆

 . 12.   kde  je množství proteklého vzduchu v m3/s  je viskozita vzduchu (materiálová konstanta) přibližně  18.10-6 Pa.s ∆ je rozdíl tlaků vzduchu v interiéru a exteriéru  je hloubka spáry Jestliže například uvažujeme okenní rám o hloubce 0,1 m a rozdíl tlaků ∆ =10 Pa (odpovídá rychlosti větru asi 15 km/h), obr. 2, dostáváme pro spáru délky 1m následující objemy proteklého vzduchu (pro přehlednost v litrech za hodinu): Šířka spáry š (mm) Průtok Q (litrů/hodinu)

0,1 1,667

0,2 13,4

0,5 208

1 1667

Tabulka 1 Ze vzorečku i z tabulky 1 je vidět, že průtok vzduchu spárou je zcela dramaticky závislý na šířce spáry (třetí mocnina). Zatímco za daných podmínek proteče spárou tloušťky 0,1 mm 1,667 litrů vzduchu za hodinu, u spáry široké 1 mm proteče 1000 krát více, tedy více než 1,5 m3. Proto má zcela zásadní význam zabývat se především spárami širokými, protože jejich vliv na infiltraci vzduchu je řádově větší, než je vliv spár jemných. Konstruujeme-li tedy difúzně otevřené pláště, potom musíme pečlivě „hlídat“ spáry, jimiž by ke konvekci mohlo dojít. U dřevostaveb je počet potenciálně rizikových spár největší: jsou to typicky napojení desek na pero a drážku, tupé spoje desek, styky panelů, nároží, napojení stěny a okna atd.

Obr. 2 : Průtok vzduchu spárou podél okenního rámu Eliminací konvekce v plášti jsme splnili první podstatnou podmínku pro tvorbu difúzně otevřených konstrukcí. Druhou zásadní podmínkou je, aby procházející (a případně i kondenzující) vlhkost neohrozila bezpečnost dřevěných prvků. Použijeme-li termín „konstrukční ochrana dřeva“, potom by rovnovážná vlhkost dřevěných prvků neměla přesáhnout 16-17%. 3. Difúzně otevřené konstrukce společnosti Insowool

4 Základní úlohou pro vytvoření funkční difúzně otevřené konstrukce je vedle eliminace konvekce řešení problému difúze vodní páry. Jednoduchým kritériem pro bezpečný návrh může být požadavek, aby koncentrace vodní páry v kterémkoliv místě a čase v konstrukci nepřekročila koncentraci páry syté. Tento koncept je možný, a u prvních konstrukcí typu diffuwall® byl také skutečně použitý. Ukázal se však zbytečně přísný a proto po zkušenostech s užíváním plášťů byl změkčený v tom smyslu, že se připouští omezená kondenzace vodní páry - avšak pouze v místech, kde máme k dispozici dostatečnou sorpční kapacitu okolních materiálů. Vynikajícím materiálem z pohledu sorpce vlhkosti jsou dřevovláknité desky Hofatex. Proto byly použité jako vrstva, která je svou sorpcí schopna na sebe navázat případnou kondenzující vlhkost. Byly vytvořeny dva základní koncepty: • •

difúzně otevřený plášť s deskou Hofatex na straně exteriéru (konstrukce stěny dřevostavby diffuwall® 2010 a zateplení podkroví diffuroof® „e“) difúzně otevřený plášť s deskou Hofatex na straně interiéru (konstrukce zateplení krovu ze strany interiéru diffuroof® „i“ a zateplení stropu bungalovu diffutop®).

U konstrukcí s deskou Hofatex na straně exteriéru je základní funkční schéma voleno následovně. Ze strany interiéru se umístí deska OSB (je přitom nutno rozlišovat konkrétní typ desky s ohledem na velikou proměnlivost faktorů difúzního odporu). Tato deska vytváří základní parobrzdný efekt. Deska je upevněná na sloupkové konstrukci, která je vyplněná minerální izolací Knauf Insulation „diffu“, která vedle tepelně izolační funkce rovněž snižuje hustotu difúzního toku. Konečně je na sloupkovou konstrukci ze strany exteriéru umístěna deska Hofatex, která může být opatřená difúzně otevřenou tenkovrstvou omítkou (v případě stěny dřevostavby, obr. 3). Pokud se koncept použije u zateplení podkroví, je na desku Hofatex umístěna ještě pojistná hydroizolace, obr.4.

Obr. 3 : Konstrukce diffuwall®

Obr. 4 : Konstrukce diffuroof® „e“

5 U konstrukcí s deskou Hofatex na straně interiéru se desky uchytí na laťový rošt, který je upevněn ke krokvím (obr. 5) nebo ke spodním pásnicím příhradových vazníků (bungalovy), obr. 6. Prostor v roštu i mezi nosníky se opět vyplní izolací Knauf Insulation „diffu“ a uzavře shora pojistnou hydroizolací. V tomto případě plní roli parobrzdy sama deska Hofatex. Její povrch ze strany interiéru se obvykle opatřuje tenkovrstvou omítkou.

Obr. 5 : Konstrukce diffuroof® „i“

Obr. 6 : Konstrukce diffutop®

Oba zmíněné koncepty byly za účelem certifikace testovány experimentálně v klimatické komoře ve společnosti CSI Praha, obr. 7. Nosné kostry konstrukcí vždy byly provedeny z nosníků KVH s obvyklou hmotnostní vlhkostí 12%. Po třítýdenní expozici v klimatické komoře (interiér 21°C, RH 60%, exteriér -15°C, RH 80%) došlo ke snížení hmotnostní vlhkosti prvků KVH na 6-7%. To dokládá, že v obvykle kritickém zimním období difúzně otevřené konstrukce naopak vysýchají, obr.8.

Obr. 7 : Zkouška v klimatické komoře

Obr. 8 : Vysýchání v zimním období

6 4. Tepelně technické vlastnosti konstrukcí Dřevovláknité desky Hofatex mají součinitele tepelné vodivosti jen o 10-15% horší než běžné izolace. Mohou proto sloužit (vedle ostatních funkcí) i jako plnohodnotná tepelná izolace. Součinitelé prostupu tepla jednotlivých konstrukcí energetické stavebnice Insowool „diffu“ se liší podle tloušťek desek Hofatex i tlouštěk minerálních tepelných izolací. Úplný přehled konstrukcí je na obrázku 9. Hodnoty součinitelů prostupu tepla a fázových posunutí jsou v tabulce 2. Je patrné, že se snadno dosahují hodnoty U od parametrů nízkoenergetických objektů až po objekty pasívní.

Obr. 9 : Schéma stavebnice Insowool „diffu“

Tabulka 2

7 Známým handicapem lehkých konstrukcí plášťů dřevostaveb a zateplení podkroví je jejich malá tepelná akumulace, která způsobuje v letním období rychlé přehřívání objektů (fázové posunutí teplotního kmitu běžně 2,5-3,5 hodiny). Tento problém podstatně redukuje právě použití desek Hofatex. Díky své tepelné kapacitě 2100 J/kgK a relativně velké objemové hmotnosti (cca 250 kg/m3) mají dvacet i vícekrát vyšší schopnost akumulace tepla v porovnání se stejně tlustými vrstvami minerálních vláken nebo polystyrénu. Důsledkem je, že se fázové posunutí teplotního kmitu (zhruba řečeno doba prohřátí konstrukce) výrazně prodlužuje, viz hodnoty v tabulce 2. Doba prohřátí se prodlužuje natolik, že když dorazí tepelná vlna do interiéru, je možné využít přirozené větrání venkovním chladným (nočním) vzduchem. 5. Ostatní vlastnosti konstrukcí Za zmínku stojí často sledované vlastnosti požární a akustické. Konstrukce stěny diffuwall® 2010 dosahuje požární odolnosti 60 minut ze strany interiéru a 90 minut ze strany exteriéru. Konstrukce zateplení krovů a stropů bungalovů mají zaručenou požární odolnost 30 minut (zkoušky ve firmě Pavus ve Veselí nad Lužnicí). Určující charakteristikou pro dobré akustické vlastnosti (vzduchová neprůzvučnost) je plošná hmotnost konstrukcí (setrvačná hmota). Díky tomu, že desky Hofatex dosahují řádově 10-15 krát vyšší plošnou hmotnost než minerální izolace nebo pěnové polystyrény či polyuretany, mají takto vytvořené obvodové i střešní pláště automaticky lepší akustické vlastnosti. 6. Konstrukce typu „eko“ V poslední době se ukázalo jako důležité zaměřit se na dřevostavby, které využívají pokud možno pouze přírodní materiály. Proto byly společností Insowool certifikovány rovněž konstrukce obvodového pláště dřevostavby (diffuwall® „eko“) a zateplení podkroví ze strany exteriéru (diffuroof® „eko“), které namísto minerální tepelné izolace využívají izolace na bázi konopí Insoflex. Vlastnosti jednotlivých variant konstrukcí jsou uvedené v tabulce 3

Tabulka 3

8 Konstrukce mají v porovnání s konstrukcemi s izolací z minerálních vláken mírně horší součinitele prostupu tepla, vykazují však lepší tepelně-kapacitní vlastnosti. Využitím přírodních tepelných izolací se navržené konstrukce plášťů dřevostaveb postupně vracejí k původnímu intuitivnímu chápání pojmu dřevostavba, ale v podmínkách 21. století. Jde o konstrukci, která skutečně využívá pouze přírodní materiály a umožňuje přírodě, aby v ní realizovala přirozené transportní procesy (vedení tepla, difúzi vodní páry). Tento koncept se myšlenkově skutečně zásadně liší od konceptu budov s parozábranou. U budov s parozábranou jde ve skutečnosti pouze o domy s nosnou konstrukcí ze dřeva, nikoliv o dřevostavby v původním smyslu slova. 7. Dosavadní zkušenosti z realizací V konstrukčním konceptu společnosti Insowool bylo za poslední čtyři roky realizováno něco přes 700 objektů. Koncept je dostatečně architektonicky flexibilní a umožňuje vytvářet pohlednou a moderní architekturu. Správně provedené pláště se jeví jako zcela spolehlivé, doposud nebyla řešená žádná reklamace konstrukcí energetické stavebnice Insowool „diffu“.

CELET s.r.o.

CELET s.r.o.

Tenkovrstvá omítka a provětrávaná fasáda

Tenkovrstvá omítka

VITTORE s.r.o.

Dřevostavbybidlo s.r.o.

Obklad dřevem

Tenkovrstvá omítka

9 Závěrem Společnost Insowool je majitelem know-how a příslušných certifikátů. Na smluvním základě poskytuje potřebnou dokumentaci (včetně katalogu detailů) realizačním firmám, které podle příslušných zásad a pravidel stavby realizují. Navržené konstrukce jsou při dodržení požadovaných parametrů velmi stabilní. Hlavním rizikem realizace těchto konstrukcí je nedodržení předepsaných zásad: typů materiálů, jejich tlouštěk a podobně. Během vývoje konstrukce byla podrobena testování celá řada materiálů (desek OSB, tepelných izolací, desek Hofatex aj.). Ukázalo se, že napohled velmi podobné materiály se ve skutečnosti v některých klíčových parametrech (například faktorech difúzního odporu) i několikanásobně liší. Proto, jak již bylo uvedeno, není možné zaměňovat předepsanou desku OSB za jinou, stejně tak i pro ostatní materiály. Konstrukce je „naladěna“ na správné chování jako celek a zásahem do tohoto systému se může nepředvídatelně změnit jeho chování. U pozměněných konstrukcí pochopitelně společnost Insowool spolehlivost konstrukcí nezaručuje. Kontakt: www.insowool.cz, e-mail [email protected],