DIFÚZNÍ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ PLOCHÝCH STŘECH A JEJICH VLIV NA TEPELNĚ TECHNICKÝ VÝPOČET

Transkript

1 DIFÚZNÍ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ PLOCHÝCH STŘECH A JEJICH VLIV NA TEPELNĚ TECHNICKÝ VÝPOČET Abstract DIFFUSION PROPERTIES OF MATERIALS IN FLAT ROOFS AND THEIR INFLUENCE ON TECHNICAL THERMAL CALCULATION Petr Slanina 1, Vernika Husákvá 2, Jakub Kalináč 3, Marek Pkrný 4 Thermal diffusin prperties f material are nt clearly described in Czech and Eurpean Standard fr evaluatin f misture transprt in rf structures and these prperties significantly influent misture transprt in single/cat rf structures. The paper is fcused n describing diffusin prperties f materials, which are used fr rf, frm view f the thery and standards. Als the paper is fcused n failures caused by inexact standard calculatin methds and simple described prperties f materials. In the cnclusin there is a recmmendatin fr efficient design f flat rfs. Key wrds Rf (střecha), rf structure (střešní knstrukce), misture transprt (transprt vlhksti), cndensatin (kndenzace), diffusin prperties f material, (difúzní vlastnsti materiálu), permeability (prpustnst), water vapur permeability f materials (sučinitel difúzní prpustnsti materiálu). 1 DIFÚZNÍ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ 1.1 TRANSPORT VLHKOSTI NORMY VERSUS TEORIE Při navrhvání jednplášťvých plchých střech s klasickým přadím vrstev nad prstry s tepelnými pžadavky se navrhuje střešní plášť tak, aby nedšl k nadměrnému transprtu vlhksti z interiéru d střešníh suvrství, kde by v důsledku snížení teplty dšl až ke kndenzaci vdních par uvnitř knstrukce. V sučasné dbě je mžné mnžství zkndenzvaných par v knstrukci pčítat pdle dvu nrem: ČSN EN ISO neb ČSN Obě tyt nrmy vycházejí z velmi jednduchých výpčetních pstupů, které se nazývají Glaservy metdy a byly vyvinuty v 60. letech 20- téh stletí. Nrmvé metdy pužívají následující vztahy pr transprt vzdušné vlhksti: g p p. d µ d = p = =. p s kde g je hustta difúzníh tku, p je sučinitel difúzní prpustnsti (vdivsti) 5 materiálu, p je rzdíl částečných tlaků vdní páry, d je tlušťka materiálu, µ je faktr difúzníh dpru, je sučinitel difúzní prpustnsti vzduchu a s d je ekvivalentní difúzní tlušťka materiálu. Tyt vztahy vycházejí ze základníh vztahu nevratné termdynamiky pr ppis transprtu vzdušné vlhksti z 1.Fickva zákna: g r = grad p d kde je sučinitel difúzní prpustnsti materiálu, p je částečný tlak vdní páry a g r je hustta hmtnstníh tku vlhksti. Hnací silu celéh prcesu je zde gradient částečnéh tlaku vdní páry a vlastnsti materiálu vyjadřuje sučinitel difúzní prpustnsti. Za zmínku stjí, že 1.Fickův zákn je čistý jev difúze, který je všem ve skutečnsti vlivněn dalšími faktry: tepltu, tlakem, kncentrací slí, gravitací, elektrickým plem i fázvými změnami. 1.2 DIFÚZNÍ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ (1) (2) 1 Petr Slanina, Ing., ČVUT v Praze, Fakulta Stavební, Katedra knstrukcí pzemních staveb, Thákurva 7, Praha 6, (petr.slanina@fsv.cvut.cz) 2 Vernika Husákvá, Ing., ČVUT v Praze, Fakulta Stavební, Katedra knstrukcí pzemních staveb, Thákurva 7, Praha 6, (vernika.husakva@fsv.cvut.cz) 3 Jakub Kalináč, Ing., ČVUT v Praze, Fakulta Stavební, Katedra knstrukcí pzemních staveb, Thákurva 7, Praha 6, (jakub.kalinac@fsv.cvut.cz) 4 Marek Pkrný, Ing., ČVUT v Praze, Fakulta Stavební, Katedra knstrukcí pzemních staveb, Thákurva 7, Praha 6, (marek.pkrny.1@fsv.cvut.cz) 5 V českých nrmách (např. ČSN , ČSN EN ISO 13788) je nevhdně přelžen termín permeability jak vdivst materiálu. Přesnější je pužít termín prpustnst materiálu pdbně jak v [1,2].

2 Vztahy (1) a (2) uvažují s knstantními vlastnstmi materiálů, tj. s knstantní hdntu sučinitele difúzní prpustnstí materiálu. Pdle prvedených měření ve světě[3,4], se ukazuje, že tmu tak ve skutečnsti není a sučinitel difúzní prpustnsti je závislý na relativní vlhksti prstředí, ve které se daný materiál nachází. Viz graf 1. 6 OSB deska 5,5 Sučiitel difúzní prpustnsti materiálu [kg/(m.s.pa)] ,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Graf Relativní vlhkst [%] Závislst sučinitele difúzní prpustnsti OSB desky na relativní vlhksti Na grafu 2 je uvedena pět závislst sučinitel difúzní prpustnsti PE fólie na relativní vlhkst prstředí, ve kterém se fólie nachází. 175 PE fólie 170 Sučinitel difúzní prpustnsti materiálu [kg/(m.s.pa)] Graf Relativní vlhkst [%] Závislst sučinitele difúzní prpustnsti PE fólie na relativní vlhksti Z prvnání grafů je patrný rzdíl v závislsti sučinitele difúzní prpustnsti materiálů na relativní vlhksti prstředí, ve kterém se daný materiál nachází. Obecně lze vyjádřit, že u materiálů s velkým difúzním dprem (velku hdntu ekvivalentní difúzní tlušťky) respektive s malu prpustnstí pr vdní páry je hdnta sučinitele difúzní prpustnsti materiálu knstantní tedy nezávislá na relativní vlhksti prstředí. U materiálů, které jsu prpustné pr vdní páry, není tat závislst knstantní, ale závisí na relativní vlhksti prstředí. Tyt nvé pznatky jsu jen částečně zahrnuty v tepelně technické nrmě ČSN :2005, kde se rzdělují difúzní veličiny na suché a mkré. Tj. je rzdělen faktr difúzníh dpru na suchý/mkrý faktr difúzníh dpru, suchá/mkrá hdnta ekvivalentní difúzní tlušťky a suchý/mkrý sučinitel difúzní prpustnsti materiálu. Jedntlivé veličiny se dají vyjádřit následujícím vztahem: s dx = µ x d = d = px d N px kde se za x dsadí buď suchá (d dry) neb mkrá (w wet) veličina. Suché/mkré veličiny nelze mezi sebu zaměňvat. (3)

3 1.3 METODY MĚŘENÍ DIFÚZNÍCH VLASTNOSTÍ MATERIÁLŮ ROZPORY V NORMÁCH Rzdělení difúzní veličin dpvídá rzdílným pdmínkám zkušek, při kterých se měří difúzní veličiny materiálů. Jedná se zkušky tzv. suchu misku a mkru misku. Tyt zkušky a jejich pdmínky prvádění jsu uvedeny v nrmě ČSN EN ISO 12572: Rzdílné hdnty difúzních veličin, naměřené suchým/mkrým zkušebním pstupem, ukazuje následující Obr.č.1. Obr. 1 Schéma rzdělení zkušebních metd mkrá/suchá miska Na Obr.1 je patrný rzdíl, ke kterému bude dcházet při změření difúzních vlastnstí materiálů pmcí metd suché/mkré misky. Tent rzdíl vzniká prt, že suchá miska pužívá pr stanvení difúzních vlastnstí materiálů zkušební prstředí 0% respektive 50% relativní vlhksti vzduchu a zkušební metda mkrá miska pužívá zkušební prstředí relativní vlhksti vzduchu 50% respektive 95%. Změřené hdnty difúzních vlastnstí materiálů jsu tak při tzv. bdvé hdntě pr φ d = 25% a φ w = 72,5%, tak jak je tmu uveden v nrmě ČSN EN ISO 12572: Z brázku plyne, že hdnty sučinitele difúzní prpustnsti materiálu stanvené mkru misku budu větší než hdnty změřené pmcí suché misky. Vzhledem k těmt rzdílům nrma ČSN :2005 předepisuje pužívat suché hdnty pr výpčty, kde je vnitřní prstředí s relativní vlhksti vnitřníh vzduchu φ 60%. Napak pr prstředí, kde převažuje relativní vlhkst vnitřníh vzduchu φ > 60%, nrma předepisuje pužít mkré difúzní veličiny. Mkré veličiny se pužijí i pr přesnější výpčty. Hdnty suchých veličin je mžn nalézt v tabulkách v nrmě ČSN :2005, s hdntami pr mkré veličiny je t hrší. Tepelně technická nrma ČSN :2005 stanvuje i pčet měření pr stanvení sučinitele difúzní prpustnsti materiálu (tj. minimálně 6 měření), přičemž tt mnžství je již stanven v nrmě ČSN EN ISO 12572: 2002, pr vzrky s plchu menší než 0,02 m2 5 měření, pr statní vzrky pstačí ke stanvení sučinitele difúzní prpustnstí materiálu puze 3 měření. Obr. 2 Schéma rzdělení zkušebních metd suchá miska

4 Nvá tepelně technická nrma ČSN :2005 stanvuje i zkušební prstředí pr bě zkušební metdy. Pr mkru misky jsu pdmínky shdné s nrmu ČSN EN ISO 12572: 2002, ale u metdy suché misky stanví včetně zkušebníh prstředí 0% respektive 50% i mžnst zkušebníh prstředí 0% respektive 85%, čímž vnáší zmatek d měření i stanvení difúzních vlastnstí materiálů. T vyplývá z Obr.2. Rzdíl zkušebních metd z Obr.2 samzřejmě nebude tak velký jak při pužití metd suché a mkré misky, ale na druhu stranu h nelze zanedbat. 2. DALŠÍ VLIVY NA TEPELNĚ TECHNICKÝ VÝPOČET Při výpčtu zkndenzvané vlhksti pdle nrem ČSN EN ISO neb ČSN jsu zanedbány další vlivy, které budu mít výrazný pdíl na šíření vlhksti uvnitř střešníh pláště. 2.1 ZANEDBÁNÍ POHYBU KAPALNÉ VLHKOSTI Při výpčtu mnžství zkndenzvané vlhksti uvnitř střešníh pláště je pdle výše zmíněných nrem zanedbán vliv šíření kapalné vlhksti. Vlivem gravitaci se bude mnžství zkndenzvané vlhksti phybvat směrem zemské tíhy a negativně tak vlivní vlastnsti materiálů, které jsu prstupné pr kapalnu vlhkst. T má negativní vliv na sučinitel prstupu tepla i na sučinitel difúzní prpustnsti materiálů a změní se tak rzlžení vlhksti a teplty ve střešním plášti. 2.2 ZANEDBÁNÍ POHYBU VZDUCHU Prudění vzduchu má velmi negativní vliv na transprt tepla a vlhksti především u lehkých balvých knstrukcích. U těžkých knstrukcích je většinu prvedena masivní vrstva, která je pr prudění vzduchu téměř neprpustná. Například viz[5]. 2.3 SKUTEČNÉ OKRAJOVÉ PODMÍNKY NEODPOVÍDAJÍ NORMOVÝM OKRAJOVÝM PODMÍNKÁM Je zřejmé že v průběhu měsíce či dne nebudu vnější i vnitřní krajvé pdmínky knstantní jak t předpkládají tepelně technické nrmy. Vnitřní krajvé pdmínky, které jsu v nrmách deklarvány s dstatečnu bezpečnstní přirážku, budu v převážných případech půsbit na straně bezpečnsti. Vnější krajvé pdmínky, které jsu stanveny statistiky z dluhdbéh měření, mhu například ve výpčtu zkndenzvanéh mnžství vlhksti uvnitř střešníh pláště vést k pdcenění návrhu střešní skladby, ve které bude dcházet ke kndenzaci vdních par, přestže pdle nrmvéh výpčtu střešní skladba vyhví na nulvé mnžství zkndenzvané vlhksti. Více viz[6] 2.4 JE UVAŽOVÁNO POUZE JEDNOROZMĚRNÉ ŠÍŘENÍ VLHKOSTI Při hdncení šíření vlhksti v knstrukcích pdle vztahu (1), který využívají české tepelně technické nrmy a který je uveden na začátku příspěvku, je uvažván (narzdíl d vztahu (2)) puze s jednrzměrným šířením vzdušné vlhksti. Tt zjedndušení je pdstatněné puze pkud materiály zabudvané ve střešní knstrukci budu hmgenní a knstrukce bude mít rvinný charakter. V případě, že materiály zabudvané d knstrukce budu s četnými nehmgenitami (spáry mezi jedntlivými dílci, tvry apd.), neb střešní plášť nebude mít rvinný charakter (stavební detaily), djde k vícerzměrnému šíření vlhksti a d střešníh pláště se dstane výrazně vyšší mnžství vlhksti než předpkládají jednduché výpčetní pstupy pdle tepelně technických nrem. Pdrbněji viz[7]. 2.5 JE ZANEDBÁNO PŮSOBENÍ SOLÁRNÍHO A DLOUHOVLNNÉHO ZÁŘENÍ - Slární záření Slární záření je zcela pmenut ve výpčtu zkndenzvané vlhksti uvnitř knstrukce pdle ČSN EN ISO Ve výpčtu pdle nrmy ČSN je zahrnut vliv slárníh záření v pdbě četnsti zatažených a jasných dnů tj. v pdbě četnsti ekvivalentní teplty venkvníh vzduchu při jasné blze a při zatažené blze. Pdle nrmy je mžn pužít vliv slárníh záření puze v případě, kdy na střešní knstrukci bude p celu dbu živtnsti nerušeně dpadat sluneční záření. V případě nezapčítaní slunečníh záření d tepelně technickéh výpčtu pdle nrmy ČSN a při výpčtu pdle nrmy ČSN EN ISO budu výpčty na straně bezpečnsti z dluhdbéh hrizntu. Sluneční záření však může půsbit i negativně, a t v případech kdy p dluhtrvajících mrazech se nahrmadí zkndenzvané mnžství vlhksti pd hydrizlačním suvrstvím. Díky slunečním paprskům djde k rychlému zahřátí teplty a ke změně skupenství vlhksti a tedy k rychlému zvětšení bjemu. Může tak djít k prušení hydrizlačníh suvrství. - Dluhvlnné záření Dluhvlnné záření půsbí tak, že dchází k výměně energie zvýšeným tepelným tkem mezi střešním pláštěm a blhu. Výsledkem je výrazně nižší vnější pvrchvá teplta, cž zapříčiní zvýšení zkndenzvané vlhksti uvnitř

5 střešníh pláště. Tent negativní vliv není zahrnut ani v české nrmě ČSN ani v evrpské nrmě ČSN EN ISO Pdrbněji viz[8]. 3. DISKUZE V předchzí kapitle byl pjednán vlivech, které nejsu zahrnuty v žádných nrmvých tepelně technických výpčtech, ale které výrazně vlivňují vlhkstní režim ve střešním plášti. Až na sluneční záření se jedná vlivy, které vlivňují výpčet negativně. Ke kmpenzaci jedntlivých vlivů djde pužitím vnitřním parametrům, které jsu stanveny s jistu bezpečnstní přirážku. Prblémy vlhkstníh rázu ve střešním plášti nastávají především v těch případech, kdy půsbí více vlivů najednu. Například může nastat následující situace: Při pkládání partěsnící vrstvy nedjde k napjení jedntlivých pasů mezi sebu, a tak se d střešníh pláště bude dstávat výrazně vyšší mnžství vlhksti. Djde ke zvýšené kndenzaci ve střešním plášti, díky čemuž se změní vlastnsti pužitých materiálů. Zvýší se celkvý sučinitel prstupu tepla knstrukce v daném místě, cž pvede k ještě větší kndenzaci vdní páry. Může pak djít k prušení hydrizlačníh suvrství z důvdu bjemvých změn kndenzátu vlivem slunečníh zářní neb ke vzniku plísni na vnitřní straně knstrukce z důvdu pklesu minimálních vnitřních pvrchvých teplt neb zatékání zkndenzvané vlhksti ze střešníh pláště. Samzřejmě kmbinací různých vlivů, které nejsu zahrnuty v tepelně technických výpčtech, je mžné pukázat více negativních příkladů. 4. ZÁVĚR Z příspěvku plynu následující dpručení pr navrhvání střešních plášťů. Pužití tepelně technických výpčtů pdle nrem ČSN EN ISO a ČSN je puze přibližné, nedává ucelenu představu vlhkstním režimu ve střešním plášti, ale může dbře služit k prvnání jedntlivých variant pužitých materiálů ve střešních skladbách. Při tepelně technických výpčtech je nezbytné zadat d výpčtu realné vlastnsti materiálů i správné vnitřní a vnější krajvé pdmínky. Při realizaci střešníh pláště je nezbytné zajistit vysku technlgicku kázeň při pkládání a spjvání jedntlivých vrstev s velkým difúzním dprem a jejich důkladnému napjení na prstupující prvky. Literatura Text byl zpracván za pdpry MSM [1] ČERNÝ,R., TOMAN, J., HOŠKOVÁ, Š. Nestacinární metda stanvení sučinitele difúze vdní páry ve stavebních materiálech. Stavební bzr.1994, č.10, s [2] BINKO, J. Veličiny a jedntky v stavebnej fyzike. Bratislava: Alfa, s. [3] TRECHSEL, H.P. Manual n Misture Cntrl in Buildings, Series ASTM manual series, MNL [4] hygirc 1-D Versin 1.0, Natinal Research Cancil Canada [5] SVOBODA, Z. Výpčtvé mdelvání infiltrace d balvých knstrukcí. In Kngres Střechy s [6] SLANINA, P. Vlhkstní režim v plchých střechách. In Strechy rčník mezinárdníh sympzia, Bratislava, s ISBN [7] SLANINA, P., ŠILAROVÁ Š. Difúzní msty. Střechy, fasády, izlace, 2006, rč. 13, č. 4 s.66,67 [8] FICENEC, J. Tepelně vlhkstní režim pvrchvéh suvrství kntaktně zateplvacíh systému. In Junirstav Odbrná knference dktrskéh studia, Brn, s ISBN [9] ČSN : 2005 Tepelná chrana budv Část 1 až Část 4. [10] ČSN EN ISO 13788: 2002 Tepelně vlhkstní chvání stavebních dílců a stavebních prvků Vnitřní pvrchvá teplta pr vylučení kritické pvrchvé vlhksti a kndenzace uvnitř knstrukce Výpčtvé metdy. [11] ČSN EN ISO : 2002 Tepelně vlhkstní chvání stavebních materiálů a výrbků. Stanvení prstupu vdní páry. Recenzval Dc. Ing. Šárka Šilarvá, CSc., ČVUT v Praze, Fakulta stavební (dcentka), Thákurva 7, Praha 6, silarva@fsv.cvut.cz