TEPELNÝ ODPOR SLAMĚNÝCH KONSTRUKCÍ Daniel Grmela 1 Danuše Čuprová 2 1. Úvod Přes zjevné výhody, jako jsou minimální spotřeba energie na výrobu a provoz, nízká cena, dostatečná životnost a následná jednoduchá a ekologicky výhodná likvidace, využití lokálních zdrojů, přínos pro místní ekonomiku a vhodnost pro stavbu svépomocí, brání širšímu využívání slaměných balíků ve stavebnictví zejména nedostatek tuzemských zkušeností, chybějící metodika pro navrhování a z toho plynoucí oprávněná nedůvěra investorů. Ze směsi slámy s hlínou (tzv. cob) staví lidé od nepaměti. První domy z balíků slámy byly stavěny v Americe na počátku 18. století, když byly vynalezeny balící stroje. Tato raná metoda stavění vzkvétala zhruba do roku 1940, kdy kombinace války a vzrůst popularity a používání cementu vedly k jejímu faktickému zániku. Koncem 70ých let byla tato metoda znovuobjevena ekologickými nadšenci v USA. Od té doby se stavění z balíků slámy rozšířilo prakticky do všech zemí, ve kterých je sláma v balících k dispozici. V česku bylo doposud realizováno několik staveb využívajících slámu. Jejich počet však rychle roste. 2. Specifika izolací z balíků slámy Od konvenčních tepelných izolací se izolace ze slaměných balíků liší zejména mnohem větší průvzdušností a tloušťkou. S rostoucím teplotním spádem, průvzdušností a tloušťkou vrstvy roste vliv šíření tepla prouděním (konvekcí) uvnitř tepelně izolační vrstvy [1,2,5]. Druhým významným specifikem je velká vlhkostní citlivost slámy. Sláma bez problémů snese opakované cykly vlhnutí a vysychání. Je li však dlouhodobě vystavena relativní vlhkosti prostředí překračující 70% nebo pokud její hmotnostní vlhkost přesáhne 30%, zplesniví [3]. Mechanismus šíření vlhkosti ve slaměných stěnách byl popsán prozatím pouze pro svislé konstrukce skladby hliněná omítka - slaměný balík - hliněná omítka. Takové konstrukce jsou z vlhkostního hlediska považovány za bezpečné. Z tohoto hlediska však zatím nebyl proveden žádný výzkum vodorovných konstrukcí a konstrukcí jiných skladeb. Velikost konvekce a obsah vlhkosti ve slaměných stěnách závisí podstatnou měrou na použitém stavebním systému, technologii a kvalitě provedení. Zahraniční a historické zkušenosti ukazují, že nejlépe fungují stěny z nosné slámy oboustranně omítnuté hliněnými omítkami. Ve stěnách z nosné slámy je vliv konvekce menší. V zatížených slaměných stěnách se balíky rozpínají do stran a eliminují tak mezery. Slaměná hmota je rovnoměrně stlačena a průvzdušnost je tak snížena. Hliněné omítky mají díky svým specifickým vlastnostem příznivý vliv na obsah vlhkosti ve slaměných stěnách [5]. 1 Daniel Grmela, Ing., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemního stavitelství, Veveří 95, 662 37 Brno, tel.: 602443664, e-mail: danielgrmela@email.cz 2 Danuše Čuprová, Ing., CSc., VUT Brno, Fakulta stavební, Ústav pozemního stavitelství, vedoucí Kabinetu stavební fyziky a tvorby vnitřního prostředí, odborná asistentka, Veveří 331/95 Brno, tel: 541147429, e-mail: cuprova.d@vutbr.cz
Vedle klasického, historického, nebraského stylu stavění z nosné slámy, vhodného pouze pro stavbu malých jednopodlažních domků, se v posledních dvou desetiletích vyvíjejí systémy nové, umožňující z nosné slámy stavět nejrůznější stavby od standardních rodinných domů až po rozsáhlé průmyslové objekty. Ať už je to patentovaná CUT (cell under tension) technika přírodního stavitele Toma Rijvena [4], hybridní systém vyvinutý britskou neziskovou společností Amazon Nails [3] či stavění z obřích balíků (big bale building) používané v německy mluvících zemích [8], ve všech systémech je sláma v konstrukcích rovnoměrně zhutněna, je co možná nejvíce bez dutin a mezer a je omítána hliněnými omítkami přímo na slámu. V současnosti je však nejschůdnějším kompromisem pro běžnou výstavbu použití slaměného balíku pouze jako náhrady konvenční tepelné izolace, kdy jsou balíky uzavřeny v konstrukci dřevostavby, pro následující zřejmé důvody: pracnost shodná s klasickou dřevostavbou, zlevnění stavby snížením nákladů na tepelnou izolaci, minimální potřeba znalosti speciálních technologií, možnost dodávky stavby zaučenou firmou specializovanou na dřevostavby [9]. Zatím ale nebyl stanoven odpovídající postup výpočtu tepelného odporu, není znám postup určení rizika kondenzace vodní páry a růstu plísní uvnitř a na povrchu takových konstrukcí. Obr. 1 - Nízkoenergetický rodinný domek v Dolanech u Prahy - příčný řez
3. Tepelná vodivost Tepelná vodivost slámy závisí na orientaci stébel. Ve směru kolmém na stébla je nižší než ve směru podél stébel. Rozdíly v hodnotách uvedených v tab.1 jsou dány různou vlhkostí, různými druhy slámy, různou mírou slisování a různými okrajovými podmínkami měření. Ekvivalentní tepelná vodivost zahrnuje vedle vedení i šíření tepla prouděním a sáláním. Zdroj teplota vlhkost objemová hmotnost tepelná vodivost kolmo na stébla tepelná vodivost podél stébel ekvivalentní tepelná vodivost ( C) (%) λ (W/mK) λ (W/mK) λ (W/mK) Andersen [2] 0,05 0,082 0,085 Stone [5] 0,099* Strawbale guide [3] 0,09 ByogByg [2] 75 0,052 0,057 ByogByg [2] 90 0,06 0,056 Hause der zuk. [2] 100 0,38 Christian [2] 62 resp. 81 0,057 0,082 McCabe [2] 150 0,048 0,06 Sandia national [2] 90 0,05-0,06** 0,05-0,06** Bautechnik inst. [6] 23 <15 90-120 0,067 0,044 Grmela 20,6 14 70 0,063 0,052 Tab. 1 Tepelné vodivosti udávané různými autory * přepočteno z IP (inch-pound) jednotek R=1.45 Btu/hr.s.f. F/inch ** orientace nespecifikována 4. Měření vodivosti přístrojem Izomet Tepelná vodivost vzorků slámy a hliněných omítek byla měřena přístrojem Izomet zapůjčeným Ústavem pozemního stavitelství VUT v Brně. Izomet je mikroprocesorem řízený ruční přístroj na přímé měření součinitele tepelné vodivosti, měrné objemové tepelné kapacity, součinitele teplotní vodivosti a teploty kompaktních, sypkých a kapalných materiálů pomocí výměnných jehlových a plošných sond. Vzorky slámy a hliněných omítek byly odebrány ze stavby nízkoenergetického přírodního domu ve Sluneční ulici v Hradčanech u Tišnova. Směr tepelého toku θ ( C) λ (W/mK) c p 10 6 (J/m 3 K) a 10 6 (m 2 /s) ρ (kg/m 3 ) w (%) Kolmo na stébla 19,1 0,0506 0,125 0,406 70 20,6 0,0519 0,137 0,378 70 14 Rovnoběžně se stébly 20,6 0,0629 0,192 0,328 70 14 Tab. 2 - Tepelně fyzikální vlastnosti slámy
Obr. 2 - Jehlová sonda Izometu ve vzorku slámy Obr. 3 - Vzorek hliněné omítky, s plošnou sondou Hodnoty součinitele tepelné vodivosti naměřené Izometem dobře korespondují s hodnotami uváděnými v zahraniční literatuře. θ ( C) λ (W/mK) c p 10 6 (J/m 3 K) a 10-6 (m 2 /s) ρ (kg/m 3 ) w (%) 20,46 0,52 0,71 0,732 1823 6 20,46 0,516 0,706 0,731 1823 6 20,46 0,542 0,707 0,766 1823 6 Tab. 3 Tepelně technické vlastnosti hliněné omítky 5. Konvekce teoreticky Vliv proudění na tepelný tok se vyjadřuje tzv. Nusseltovým číslem. Je-li rovno jedné, je to případ, kdy se proudění nijak tepelně neprojevuje, tepelný tok se realizuje jen zářením a vedením ve vzduchu a vedením ve vláknech. Je-li rovno dvěma, pak to znamená, že proudění snížilo tepelný odpor izolační vrstvy na polovinu [1]. Abychom získali Nusseltovo číslo N u, vyjdeme z modifikovaného Rayleighova čísla R am pro porézní vrstvy. R am je úměrné výšce porézní dutiny H, teplotnímu rozdílu T a permeabilitě K. Pro obvyklou zimní teplotu v dutině a obvyklé materiály s λ = 0,04 W/(m.K) je to kolem R am = 0,7 (H / 1 dm) (T / 10 K) (K / 0,01 mm 2 ). (1) Např. pro vodorovné homogenní vrstvy s R am >40 platí, že N u = 1 + 0,04.(R am 40). Snížit modifikované Rayleighovo číslo lze bud snížením permeability, tedy přidáním dostatečně jemnozrnné frakce, nebo rozdělením vrstvy na několik vrstev menších tloušťek [1]. Závislost tepelného odporu na teplotním spádu a tloušťce dělení vrstev dle této teorie vrstev pak ukazují grafy 1 a 2.
Vnější teplota ( C) 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 Vliv přenosu tepla konvekcí na velikost tepelného odporu v závislosti na vnější teplotě (tl. izolace 0,5 m) 0 5 10 R k (W/m 2 K) Tepelný odpor (z Nu lineárně) Tepelný odpor (z Nu kvadraticky) Vnější teplota ( C) Závislost Rk na tloušťce vrstev 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 0 2 4 6 8 10 Rk (W/m 2 K) 500 mm 2x250 mm 3x167 mm 4x125 mm Graf 1 Vliv přenosu tepla konvekcí na Graf 2 Závislost tepelného odporu na velikost tepelného odporu tloušťce vrstev Z dosud provedených měření vyplývá, že konvekce na velikost tepelného odporu slaměných vrstev vliv má, ovšem podstatně menší, než jaký by odpovídal uvedené teorii. 6. Měření v neustáleném teplotním stavu Měření bylo prováděno ve dnech 16.1.- 20.1. 2009 na západní obvodové stěně v 2.NP téhož objektu (viz. kap. 4). Vnitřní a vnější povrchové teploty konstrukce, teploty vnějšího a teploty a relativní vlhkost vnitřního vzduchu a hustoty tepelného toku byly měřeny automaticky v nastavených intervalech každých 15 min v průběhu pěti dnů. Výpočet tepelného odporu je proveden s průměrnými vstupními hodnotami. Použité vztahy dle [10]. Θ i teplota vzduchu v interiéru [ C]; q hustota tepelného toku [W.m 2 ] Θ e teplota vzduchu v exteriéru [ C]; Θ si teplota vnitřního povrchu stěny [ C] Θ se teplota vnějšího povrchu stěny [ C] q h i = = 4,68 W/(m 2 q.k) (2); h e = = 1,29 W/m 2.K (3); θ θ θ θ i si θ si θ R q = se = 6,20 m 2 K/W (4). q h i součinitel přestupu tepla na vnitřní straně konstrukce, [Wm -2.K -1 ] h e součinitel přestupu tepla na vnější straně konstrukce, [Wm -2.K -1 ] R q tepelný odpor konstrukce určený z povrchových teplot a tepelných toků, [m 2 K.W -1 ] e se Graf 3 Neustálený teplotní stav hustota tepelného toku slaměnou stěnou
7. Tepelný odpor určený výpočtem z naměřených hodnot tepelné vodivosti Omítka hliněná tl. d o = 0,05m oboustranně, λ o = 0,53 W/mK Slaměný balík tl. d s = 0,5m, λ s = 0,063 W/mK R o = 2.d o /λ o = 0,18 m 2 K /W (5) R s = d s /λ s = 7,94 m 2 K /W (6) R λ = R o +R s = 8,12 m 2 K /W > R q = 6,2 m 2 K /W (7) d o tloušťka vrstev hliněné omítky, d s tloušťka vrstvy slámy [m], λ o tepelná vodivost hliněné omítky, λ s tepelná vodivost slámy [W/mK], R o tepelný odpor vrstev hliněné omítky, R s tepelný odpor vrstvy slámy [m 2 K/W], R λ tepelný odpor konstrukce určený z tepelných vodivostí a tlouštěk vrstev, R q tepelný odpor konstrukce určený z povrchových teplot a tepelných toků [m 2 K/W]. Tepelný odpor určený z tepelných vodivostí a tlouštěk vrstev (neprojeví se přenos tepla prouděním) je asi o čtvrtinu vyšší než tepelný odpor určený z povrchových teplot a tepelných toků (přenos tepla prouděním se projeví). Velikost tepelného odporu slaměných konstrukcí závisí na celé řadě faktorů a nelze jej jednoduše vyjádřit obecně. Prozatím se k výpočtu tepelného odporu, prostupu tepla slaměných konstrukcí jeví jako nejschůdnější užití stávající metodiky dle ČSN 73 0540-4 : 2005 Tepelná ochrana budov s dosazením hodnot tepelné vodivosti dle [6]. Do budoucna je třeba vytvořit metodiku novou, slaměným konstrukcím šitou na míru. Základním úkolem je stanovení ekvivalentní tepelné vodivosti slámy a tepelného odporu slaměných vrstev. Zjistit na čem a jak tyto veličiny závisí. Úzce souvisejícím úkolem je nalezení a ověření takových způsobů používání slaměných balíků ve stavebních konstrukcích, které zajistí jejich dokonalou funkčnost v průběhu celé životnosti stavby, zejména s ohledem na velkou citlivost slámy na zvýšenou vlhkost. Článek byl vytvořen za podpory VVZ MSM 0021630511 Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí. Literatura 1. Hollan, J. (2008) Jak fungují tepelné izolace a kdy dokonale, Sborník Juniorstav 2008, VUT v Brně, Brno. 2. Andersen, J., M., Andersen B., M., (2004) Halmhuse, Udformning og materialeegenskaber, Danish Building and Urban Research, www.sbi.dk, Dánsko. 3. Jones, B. (2001) Information guide to strawbale building, www.strawbalefutures.org.uk 4. Rijven, T. (2008) Between earth and straw, Goute de Sable, Francie. 5. King, B. (2006) Design of Straw Bale Buildings, The State of the Art, Green. 6. Building Press, San Rafael, California, USA. 7. Deutsches Institut fur Bautechnik (2006) Allgemeiner bauaufsichtlicher Zullasung fur Baustrohballen, Deutsches Institut fur Bautechnik, Berlin, Německo. 8. http://strohhaus.com. 9. HUDEC, Mojmír. (2007) Slaměný balík jako stavební komponent přednáška k příležitosti Světového dne pasivního domu 2007. 10. VVZ MSM 261 100008: Výzkum a vývoj nových materiálů z druhotných surovin a zajištění vyšší trvanlivosti stavebních konstrukcí. (2000) Závěrečná zpráva z roku 2000.