Ekonomický konštrukčný systém pre nízkoenergetické drevostavby

15. 11. 2007

V príspevku je prezentovaný vývoj prototypu stenového konštrukčného systému drevených stavieb, ktorý by splňoval požiadavky ekonomickej dostupnosti, ekologické a ostatné funkčné požiadavky s dôrazom na kvalitnú tepelnú ochranu.

Okrem samotného prototypu sú tu prezentované postupne kroky pri jeho vývoji, ktorý sprevádzalo laboratórne meranie tepelnotechnických a mechanických vlastností, počítačové modelovanie a simulácie a otestovanie postaveného referenčného objektu rodinného domu.

Skladba steny zo základných a doplnkových modulov. Vývoj tohto konštrukčného systému nadviazal na dlhoročnú výskumnú a vývojovú činnosť na pôde Drevárskej fakulty Technickej univerzity vo Zvolene.

Požiadavky na konštrukčný systém

Na začiatku sme si postavili za cieľ vyvinúť cenovo dostupný konštrukčný systém, ktorý by pri zabezpečení základných funkcií (statická únosnosť, požiarna odolnosť, ochrana proti hluku... atď.) splňoval nasledujúce zvýšené funkčné požiadavky:

* kvalitná tepelná ochrana, možnosť využitia v nízkoenergetickom a pasívnom štandarde,

* jednoduchá montáž bez použitia ťažkej stavebnej techniky,

* recyklovateľnosť – možnosť jednoduchého rozobratia a opätovného použitia,

* minimálna záťaž životného prostredia,

* nízka výrobná energetická náročnosť,

* nižšia alebo aspoň porovnateľná cena s ostatnými materiálovými bázami alebo stavebnými systémami.

Výstavba referenčného domu

Popis konštrukčného systému

Konštrukčný systém pozostáva z priestorových modulov na báze OSB

a smrekového reziva, vyplnených tepelnou a zvukovou izoláciou. Rozmery základného dielca sú: 120x41x30 cm (modul pre vnútorné priečky má polovičnú hrúbku), jeho hmotnosť vrátene tepelnej izolácie je 25 kg. Dielce sa skladajú

do tehlovej väzby a sú spriahnuté jednak systémom pero–drážka v stykoch

a jednak po výške nabíjanými latami. Steny sa obojstranne oplášťujú obkladmi

s dodatkovou tepelnou izoláciou. Umožňuje použitie konvenčných drevených konštrukcií podláh, stropov a krovu. Ide o patentovaný konštrukčný systém pod obchodným označením φ-ha.

Významnou ekonomickou prednosťou systému je rýchlosť výstavby, porovnateľná s montážou celostenových prefabrikovaných dielcov, avšak bez použitia ťažkej stavebnej techniky – s možnosťou uplatnenia svojpomocnej výstavby. Ekonomické parametre priaznivo ovplyvňujú aj cenové parametre materiálových vstupov.

Výstavba referenčného domu

Tepelnotechnické vlastnosti

Hrúbka tepelnej izolácie bola nadimenzovaná tak, aby už samotný modul bez opláštenia dosiahol vysokú hodnotu tepelného odporu – na základe výpočtov, potvrdených laboratórnym otestovaním v chránenej klímakomore. R = 6,55 m²K/W – a spĺňal štandard pasívnych domov, t. j. koeficient prechodu tepla steny U = 0,15 W/(m²K).

V skutočnosti je táto hodnota ešte zlepšená obojstranným opláštením s tepelnou izoláciou, takže konkrétna skladba steny dosahuje hodnotu tepelného odporu R = 7,69 m²K/W a koeficientu prechodu tepla U = 0,13 W/(m²K).

Rozloženie teplôt v detaile napojenia na podzákladie v jednej z alternatív

Vývoj samotnej konštrukcie

Tepelnotechnické vlastnosti boli testované v chránenej komore

za ustáleného teplotného stavu. Okrem U – hodnoty boli vyhodnocované povrchové teploty a hustoty tepelného toku

vo fragmente i v mieste tepelných mostov. Tomu predchádzala pomerne rozsiahla analýza výpočtovými programami pre jednorozmerné a viacrozmerné vedenie tepla, s vlhkostnou analýzou a nadimenzovaním skladby plášťa s ohľadom

na kondenzáciu a ročnú bilanciu skondenzovanej a vyparenej vody v konštrukcii.

Osobitná pozornosť bola venovaná analýze charakteristických detailov s výskytom tepelných mostov s následnou optimalizáciou a úpravami konštrukčných detailov. Ako príklad uvádzame napojenie steny na podzákladie.

Okrem počítačových simulácií bola na referenčnom objekte vykonaná termovízna analýza, ktorá viacmenej potvrdila problémové miesta v opláštení. Samotný fragment vykazuje vysokú kompaktnosť, nepatrný výskyt systémových či náhodných tepelných mostov. Najslabším miestom sa ukázalo práve napojenie na podzákladie, kde vplyvom deformácie teplotného poľa, umocneného exfiltráciou teplého vzduchu z interiéru, dochádza k veľkým únikom tepla. Obdobná situácia je v mieste ostení otvorov. Podotýkame však, že na referenčnom objekte sa zatiaľ neuvažovalo s pasívnym štandardom pre transparentné konštrukcie – okná.

Termovízne snímky detailov referenčnej stavby

Snímanie referenčnej stavby sa realizovalo termovíznou kamerou ThermaCAM E4 od fy. Ferocom Banská Bystrica.

Výsledky tepelnotechnického posúdenia fragmentu podľa metodiky STN – ČSN 730540:

* tepelný odpor: R = 7,69 m²K/W,

* koeficient prechodu tepla: U = 0,13 W/( m²K),

* teplotný útlm konštrukcie: μ = 126,6,

* fázový posun teplotných kmitov: ψ = 9,04 h.

Skladba bez parozábrany:

* množstvo skondenzovanej vodnej pary: G_k = 0,18 kg/(m².rok)

* teor. množstvo vyparenej vodnej pary: G_v = 4,35 kg/(m².rok).

Skladba s parozábranou:

* nedochádza ku kondenzácii vodnej pary.

Konštrukcia steny bola podrobená aj skúške statickej únosnosti podľa metodiky STN 73 2030 s ohľadom na tlak, tlak za ohybu a šmykovú únosnosť v akreditovanom skúšobnom laboratóriu Lignotesting v Bratislave. Výsledky skúšok pri zaťažovacích stavoch podľa uvedenej normy sú: súčiniteľ spoľahlivosti y_exp = 3,0 a medzný stav použiteľnosti μ = 0,156.

Spotreba energie na referenčnom objekte

Pre overenie účinnosti tepelnej ochrany stavebného systému boli sledované tepelnotechnické vlastnosti a reálna spotreba energie na rodinnom dome, postavenom z predmetných modulov v katastri obce Lipovec v blízkosti Martina.

Ide o katalógový rodinný dom, v ktorom nešlo o uplatnenie zásad pasívneho štandardu už v prvotnom koncepte. V prvom rade sme si chceli meraním na objekte in-situ overiť výsledky spotreby energie a parametre vnútornej klímy na základe počítačových simulácií alebo výpočtami podľa aktuálnych technických noriem. Potvrdením výsledkov a doladením počítačových modelov budeme môcť v budúcnosti s vysokou pravdepodobnosťou predpovedať správanie sa budovy ako celku i účinnosť tepelnej ochrany v rôznych skladbách plášťa.

Na rodinnom dome boli okrem spomínanej termovízie priebežne merané parametre vnútornej a vonkajšej klímy, teploty na povrchoch a spotreba energie.

Zároveň sme v komplexnom simulačnom programe ESP-r vytvorili zónový model budovy s namodelovanými hodinovými parametrami vonkajšej klímy, vlastnosťami oplášťujúcich a deliacich konštrukcií, teplotným profilom podzákladia, tokmi vzduchu a spôsobom kúrenia. Výsledky počítačových simulácií umožnili ešte pred samotnou stavbou referenčného domu vykonať zásahy do konštrukcie a vykurovacieho systému tak, aby bol docielený optimálny pomer vynaložených nákladov a energetickej efektívnosti. Ako príklad možno uviesť analýzu efektívnosti spôsobu vykurovania (konvenčné, podlahové, teplovzdušné s rekuperácou apod.) či rozdelenie nákladov do nadštandardných konštrukčných opatrení (okná s vyšším štandardom, zvýšené hrúbky izolácii, izolácia parapetnej časti apod.).

Počítačové modelovanie umožnilo aj komplexnú analýzu tepelnej pohody v interiéri ako aj doporučené konštrukčné opatrenia.

Uvedená budova na základe výpočtov a počítačového modelovania mala dosiahnuť vyššiu spotrebu energie, ale na základe meraní spotreby energie a po doladení počítačového modelu dosiahla hodnotu mernej spotreby energie 43,5 kWh/(rok.m²) – čo je menej ako štandard pre nízkoenergetický dom.

Rozdelenie zón v počítačovom modeli

Grafické výstupy zo simulačného programu – teplota vnútorného vzduchu

Záver

Po analýze počítačového modelu so simuláciou ďalších konštrukčných opatrení a vetrania s rekuperáciou vzduchu (podiel tepelných strát vetraním činí podstatnú zložku celkových tepelných strát) nebude problém s predmetným stavebným systémom dosiahnuť pasívneho štandardu bez enormného nárastu investícií. Medzitým boli s tohto stavebného systému zrealizované ďalšie stavby prevažne rodinných domov. Na referenčnom dome prípadne ďalších domoch plánujeme kvôli komplexnej informácii analyzovať aj vzduchotesnosť obalového plášťa prostredníctvom tzv blower-door testu.

Doc. ing. Jozef Štefko, Ph.D., (* 1962)

absolvoval Stavební fakultu SVŠT v Bratislavě – obor Pozemní stavby. V letech 1987 –1994 na této fakultě pracoval jako asistent na katedře konstrukcí pozemních staveb.

Ing. Ivan Hrčka, CSc., vystudoval Stavební fakultu Slovenské vysoké školy technické v Bratislavě – obor konstrukce a dopravní stavby. V 80. letech začal prednášet na Dřevařské fakultě Vysoké školy lesnické a dřevařské ve Zvolenu, kde byl u zrodu oddělení dřevěných stavebních konstrukcí a studijního zaměření na dřevostavby. V současnosti se jako jednatel firmy Andante zabývá vývojem a výrobou nízkoenergetických domů, stavebnětruhlářských výrobků a dalších dřevařských komodit.