Výskumy a merania stavby z dreva

Vlastnosti a vnútorné prostredie drevostavby s vysokoizolovaným obvodovým plášťom.

Zdroj: Ing. Pavol Sedlák, PhD., Technická Univerzita vo Zvolene

Drevostavby poskytujú výborný tepelný komfort pre užívateľov už pri relatívne tenších obvodových stenách z dreva, ako stavebného materiálu, v porovnaní s murovanými konštrukciami. Je to z dôvodu použitia vysokoúčinných tepelných izolácii vo všetkých vrstvách drevodomu - obvodovej steny a stropu. Keďže existuje množstvo dohadov a fám o kvalite vnútorného prostredia v takýchto rodinných domoch z titulu nízkej akumulačnej schopnosti konštrukcie drevostavby a taktiež o kvalite prevedenia a použitých materiálov, boli uskutočnené analýzy a merania na existujúcom rodinnom drevodome, kde bolo drevo použité ako stavebný materiál. 
 

Prvá fáza montáže rodinného domu z dreva

Pre uskutočnenie meraní a výpočtov bol vybraný rodinný dom typu bungalov, ktorý bol sledovaný už od výstavby.

Popis drevostavby

Objekt je jednopodlažný rodinný dom z dreva, drevodom štvorcového pôdorysu, s ihlanovou strechou. Ku domu prilieha garáž s plochou strechou. Presahy strechy a exteriérové žalúzie zabezpečujú tienenie v budove v letnom období.
 

Pôdorys referenčnej drevostavby

 

Priečny rez plánu pre drevodom

 

Obálka budovy je tvorená konštrukciami obsahujúcimi výlučne tepelne izolácie ISOVER – Saint-Gobain (celková hrúbka izolácii v obvodovej stene je 470mm a v strope 550mm, pod základovou doskou je hlavná izolačná vrstva 200mm) a spĺňa nároky vyžadované pre štandard obvodových konštrukcií pre pasívne domy. Použité okná sú plastové profilu Salamander BluEvolution Uf=0.94 Wm-2K-1 s izolačným trojsklom Ug = 0.6 Wm-2K-1.

 

Vlastnosti konštrukcií stavby z dreva

Konštrukcia difúzne otvorenej obvodovej steny, kde je drevo použité ako stavebný materiál, je tvorená kazetovým stĺpikom šírky 360mm, s vrstvou izolácie v inštalačnej predstene a s exteriérovým zatepľovacím systémom. Výpočet zohľadňujúci vplyv tepelných mostov preukázal U-hodnotu iba 0.084 Wm-2K-1 (pre charakteristické hodnoty súčiniteľa tepelnej vodivosti materiálov), a teplotu na povrchu konštrukcie 19.4 °C pri Ti=20 °C, Te=-15 °C)
 

Konštrukcia obvodovej steny drevodomu a 2D model teplotných poli pre stanovenie U-hodnoty

 

Konštrukcia stropu a 3D model teplotných poli pre stanovenie U-hodnoty

Konštrukcia stropu nad vykurovaným priestorom je tvorená spodnými pásnicami strešných nosníkov, s vrstvou voľne ukladanej izolácie 490mm. Prídavná izolácia 60mm je vložená do vzduchovej medzery medzi sadrokartónom a parotesnou fóliou s premenlivým difúznym odporom. Výpočet zohľadňujúci vplyv tepelných mostov preukázal U-hodnotu 0.073 Wm-2K-1, a teplotu na povrchu konštrukcie 19.45 °C pri Ti=20 °C, Te=-15 °C) Tepelnotechnické vlastnosti týchto konštrukcií vysoko prevyšujú nároky podľa Normy STN 73 0540, dokonca sú výrazne lepšie ako cieľové odporúčané hodnoty (tab. 1).
 

Tabuľka 1 U-hodnoty podľa STN 73 0540

Tepelný komfort drevodomov

Na tepelný komfort v zimnom období vplýva najmä teplota vzduchu a teplota povrchov v interiéri. Nie je dôležitá len hodnota súčtov teplôt povrchov, ale aj ich rozmiestnenie. Nevyhovujúca situácia je na obr. 7a, kde je teplotná asymetria vplyvom chladného povrchu obvodovej konštrukcie.

Znázornenie vplyvu povrchových stien

Na obr. vpravo je vidno priaznivý stav pre tepelnú pohodu, kde sa teplota obvodovej konštrukcie blíži ku teplote interiéru v drevodome.

 

Pre vysokoizolované konštrukcie obvodového plášťa v referenčnom objekte sú odpovedajúce teploty na povrchu približne 19.4 °C (Ti=20 °C), čo odpovedá teplotnému faktoru frsi=0.98. To znamená, že teploty na povrchu konštrukcie vytvárajú v interiéri rodinného domu z dreva ideálnu tepelnú pohodu. 

 

Spotreba energie pri drevodomoch

Pre porovnanie so štandardnými budovami bol vykonaný výpočet nástrojom PHPP (Passive House Planning Package) u tohto drevodomu, ktorý v dostatočnej miere nahradzuje násobné zložitejšie simulačné programy, keďže nám poskytuje základné údaje o spotrebe energie a tepelnom komforte skúmaného objektu s požadovanou presnosťou.

Hodnotenie pasívneho domu nástrojom PHPP (klimatické podmienky pre Sliač)

Výpočet preukázal potrebu energie na vykurovanie 35 kWh m-2a-1 , stanovené pre typickú klímu Sliač. Je potrebné uviesť, že rovnaký rodinný dom z dreva, drevodom by v Bratislave vykazoval potrebu 29kWh m-2a-1.
 

Štruktúra tepelných strát v stavbe s drevom, ako staveným materiálom (PHPP)

Zo štruktúry tepelných strát je vidno že tepelné zisky výrazne pokrývajú tepelné straty drevodomu, a v mesiacoch apríl a október sú tieto zisky väčšie ako teplo dodané vykurovaním. Posúdením podľa Zákona 555/2005 Zb. je tento dom zaradený do kategórie A vzhľadom na celkovú potrebu energie.
 

Zaradenie objektu do kategórie podľa energetickej certifikácie (Zákon 555/2005 Zb.)

Pri porovnaní potreby energie na vykurovanie je zrejmé, že referenčný rodinný drevodom je násobne lepší oproti štandardnej výstavbe spĺňajúcej aktuálne nároky predpisov.
 

Porovnanie potreby energie na vykurovanie so štandardmi výstavby drevostavby a iných stavieb

 

Vidíme, že výsledná spotreba energie je výrazne lepšia ako bežné NED, a to vďaka výborným izolačným schopnostiam obálky budovy. Celkovo tento objekt nedosiahol spotrebu energie ako PD hlavne z dôvodu tvaru budovy, keďže jednopodlažné domy nemajú priaznivý pomer teplovýmenného povrchu ku vnútornému objemu (najlepší pravouhlý geometrický tvar je kocka). Ďalším nepriaznivým faktorom je aj existencia murovaného komína, ktorý nepriaznivo ovplyvnil celkovú vzduchotesnosť konštrukcie drevodomu.

 

Uvádzaný objekt však spĺňa nároky potreby energie na vykurovanie podľa cieľových hodnôt STN 73 0540, s predpokladom platnosti od r. 2020 (tab. 2)
 

Tabuľka 2 Potreba tepla vykurovanie podľa STN 73 0540

Kontrolné merania v drevodome

V dome prebehli počas r. 2013 merania parametrov vnútornej klímy a vonkajšieho vzduchu, z dôvodu overenia kvality tepelnej pohody počas celého roka.

 

Pri analýze dát bolo zistené, že počas typického zimného obdobia v čase najnižšieho poklesu vonkajšej teploty bola vždy teplota vzduchu interiéri nad 20 °C, čo zabezpečuje tepelnú pohodu v interiéri. Pre porovnanie boli vybrané priebehy teplôt a relatívnej vlhkosti vzduchu pre miestnosť obývačka a kúpeľňa, počas typického zimného týždňa.
 

Priebeh teploty a vlhkosti vzduchu v kúpelni

Zaujímavé bolo zistenie, že len vplyvom slnečného žiarenia je možné prehriatie interiéru pri teplotách pod 0°C. Výrazne prekúrenie nastalo po zakúrení v krbe, keď teplota v interiéri vystúpila takmer na 30°C. Toto možno pripísať veľkému výkonu krba a použitému spôsobu teplovzdušného vykurovania, ktoré nemá operatívne možnosť odpojiť jednotlivé miestnosti od hlavného tepelného zdroja v prípade mimoriadnych tepelných ziskov.
 

Priebeh teploty a vlhkosti vzduchu v obývačke

 

 

Tepelná pohoda stavby z dreva v letnom období

Vo všeobecnosti je v povedomí verejnosti, že drevostavby sa v letnom období veľmi rýchlo prehrievajú. Toto však platí len pre slabo izolované stavby väčšinou postavené v minulosti. Moderné drevostavby, kde je drevo použité ako hlavný stavebný materiál, majú vysokú úroveň izolácie, a spolu s masívnejšími podlahami majú minimálne rovnaké vlastnosti ako murované stavby.

 

Je to z toho dôvodu, že pri súčasných izolačných schopnostiach obvodových stien sa stráca význam druhu konštrukcie (drevené, murované), ale hlavným faktorom prehrievania sa stáva letné zatienenie presklených plôch, rekuperácia vzduchu pri vetraní a akumulačná schopnosť povrchových vrstiev v interiéri na ktoré priamo dopadá slnečné žiarenie – podlahy. Keďže konštrukcia podláh – ich vrchných vrstiev - je pre rôzne stavby približne rovnaká, hlavným parametrom ostáva zatienenie okien.

 

Letné tienenie dosiahneme pevnými vodorovnými plochami (napr. presahy strechy, striešky, balkóny), alebo najefektívnejšie exteriérovými žalúziami. 

 

V referenčnom objekte boli nainštalované žalúzie na hlavnej južnej fasáde na všetkých oknách, čím boli eliminované nadmerné slnečné zisky počas horúcich dní. Nástrojom PHPP vyplývajúcim zo simulácií bolo hodnotene prehrievanie referenčného objektu. Bolo zistené, že pri bežnom režime teplota v lete v interiéri vystúpi nad 22 °C zhruba počas 2-3 dní.

Priebeh monitorovanej vnútornej teploty počas horúcich letných dní

 

Kontrolné merania na rodinnom dome z dreva ukázali, že maximálna interiérová teplota v izbách stúpla na 23.11°C počas letného dna s max. vonkajšou teplotou 33,3°C (obr. 14), čím sa potvrdil výstup posúdenia softvérovým nástrojom PHPP.

 

V konečnom dôsledku merania ukázali že všeobecné predsudky o prehrievaní drevostavieb sú neopodstatnené. Rozhodujúcim ukazovateľom pri všetkých stavbách, nielen u drevostavieb, je existencia tieniacich zariadení, vysokého tepelného odporu stien a okien, a rekuperácie tepla pri vetraní.

 

Fyzikálna celistvosť obvodového plášťa stavby z dreva

Pod fyzikálnou celistvosťou rozumieme kompaktnosť obvodového plášťa, a to zvlášť so zreteľom na celkovú vzduchotesnosť objektu a z pohľadu tepelnoizolačnej schopnosti.

 

Vzduchotesnosť

Drevodom bol 2x podrobený testu vzduchotesnosti (Blower Door Test), aby bola zabezpečená požiadavka pre efektívne fungovanie vetracej jednotky a z dôvodu zníženia tepelných strát nekontrolovaným vetraním - infiltráciou vzduchu.
 

Doporučené hodnoty vzduchotesnosti, MojDom, 21.05.2008]

 

Prvý test prebehol po fáze dokončenia vnútorného nosného plášťa z OSB dosiek a po montáži parobrzy v stropnej konštrukcii, aby bolo možné zistené netesnosti opraviť. Druhy test bol vykonaný po dokončení domu, aby sa potvrdilo požadované kritérium vzduchotesnosti.

 

Celkový výsledok testu je n=1,2 1/hod, čím spĺňa doporučenú požiadavku nmax=1.5 pre budovy s mechanickým vetraním. Výsledok je ale horší ako doporučená hodnota nmax=1.0 pre budovy so spätným získavaním tepla, napriek kvalitnému obvodovému plášťu, a to najmä z dôvodu existencie murovaného odvetraného komína. Je nutné uviesť, že platné predpisy STN v súčasnosti neupravujú požiadavky na vzduchotesnosť budov.
 

Prvé meranie vzduchotesnosti a viditeľná vzduchotesná rovina tvorená OSB doskami a fóliou ISOVER VARIO® KM Duplex, s prelepenými spojmi

 

 

Tepelné mosty a kompaktnosť izolácie drevodomov

Tepelnoizolačná kompaktnosť obvodového plášťa sa zabezpečuje správnym návrhom detailov konštrukcie a ich správnym prevedením.

Pri chybnom návrhu alebo prevedení (detaily s výrazným tepelným mostom alebo bez tepelnej izolácie) vzniká riziko kondenzácie na vnútornom povrchu pri teplotách pod rosným bodom a ku zvýšeným tepelným stratám v takomto mieste. Obvodové konštrukcie sa po dokončení kontrolujú termovíznymi meraniami, kde sa odhalia najmenšie nepravidelnosti plášťa. Pre meranie sa používajú kamery snímajúce infračervené žiarenie, a tým merajúce teploty na povrchoch konštrukcie. Nepravidelnosť obvodového plášťa sa prejaví ako miesto so zmenenou povrchovou teplotou, tam kde vznikajú tepelné mosty. Pre ďalšie zhodnotenie je väčšinou nevyhnutná 2D alebo 3D analýza skúmaného detailu, aby bolo možné potvrdiť nesprávny návrh, alebo chybné prevedenie a stanoviť prídavné tepelne straty.

Termovízny snímok – skladba detailu – overenie v 3D výpočtovom programe

 

Vzhľadom na výsledky termovíznych meraní na referenčnom objekte, nebolo potrebné prevádzať ďalšie analýzy, nakoľko obvodový plášť vykazoval vďaka vysokému stupňu izolácie výbornú kompaktnosť obvodových konštrukcii, s prirodzenou deformáciou teplôt okolo otvorových konštrukcii, a okolo základov vplyvom pôdnej teploty.

Termovízne snímky referenčného objektu – SV stena

 

Termovízne snímky referenčného objektu – JV stena

Termovízne snímky referenčného objektu – interiér, styk obvodových stien a stropu

Záver hodnotenia stavby 

Po komplexnom zhodnotení uvedeného referenčného objektu drevodomu, môžeme potvrdiť, že domy z dreva s vysokoizolovaným obvodovým plášťom pozitívne vplývajú na tepelný komfort počas celého roka a navyše maximálne znižujú potrebu energie na vykurovanie. Boli vyvrátené všeobecné predpoklady prehrievania sa budovy v horúcich letných dňoch z titulu použitia dreva ako stavebného materiálu použitého na konštrukcie stien, a to vďaka výbornej izolácie stien a zatieneniu budovy. Paradoxne bolo preukázané mierne prehrievanie interiéru počas zimného obdobia, v dôsledku prevádzky krbu na drevo a z titulu použitia teplovzdušného vykurovacieho systému, ktorý nedokáže reagovať na lokálne extrémne zdroje a regulovať prísun tepla do jednotlivých miestnosti. Obvodový plášť preukázal výbornú kompaktnosť ohľadom na vzduchotesnosť a izolačné schopnosti, čo znamená že bol dobre navrhnutý v detailoch spojov a taktiež aj dobre prevedený – a tým môže efektívne plniť svoju funkciu.

V Kováčovej potvrdili úspornosť drevodomov

Je drevodom stavbou, ktorá dokáže ušetriť na prevádzkových nákladoch podobne ako pasívny dom?

Ročné monitorovanie drevodomu v Kováčovej dokazuje, že pri dodržaní kľúčových podmienok - určite áno. Rozhodujúce sú správne zateplenie, tienenie a tvar stavby.

Drevený montovaný dom v Kováčovej monitorovala spoločnosť Isover, spolu s realizátorom stavby ForDom a Technickou univerzitou vo Zvolene (TUZ), počas štyroch ročných období už od jeho výstavby. „Chceli sme zistiť, ako sa bude drevodom postavený v nízkoenergetickom štandarde správať počas celého roka a či budú hodnoty monitoringu zodpovedať výpočtovým predpokladom,“ vysvetľuje Alexander Prizemin zo spoločnosti Isover. Dom bol po celý čas obývaný rodinou s malým dieťaťom a so psom.

Tvar stavby a komín zamiešali karty

K jednopodlažnému bungalovu s ihlanovou strechou prilieha garáž s plochou strechou. „Drevodom je zateplený 470 milimetrovou tepelnou izoláciou Isover na obvodových stenách a 550 milimetrovou izoláciou v strope. Pod základovou doskou sa nachádza hlavná 200 milimetrová izolačná vrstva,“ opisuje vedecký pracovník TUZ Pavol Sedlák. Budovu dopĺňajú plastové okná s izolačným trojsklom. Kvalitné zaizolovanie sa vyplatilo, v ročných meraniach sa drevený bungalov umiestnil v rebríčku spotreby energie len o pár kilowatthodín za pasívnym domom. Od prvenstva ho oddialili dva faktory:  nevhodný tvar (ideálna pasívna budova má tvar kocky) a murovaný komín, ktorý narušil vzduchotesnosť konštrukcie.

Potreba tepla na vykurovanie drevodomu

Celý rok v tričku? V kvalitnom drevodome samozrejmosť

Prvou skúškou pre energetickú efektivitu tohto rodinného domu bola zima. „Jedným z predpokladov pre tepelný komfort v budove počas zimy je dosiahnuť, aby sa teplota obvodovej konštrukcie blížila k teplote interiéru,“ hovorí marketingový riaditeľ spoločnosti Isover Alexander Prizemin. Vďaka kvalitnej izolácii sa v tomto dome podarilo aj v časoch najnižšieho poklesu vonkajšej teploty (až -20 °C) zachovať teplotu vzduchu v interiéri nad 20 °C. Ukázalo sa dokonca, že ak je vonku okolo nuly, vnútorná teplota v drevodome môže vystúpiť až na 30 °C.

Stačia žalúzie

Horúce leto, vonku 33 °C, vnútri iba 23 °C. Bez klimatizácie. Zdá sa to neuveriteľné? Záhada týchto výsledkov pozorovaného drevodomu tkvie v tienení. „Ak je budova kvalitne zaizolovaná, je takmer jedno, či ide o murovanú alebo drevenú konštrukciu,“ potvrdzuje Pavol Sedlák a pokračuje: „dôležité je zatienenie presklených plôch.“ V drevodome boli preto počas leta nainštalované exteriérové žalúzie na hlavnej južnej fasáde na všetkých oknách. Či to stačilo? Desaťstupňový rozdiel medzi vonkajšou a vnútornou teplotou preukázaný pri opakovaných meraniach je jednoznačnou odpoveďou, že áno. Mýtus o prehrievaní drevodomov sa tak podarilo vyvrátiť jednoduchým riešením – tienením. 

Merania a analýzy počas jedného roka života v drevodome priniesli dôkaz o tom, že kvalitne zaizolovaná drevená stavba môže dosiahnuť energetickú efektívnosť pasívneho rodinného domu. „Dostatočne izolovaný obvodový plášť, strop a podlahy pozitívne vplývajú na tepelný komfort v dome počas celého roka. Zároveň minimalizujú spotrebu energie na vykurovanie, čím šetria okrem peňazí aj životné prostredie a dostávame sa tak k termínom zelené budovy“ uzatvára Pavol Sedlák ročný experiment. Výsledky meraní sa dajú využiť v praxi pre realizátorov drevodomov, výskum univerzity aj pre odborníkov z Isoveru: „Navrhujeme skladby drevostavieb a snažíme sa pripravovať čo najkvalitnejšie návrhy,“ zdôvodňuje prínos analýzy Alexander Prizemin z Isoveru.