Tepelná kvalita stenových konštrukcií zrubových stavieb

Súčasné budovy sa bez energie nezaobídu. Spotrebúva sa hlavne na vykurovanie, ale aj na zabezpečenie iného komfortu v podobe vetrania a chladenia, prípravy teplej vody, osvetlenia a podobne. Spotre­ba energie v budovách znamená v súčasnosti predovšetkým spaľovanie fosílnych palív (zemný plyn, ropa, uhlie), čo má za následok emisiu škodlivých plynov do ovzdušia ako sú NOx, ale hlavne CO₂ s negatívnym vplyvom na zvyšovanie teploty atmosféry. Značnou spotrebou fosílnych zdrojov na vykurovanie budov dochádza k ich rýchlemu vyčerpávaniu. Zároveň pri ich ťažbe dochádza k negatívnemu pôsobeniu na životné prostredie a jeho spätným nepriaznivým vplyvom na život a rozvoj človeka. Preto je nevyhnutné spotrebu energie na vykurovanie znižovať, a to napríklad realizáciou kvalitnej tepelnej ochrany budov prostredníctvom obalových konštrukcií objektu. V súčasnosti je atraktívna výstavba zrubových stavieb na rôzne účely (rekreácia, bývanie, podnikanie a podobne) s celoročným využitím. Zhotovujú sa z rôznych druhov a typov stenových konštrukcií, rôznymi spôsobmi (obr. 1 až 5).

Kvalita tepelnej ochrany zrubových stavieb je charakterizovaná súčiniteľom prechodu tepla U (W/(m² . K)), tesnosťou konštrukcií, detailov a závisí od druhu, typu a spôsobu vyhotovenia zrubovej konštrukcie a zásadne určuje tepelné straty.

Zrubové stavebné systémy sú náročnejšie na realizáciu tepelnej ochrany ako napríklad panelové drevené systémy. Vyplýva to z princípu konštrukcií. Na to, aby bolo možné tepelnotechnické vlastnosti stenových konštrukcií zrubových stavieb analyzovať, treba poznať ich konštrukčné varianty a možnosti ich reálneho vyhotovenia.

Obr. 2, 3 Tradičný jednoplášťový zrub určený na rekreačné účely
Obr. 4 Tradičný zrub určený na rekreáciu – jednoplášťový a falošný zrub	Obr. 5 Tradičný zrub určený na reštauračné účely a ubytovanie

Konštrukčné varianty zrubových stenových systémov
Zrubové systémy sa vyznačujú dominantnou zrubovou konštrukciou obvodových a priečkových stien, nadväzujúcich na priznaný trámový strop z interiéru a prípadne aj z exteriéru. Konštrukcia trámového stropu často nadväzuje na konštrukciu krovu priznanú v exteriéri a podľa požiadaviek aj v interiéri. Na dosiahnutie požadovaných tepelnotechnických vlastností zrubového obvodového plášťa sa z dôvodu priznania architektonicky pôsobivej zrubovej konštrukcie, danej krásou dreva, nepoužíva celoplošné zateplenie kontaktným tepelnoizolačným systémom. Realizuje sa utesnenie detailov (obr. 6 a 7), a to škár a tesárskych spojov (rohy obvodových stien, obvodové steny a priečky, steny a strop a podobne).

Obr. 6 Tradičný zrub – stena z interiéru pred utesnením	Obr. 7 Utesnenie jednoplášťového zrubu z interiéru

Zrubové systémy možno rozdeliť z viacerých hľadísk:

• technologicko-architektonický vývoj: tradičné (kresané), novodobé (strojové);
• spôsob výroby: remeselné a priemyselné;
• úprava dreva: masívne, lepené (plné a duté);
• základný tvar prvkov: guliačové (obr. 8), prizmové (obr. 7, 11), hranolové (obr. 6);
• konštrukcia zrubovej steny: jednoplášťové, dvojplášťové, sendvičové;
• vlhkosť zrubových prvkov: mokré zruby (25 % a viac), vzduchosuché zruby (18 až 25 %), suché zruby (12 až 18 %);
• tvar priečneho rezu:

1. neprofilované – základný tvar (nepravi­delne kruhové, štvorcové, obdĺžnikové),
2. profilované – rôzne tvary profilov (kruhové, štvorcové, odbĺžnikové);

• konštrukčné vyhotovenie: pravé, falošné;
• princíp ochrany proti kondenzovanej vode: difúzne uzavreté (s parozábranou) a difúzne otvorené (bez parozábrany);
• druh prekážky vodnej pary: s parozábranou, s parobrzdou, s materiálmi s premen­livým difúznym odporom v zime a v lete;
• aplikácia vetrovej prekážky z exteriérovej strany: s vetrovou prekážkou, bez vetrovej prekážky;
• orientácia zrubových prvkov: horizontálna, vertikálna.

Z uvedeného rozdelenia zrubových systémov vyplývajú rôzne možnosti konštrukčného a tepelnotechnického zhotovenia (U-hodnota, tesnosť proti infiltrácii).


Tepelná kvalita zrubových stien a energetické úspory
V budovách dochádza k tepelným stratám dvoma základnými spôsobmi, a to prúdením vzduchu (vetraním cez okná, dvere a iné netesnosti budovy) a vedením tepla cez obalové konštrukcie. K tepelným stratám budovy dochádza cez teplovýmennú plochu budovy medzi vnútorným a vonkajším prostredím. Teplovýmennou plochou je obalový plášť budovy, ktorý tvoria nasledovné konštrukcie:

• podlaha najnižšieho podlažia (podlaha prí­zemia (1. NP), strop suterénu a podobne),
• obvodová stena (netransparentná časť, transparentná časť – okná, vonkajšie dvere...),
• strecha,
• strop nad vonkajším prostredím (strop podkrovia nad terasou a podobne),
• strop pod nevykurovaným priestorom (strop podkrovia a podobne).

Medzi podstatné faktory, od ktorých závisí miera tepelných strát, patrí súčiniteľ prechodu tepla U obalových konštrukcií objektu, vzduchotesnosť objektu, premenlivosť a rozdiel vonkajších a vnútorných klimatických faktorov – teplota, vlhkosť a rýchlosť prúdenia vzduchu a podobne. Vonkajšie klimatické faktory nemožno ovplyvniť. Čo je možné ovplyvniť, sú vnútorné klimatické faktory, návrh a realizácia tepelnej ochrany obalových konštrukcií budovy.

Nízku spotrebu energie možno docieliť súhrnom opatrení, pričom najdôležitejšie sú:

• optimalizovaný návrh tepelnej izolácie vonkajších stavebných konštrukcií (napríklad podlaha 1. NP, obvodové steny, strecha a podobne) a prvkov (napríklad vchodové dvere a okná s U ≤ 1,7 (W/(m² . K)). Požiadavky na tepelnú ochranu budov sú stanovené v STN 73 0540-2: 2002 (Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 2: Funkčné požiadavky);
• starostlivý návrh (pri vypracovaní projektu na stavebné povolenie) a vyhotovenie konštrukčných detailov s prihliadnutím na tepelnú ochranu budov (napríklad osadenie obvodovej steny na základ, tepelná izolácia kovových stĺpov, rohový spoj obvodových stien), ako aj predchádzanie výskytu tepelných mostov a ich redukovanie;
• kompaktnosť (ucelenosť) budovy v samotnom návrhu geometrie tvaru (napríklad voľba tvaru budovy bez rôznych výklenkov z obvodovej steny, respektíve ich minimálny počet, aby sa tak znížila ochladzovaná plocha budovy);
• vzduchotesnosť vonkajších stavebných konštrukcií (napríklad zrubová obvodová stena), prvkov (vchodové dvere a okná) a konštrukčných detailov stavby (detail obvodovej steny a vypusteného stropného trámu do exteriéru a podobne);
• optimalizované vetranie v závislosti od skutočnej spotreby čerstvého vzduchu v priestoroch budovy (správne nastavenie vzduchotechniky a jej riadenia a podobne);
• optimálne využívanie solárnych (tepelných) ziskov oknami, zasklenými stenami, zimnými záhradami, hlavne v prechodných obdobiach jar, jeseň a v chladnejších dňoch, v zime za slnečných dní;
• dobrá a pružná regulácia v rozvodoch tepla;
• vhodný spôsob vykurovania (centrálne vykurovanie dvojdomu alebo radovej zástavby, vhodný zdroj tepla – plyn, plyn a drevená štiepka, pelety a podobne).

Realizovaním tepelnej ochrany domu zateplením podlahy, obvodových stien, stropu podkrovia, strechy, kvalitnými oknami a vchodovými dverami možno znížiť podiel celkových tepelných strát vetraním a vedením, ako aj jednotlivými konštrukciami.

Tepelná kvalita zrubových stien
Dominantnou konštrukciou zrubových systémov sú zrubové obvodové steny s nadväznosťou na priznanú konštrukciu stropu v exteriéri. Ich konštrukcie (jednoplášťové, dvojplášťové, sendvičové) a zhotovenie detailov (materiálové riešenie a zhotovenie styku zrubových prvkov (obr. 6 až 12), rohové spoje na vnútorný a vonkajší zámok, spoje obvodových stien a priečok na preplátovanie, detail stropných trámov a obvodovej steny a podobne) má podstatný vplyv na tepelné straty a energetickú úsporu.

Projektant zrubového objektu musí klásť dôraz na správny konštrukčno-fyzikálny návrh zrubových prvkov a stien (základný tvar, hrúbka a profil prvku, materiálové rieše­nie tesnosti styku prvkov, spojov a detailov).

Obr. 9, 10 Zhotovenie spojov zrubu z guliačov

Rovnako dôležitá je následná výroba a montáž v súlade s technologickým postupom. Na zabezpečenie tesnosti zrubovej obvodovej steny proti prúdeniu vzduchu cez zrubovú stenu má rozhodujúci vplyv reálna presnosť profilov a spojov ako aj použitie samostatných tesniacich profilov – vetrových prekážok.

Úroveň kvality tepelnej ochrany ovplyvňujú rozličné konštrukčné faktory, ktoré sa líšia v závislosti od typu zrubovej steny. V prípade jednoplášťových zrubových stien (obr. 11, 14) ide o hrúbku steny, vlhkosť, tvar profilu zrubových prvok, zhotovenie systému tesnenia škár. Pri dvojplášťových zrubových stenách rozhoduje hrúbka vonkajšej a vnútornej drevnej steny, vlhkosť, tvar a profil zrubových prvkov, zhotovenie systému tesnenia škáry, hrúbka a vlastnosti tepelnej izolácie, dôkladnosť a stálosť vyplnenia dutín tepelnou izoláciou. Kvalitu tepelnej ochrany sendvičových zrubových stien (obr. 12 a 13) ovplyvňuje zase hrúbka, vlhkosť, tvar a profil zrubových prvkov, zhotovenie systému tesnenia škáry, hrúbka a vlastnosti tepelnej izolácie, dôkladnosť a stálosť vyplnenia dutín tepelnou izoláciou, použitie parozábrany a stav jej celistvosti (bez netesnosti na spojoch a podobne).

Z hľadiska dosiahnutia požadovanej hodnoty prechodu tepla obvodových stien budov na bývanie (UN = 0,32 (W/(m2 . K)) podľa STN 73 0540-2 sú problémové jednoplášťové zrubové steny, pri ktorých sa U-hod­nota pohybuje v závislosti od ich hrúbky, profilu a druhu dreviny prvku v rozmedzí od 0,67 do 0,48. Na zabránenie úniku tepla má veľký vplyv tesnenie škár pomocou navrhnu­tých profilov a použitím vzduchotesných tesnení. V prípade zrubových stien z guliačov sa v stykoch zrubových prvkov a v spojoch aplikujú napríklad priznané silikónové tesnenia alebo tesnenie s tvarovou pamäťou do drážky. Na docielenie požadovaného energetického kritéria napríklad v súlade s STN 73 0540-2 treba realizovať tepelnotechnickú ochranu aj ostatných stavebných konštrukcií (podlaha, sendvičové steny 2. NP, strecha, okná a dvere a podobne).

Obr. 12 Priemyselne vyrábaný sendvičový zrub určený na celoročné bývanie	Obr. 13 Zhotovenie spojov zrubu z guliačov

Pri realizácii dvojplášťových a sendvičových zrubových stien možno požadovanú hodnotu prechodu tepla obvodovou stenou U = 0,32 (W/(m² . K)) dosiahnuť bez väčších problémov. Dokonca možno dosiahnuť aj lepšiu hodnotu, a to na úrovni U = 0,18 (W/(m² . K)). Pretože sa do steny nezabudovává parozábrana, je podobne ako pri jednoplášťových stenách aj v prípade dvojplášťových stien problémom tesnosť stykov zrubových prvkov. Tesnenie stykov sa odporúča realizovať pomocou skrytých tesnení v drážkach na interiérovej aj exteriérovej strane steny.

Najlepšia tesnosť na únik tepla prúdením vzduchu sa dosahuje pri sendvičových zrubových stenách. Z interiérovej strany sa na stenu pripevňuje parozábrana a na podkladový rošt veľkoplošný tepelnoizolačný materiál. Splnenie požadovaného energetického kritéria je preto pri tomto type zrubovej steny za predpokladu správnej a dôslednej realizácie tesnenia stykov a detailov bezproblémové.

Pre konkrétnu predstavu tepelno-technickej kvality zrubových stien bola spracovaná analýza tepelnotechnických vlastností rôznych zrubových obvodových stien uplatňovaných v praxi. Analyzovali sa nasledovné konštrukcie zrubových stien:

• jednoplášťové zrubové steny (stena tvorená len hrúbkou dreva) (obr. 19):

1. zruby z guliačov (obr. 14) s priemerom 270 mm, 300 mm a 350 mm,
2. zruby z rezaných hranolov (obr.6) s hrúbkou 250 mm, 300 mm a 350 mm;

• dvojplášťové zrubové steny (drevo, tepelná izolácia, drevo):

1. skladba z interiérovej strany: 50 mm drevo, 50 mm minerálna tepelná izolácia a 150 mm drevo,
2. skladba z interiérovej strany: 50 mm drevo, 100 mm minerálna tepelná izolácia a 150 mm drevo,
3. skladba z interiérovej strany: 50 mm drevo, 150 mm minerálna tepelná izolácia a 150 mm drevo;

• sendvičové zrubové steny (z interiérovej strany môžu byť rôzne obklady, v skladbe sa nachádza štandardne parozábrana, v strede tepelná izolácia a z exteriérovej strany zrub):

1. skladba z interiérovej strany: sadrokartón 12,5 mm, rošt sm 38 mm, minerálna tepelná izolácia 50 mm a zrub 150 mm,
2. skladba z interiérovej strany: sadrokartón 12,5 mm, rošt sm 38 mm, minerálna tepelná izolácia 100 mm a zrub 150 mm,
3. skladba z interiérovej strany: sadrokartón 12,5 mm, rošt sm 38 mm, minerálna tepelná izolácia 150 mm a zrub 150 mm.

Vypočítané tepelnotechnické vlastnosti uvedených zrubových stien a porovnanie s požiadavkami podľa normy STN 73 0540-2 sú uvedené v tabuľke.

Tab. Tepelnotechnické vlastnosti zrubových obvodových stien

^{Poznámka:
1) Z hľadiska celoročnej bilancie skondenzovanej a vyparenej pary v konštrukcii je stav priaznivý a v norme pri všetkých konštrukciách.
2) B ezpečnostná prirážka Δθsi pre spôsob vykurovania je použitá 1,5 °C.}

Zhodnotenie
Jedným z ukazovateľov tepelnotechnickej kvality zrubových stien je súčiniteľ prechodu tepla U. Ďalšími dôležitými ukazovateľmi tepelnotechnickej kvality sú vnútorná kritická povrchová teplota na vznik plesní, prievzdušnosť zrubových konštrukcií, ich stykov a ročná bilancia skondenzovanej a vyparenej vody v/z konštrukcie. Ako je zrejmé z tabuľky, pri porovnaní U-hodnoty je na zhotovenie jednoplášťových zrubových stien výhodnejšie použiť rezané hranoly. Zobrazenie priebehu teplôt a tepelných tokov jednoplášťovej zrubovej stavby z hranolov a guliačov možno vidieť na obr. 15 až 18. Pri porovnaní U-hodnoty dvojplášťových a sendvičových stien lepšie hodnoty dosahujú sendvičové konštrukcie. Výhodou dvojplášťových stien je ich vyhotovenie bez parozábrany. Z hľadiska vnútornej kritickej povrchovej teploty na vznik plesní vyhovujú všetky konštrukcie stien, treba však povedať, že riziko vzniku plesní je najväčšie u guliačových jednoplášťových stenách v stykoch, nakoľko je ich šírka reálne premenlivá a pohybuje sa v rozmedzí od 150 do 70 mm, z dôvodu zbiehavosti kmeňov (obr. 14). Ďalším rizikovým faktorom je nedokonalé tesnenie styku proti prieniku vzduchu. Šírka styku pri zrube z rezaných hranolov je konštantná a pohybuje sa v rozmedzí 220 až 320 mm, čo je dostačujúce na aplikáciu funkčného tesnenia styku. Rovnako dôležité je vyhotovenie tesnenia styku z hľadiska prievzdušnosti. Z hľadiska ročnej bilancie skondenzovanej a vyparenej vody v/z konštrukcie vyhovujú všetky steny.

Obr. 15 Jednoplášťový zrub z hranolov – infračervené zobrazenie priebehu teplôt	Obr. 16 Jednoplášťový zrub z hranolov –zobrazenie tepelných tokov
Obr. 17 Jednoplášťový zrub z guliačov – infračervené zobrazenie priebehu teplôt	Obr. 18 Jednoplášťový zrub z guliačov –zobrazenie tepelných tokov

Na splnenie energetického kritéria nových obytných budov v súlade STN 73 0540-2 treba okrem vhodne zvolenej obalovej konštrukcie realizovať dodatočné opatrenia vo forme tepelnej ochrany ostatných konštrukčných častí stavby, využitia možných tepelných ziskov zo slnečného žiarenia, zabudovania rekuperačného zariadenia a podobne. Možno však povedať, že pri štandardnom návrhu v súlade s normatívnymi požiadavkami (tepelnotechnické vlastnosti, vzduchová tesnosť) a pri presnom a dôslednom zrealizovaní všetkých konštrukcií a konštrukčných detailov najmä obvodových stien, zrubové systémy spĺňajú energetické kritérium. Dlhodobo prebiehajúce výskumy v reálne obývaných domoch úsporu energie na vykurovanie potvrdzujú. Výskum zároveň ukazuje, že skutočné tepelné straty sú v prípade sendvičového zrubu dokonca nižšie ako vypočítané.

Pre nízkoenergetickú výstavbu obytných budov a pasívnych domov sa odporúča navrhovať sendvičové zrubové steny. Pri hrúbke steny asi 38 cm možno docieliť bezproblémovú tesnosť a U = 0,12 (W/(m² . K)).

Pre všetky zrubové systémy platí, že tepelnotechnickú kvalitu a úsporu energie na vykurovanie možno dosiahnuť návrhom obvodového plášťa s čo najnižším súčiniteľom prechodu tepla U obvodovej steny, tesnením stykov, spojov a detailov konštrukcie zrubovej steny a dôslednou výrobou a realizáciou.

TEXT: Ing. Stanislav Jochim, PhD.
FOTO: Ing. Stanislav Jochim, PhD. (obr. 1 až 4, obr. 6 až 19), Miroslav Bubniak (obr. 5)

Ing. Stanislav Jochim, PhD., pôsobí na Oddelení drevených stavebných konštrukcií Technickej univerzity vo Zvolene.

Recenzoval prof. Ing. Jozef Štefko, PhD., ktorý pracuje na Oddelení drevených stavebných konštrukcií Technickej univerzity vo Zvolene.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.