Experimentální ověření teplotního režimu střechy s opačným pořadím izolačních vrstev

Příspěvek navazuje na článek publikovaný v Materiálech 9/2008, kde byla popsána problematika kondenzace vodní páry ve střeše s opačným pořadím vrstev, exponované v náročných klimatických podmínkách. V další fázi výzkumu jsme se zaměřili na experimentální ověření teplotního režimu sledované střechy.

Měření teplot v jednotlivých vrstvách střechy bylo provedeno s cílem zjistit reálný vliv srážkové vlhkosti, vnikající pod vrstvu extrudovaného polystyrenu, na možný pokles vnitřních povrchových teplot konstrukce a na výsledný součinitel prostupu tepla střešní konstrukce. Výsledky dlouhodobého měření a výpočtů součinitele prostupu tepla skladby střechy budou porovnány s teoretickým výpočtem podle ČSN EN ISO 6949 [2].

V současné době jsou k dispozici data z jednoho ročního cyklu měření, ze kterých sice ještě nelze dělat zásadní závěry o skutečných tepelněizolačních vlastnostech sledovaného střešního pláště, ale na vybraných časových úsecích měření lze pozorovat některé zajímavé zákonitosti teplotního režimu ověřované konstrukce.

 

 

Použitá měřicí aparatura se skládá ze dvou čtyřkanálových záznamníků teploty LOGGER S0141 s displejem a z osmi kompatibilních teplotních sond s platinovým odporovým snímačem teploty. Každý kanál má pro necyklický záznam kapacitu 8126 údajů. Interval ukládání naměřených hodnot do paměti záznamníků byl zvolen 10 minut, což reprezentuje 52 560 záznamů za rok.

 

 

Skladba střechy, kde probíhá měření, je uvedena v tabulce 1.

Tabulka 1: Skladba střechy, kde probíhá měření

Skladba (od interiéru)	Funkce vrstvy	Tloušťka vrstvy
Podhled	akustická	–
Vzduchová vrstva (není vzduchotěsně oddělena od interiéru)	–	1200–1500 mm
Trapézové plechy, vlny vyplněny betonem	nosná	–
Cementový potěr	vyrovnávací	30 mm
Expandovaný pěnový polystyren – POLSID	tepelněizolační	100 mm
Betonová mazanina	podkladní	40 mm
Souvrství asfaltových oxidovaných pásů	hydroizolační	15 mm
Asfaltový modifikovaný pás	hydroizolační	5 mm
Extrudovaný polystyren (XPS) s povrchovou vrstvou z plastbetonu	tepelněizolační, ochranná	100+10 mm

 

 

Pro instalaci teplotních sond na povrchu hydroizolační vrstvy bylo třeba, po předchozím odříznutí zámku mezi deskami (viz obr. 1), vyzvednout tepelněizolační desku z XPS.

Teplotní sondy na hydroizolaci byly umístěny v těchto polohách (viz obr. 2):

● pod spáru desek tepelné izolace,

● pod izolační desku mimo spáru,

● od izolační desku u střešního vtoku, kde se (v důsledku nerovnosti povrchu střechy) trvale držela hladina vody.

Deska tepelné izolace byla vrácena do původní polohy s tím, že již není spojena s okolními deskami zámkem. Další teplotní sonda byla umístěna do vrstvy plastbetonu (viz obr. 3).

 

 

Pro měření teploty venkovního vzduchu byla teplotní sonda nainstalována nad rovinu střechy na trojnožku. Zakrytí čidla plastovou nádobou opatřenou hliníkovou fólií s nízkou emisivitou (viz obr. 4) má za cíl eliminovat vliv slunečního záření. Teplotní sonda pro měření teploty srážkové vlhkosti byla vložena do plastového trychtýře s přepadem vody (viz obr. 5).

 

 

Naměřená data byla přenesena do grafů, z kterých bylo vybráno několik relativně krátkých časových intervalů, charakterizujících typické jevy ve sledovaných vrstvách střechy. Především byl zkoumán často diskutovaný vliv protékající chladné vody z dešťových srážek či tajícího sněhu na povrchovou teplotu hydroizolace – tento jev se nejvíce projevuje na jaře a na podzim.

Teploty ve sledovaných místech skladby střechy znázorňuje v grafech celkem šest křivek s následujícím významem:

● zelená – teplota venkovního vzduchu,

● červená – teplota srážek,

● modrá – teplota v plastbetonové vrstvě,

● světle modrá – povrchová teplota hydroizolace pod spárou desek XPS,

● žlutá – povrchová teplota hydroizolace pod deskou XPS mimo spáru,

● modrozelená – povrchová teplota hydroizolace pod deskou XPS u vtoku.

 

V grafu 1 je znázorněn průběh teplot ve skladbě střechy během letního období s působením přímého slunečního záření na povrchovou úpravu z plastbetonu. Z grafu je patrné, že plastbeton přes den akumuloval energii slunečního záření a jeho teplota se zvýšila oproti teplotě venkovního vzduchu cca o 12 °C. V noci došlo k odvodu tepla dlouhovlnným sáláním vůči jasné obloze. Teplota plastbetonu klesla přibližně na úroveň teploty vzduchu.

Naopak teplota na povrchu hydroizolace reaguje na velké výkyvy teploty venkovního vzduchu a plastbetonu jen nepatrně a s určitým zpožděním. Pokud křivka teploty srážek kopíruje křivku teploty venkovního vzduchu, jedná se o období beze srážek. Pokud křivka teploty srážek vykazuje vyšší teploty než křivka teploty venkovního vzduchu, jedná se o období beze srážek s jasnou oblohou a s působením slunce. (Sonda pro měření teploty srážek není na rozdíl od sondy teploty vzduchu chráněna proti slunečnímu záření.)

 

Na grafu 2 je znázorněn vliv dešťových srážek na průběh teplot ve skladbě střechy dne 19. října 2007, kdy pršelo – při teplotě venkovního vzduchu v rozmezí 0 až 5 °C. Z průběhu teplot je zřejmé, že po osmé hodině ranní začalo pršet, čímž se teplota plastbetonu a srážek oproti teplotě venkovního vzduchu snížila. Teplota hydroizolace pod spárou desek XPS s mírným zpožděním výrazně reaguje na zateklou dešťovou vodu o teplotě cca 1 °C – teplota povrchu hydroizolace se vlivem deště snížila o cca 7 °C. Teplota na hydroizolaci pod deskou XPS mimo spáru reaguje v daleko menší míře, ale je zde také patrný pokles teploty o cca 3 °C. Teplotu na hydroizolaci u vtoku proces stékání dešťové vody po hydroizolaci neovlivnil. Asi v 10 hodin přestalo pršet, vlivem slunečního záření se začala zvyšovat teplota plastbetonu, teploty na hydroizolaci se ustálily na původních hodnotách. Po čtvrté hodině odpoledne je patrný pokles vlivu slunečního záření na teplotu plastbetonu.

Na grafu 3 je zachycen průběh teplot během zimního období s nejnižší teplotou venkovního vzduchu, která během sledovaného období nastala. V tomto časovém intervalu ležela na střeše sněhová pokrývka. Ze shodného průběhu teplot venkovního vzduchu a srážek je patrné, že se jednalo o období bez slunečního záření. Teplota plastbetonu byla vyšší než teplota vzduchu, což je dáno tepelněizolační schopností sněhu. Vlivem sněhové pokrývky reaguje teplota plastbetonu na změnu teploty vzduchu se zpožděním. Ráno a v dopoledních hodinách je teplota plastbetonu dokonce nižší než teplota vzduchu. Hydroizolace je proti vlivu kolísání nízkých teplot v zimním měsících dostatečně chráněná vrstvami nad ní. Nedochází k zásadním výkyvům teplot na jejím povrchu.

 

Dalším jevem, který může působit na teploty povrchu hydroizolace, je tání sněhu – viz graf 4. Pro popis průběhu teplot byly vybrány dva dny začátkem března 2008. V dopoledních hodinách se ve sledovaných dnech zvýšila teplota vzduchu na 9 °C (3. 3. 2008) a 4 °C (4. 3. 2008). Teplota na hydroizolaci pod spárou desek XPS se s mírným zpožděním snížila v extrému o cca 10 °C (3. 3.) a o cca 7 °C (4. 3.). To znamená, že byla náhle ochlazena vodou. Křivka teploty srážek přitom kopíruje teplotu venkovního vzduchu. Z uvedeného lze usuzovat, že nepršelo, ale docházelo k tání sněhové pokrývky. V noci 3. 3. klesla teplota hydroizolace pod spárou desek XPS na teplotu jen +4 °C. Pokles teploty byl zaznamenán i sondou na hydroizolaci pod deskou XPS mimo spáru, ale v menší míře. Teplotu na hydroizolaci u vtoku tání sněhu významně neovlivnilo.

 

Nejsložitější průběhy teplot byly zaznamenány při kombinaci tání sněhu a deště koncem března. Záznam ukazuje graf 5. Dne 30. 3. v ranních hodinách začala stoupat teplota venkovního vzduchu a současně se kolem osmé hodiny odchýlila křivka teploty srážek od křivky teploty vzduchu směrem dolů – začalo pršet. S mírným zpožděním se snížila teplota na hydroizolaci pod spárou desek XPS o cca 12 °C. Teplota na hydroizolaci pod deskou XPS mimo spáru reaguje v menší míře, ale je zde také patrný určitý pokles teploty, a to o cca 4 °C. Teplotu na hydroizolaci u vtoku proces stékání vody po hydroizolaci ovlivnil pouze nepatrně. Dne 31. 3. došlo k podobnému jevu s táním sněhu a deštěm. Teplota plastbetonu se vlivem deště krátce snížila, ale během dopoledne začalo na plastbeton působit sluneční záření (odtály zbytky sněhu), čímž se teplota povrchu plastbetonu prudce zvýšila. Teploty na hydroizolaci se začaly stabilizovat.

 

 

Při pozorování střechy v různých ročních obdobích je jasné, že na jednotlivé vrstvy střechy působí široká škála teplot. V tabulce 2 je znázorněno, jakým teplotám a jakému rozdílu teplot je vystavena daná vrstva ve skladbě střechy v průběhu ročního teplotního cyklu.

 

Tabulka 2: Hodnoty teplot ve skladbě střechy

Umístění teplotní sondy	Nejnižší teplota  [°C]	Nejvyšší teplota  [°C]	Rozdíl teplot  [°C]	Průměrná teplota  [°C]
Hydroizolace pod spárou desek XPS	4,1	29,1	25,0	18,9
Hydroizolace pod deskou XPS mimo spáru	9,1	29,1	20,0	19,2
Hydroizolace pod deskou XPS ve vodě	9,3	28,1	18,8	19,7
Plastbeton	–9,1	52,4	61,5	11,9
Venkovní vzduch	–13,3	39,3	52,6	8,1

 

Po vyhodnocení výsledků prvního roku měření lze formulovat následující dílčí závěry, platné pro průběhy teplot v jednotlivých sledovaných vrstvách střešního pláště:

● Povrchová úprava z plastbetonu je vystavena značnému rozdílu teplot v zimě a v létě, kdy jsou teploty ovlivněny slunečním zářením.

● Nejvýraznější výkyvy teplot byly zaznamenány na sondě umístěné pod spárou desek z XPS, kde se projevuje jak působení srážek, tak tání sněhu či kombinace obou jevů.

● Obdobný proces – snížení teploty na povrchu hydroizolace – se projevil při měření sondou umístěnou mimo spáru desek z XPS. Výkyvy teplot však byly podstatně menší.

● Výsledky z měření sondou umístěnou na hydroizolaci ve vodě u střešního vtoku ukázaly, že vliv zatékající chladné vody ze srážek či tajícího sněhu nebyl v tomto místě významný.

 

Výsledky měření ukazují, že technicko-fyzikální vlastnosti střechy s opačným pořadím vrstev mohou být výrazně ovlivněny konstrukčním řešením tepelněizolační vrstvy. Pro eliminaci nepříznivého vlivu pronikání srážkové vody pod tuto vrstvu (a tím i eliminaci následného ochlazování celé střešní konstrukce) jednoznačně doporučujeme použít ke stykování tepelněizolačních desek zámkového systému. Toto řešení, které ostatně doporučuje většina výrobců používaných izolačních materiálů, se podle výsledků měření jeví jako nejvýhodnější. Stykování tepelněizolačních desek na sraz, bez použití zámků, je z hlediska tepelněizolačního zjevně řešením nevhodným.

V listopadu 2008 bylo měření vlastností střechy rozšířeno o sledování vnitřní povrchové teploty střešního konstrukce, takže bude možno přesněji specifikovat vliv srážek na teplotní režim celé skladby střechy.

Po zpracování výsledků dalšího ročního cyklu měření budou následně formulovány podrobnější závěry o chování střešní konstrukce jako celku, a to jak z hlediska vnitřní povrchové teploty střešní konstrukce, tak i z hlediska celkového součinitele prostupu tepla střechy.

VLADIMÍR VYMĚTALÍK, FRANTIŠEK KULHÁNEK

 

Tento příspěvek vznikl za podpory grantového projektu GA ČR 103/06/1801 „Analýza spolehlivosti vlastností stavebních materiálů a konstrukcí s přihlédnutím k jejich změnám v čase a k časově proměnným vlivům“.

 

1) Vymětalík, V.: Tepelně izolační vlastnosti inverzních střech, diplomová práce FSv ČVUT, Praha, 2006.

2) ČSN EN ISO 6946: Stavební prvky a stavební konstrukce – Tepelný odpor a součinitel prostupu tepla – Výpočtová metoda.