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 balicí stroje. Tato raná metoda stavění vzkvétala zhruba do roku 1940, kdy válka a rostoucí popularita a používání cementu vedly k jejímu faktickému zániku. Koncem sedmdesátých let minulého století 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.
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 tepelněizolační 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].
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. Zřejmě jsou následující 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 ani postup určení rizika kondenzace vodní páry a růstu plísní uvnitř a na povrchu takových konstrukcí.
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 tabulce 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.
Tabulka 1: Tepelné vodivosti udávané různými autory
|
Zdroj |
Teplota [°C] |
Vlhkost [%] |
Objemová hmotnost |
Tepelná vodivost kolmo na stébla λ [W/m.K] |
Tepelná vodivost podél stébel λ [W/m.K] |
Ekvivalentní tepelná vodivost λ [W/m.K] |
|
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 |
|
Poznámky: * přepočteno z IP (inch-pound) jednotek R = 1.45 Btu/hr. s. f. °F/inch, ** orientace nespecifikována
Tabulka 2: Tepelněfyzikální vlastnosti slámy
|
Směr tepelného toku |
θ [°C] |
λ [W/m.K)] |
cp 106 [J/m³.K] |
a 106 [m²/s] |
ρ [kg/m³] |
w [%] |
|
Kolmo na stébla |
19,1 |
0,0506 |
0,125 |
0,406 |
70 |
14 |
|
20,6 |
0,0519 |
0,137 |
0,378 |
70 |
|
|
|
Rovnoběžně se stébly |
20,6 |
0,0629 |
0,192 |
0,328 |
70 |
14 |
Tabulka 3: Tepelnětechnické vlastnosti hliněné omítky
|
θ [°C] |
λ [W/m.K)] |
cp 106 [J/m³.K] |
a 106 [m²/s] |
ρ [kg/m³] |
w [%] |
|
20,46 |
0,52 |
071 |
0,732 |
1823 |
6 |
|
20,46 |
0,516 |
0,706 |
0,731 |
1823 |
6 |
|
20,46 |
0,542 |
0,707 |
0,766 |
1823 |
6 |
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.
Hodnoty součinitele tepelné vodivosti naměřené Izometem dobře korespondují s hodnotami uváděnými v zahraniční literatuře.
Legenda:
S1. PODLAHA:
● dřevěná plovoucí podlaha 20 mm,
● podložka Mireton 3 mm,
● deska OSB na pero a drážku tl. 20 mm + přelepení spár,
● nosník Steico SJ60, výška 400 mm se slaměnými balíky tl. 400 mm,
● deska DHF na pero a drážku tl. 15 mm.
S5. STŘECHA:
● střešní deska Onduline tl. 38 mm,
● deska OSB na pero a drážku tl. 18 mm,
● dřevěný hranol 80×60 mm s větranou mezerou tl. 80 mm,
● střešní difuzní deska DHF 4 strany na pero a drážku tl. 15 mm,
● nosník Steico SJ60, výška 400 mm se slaměnými balíky tl. 400 mm,
● deska OSB na pero a drážku tl. 20 mm + přelepení spár,
● dřevěný hranol 80×60 mm s konopnou rohoží tl. 80 mm,
● sádrokarton tl. 13 mm,
● rákosové štukatérské pletivo tl. 5 mm,
● přilnavostní jílový podhoz,
● omítka hliněná jádrová tl. 15 mm,
● omítka hliněná štuková tl. 10 mm.
S6. STĚNA – vytápěný interiér–exteriér:
● omítka hliněná štuková tl. 10 mm,
● omítka hliněná jádrová tl. 15 mm,
● přilnavostní jílový podhoz,
● rákosové štukatérské pletivo tl. 5 mm,
● sádrokarton tl. 13 mm,
● dřevěný hranol 60×40 mm s konopnou rohoží tl. 60 mm,
● deska OSB na pero a drážku tl. 20 mm + přelepení spár,
● nosník Steico SW60, výška 400 mm se slaměnými balíky tl. 400 mm,
● difuzní deska DHF na pero a drážku tl. 13 mm,
● dřevěný hranol 50×30 mm s větranou mezerou tl. 30 mm,
● dřevěný obklad – modřín tl. 25 mm.
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 Nu, vyjdeme z modifikovaného Rayleighova čísla Ram pro porézní vrstvy. Ram 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
Ram = 0,7 (H / 1 dm) (T / 10 K)
(K / 0,01 mm2). (1)
Například pro vodorovné homogenní vrstvy s Ram>40 platí, že Nu = 1 + 0,04.(Ram − 40). Snížit modifikované Rayleighovo číslo lze buď 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.
Z dosud provedených měření vyplývá, že konvekce na velikost tepelného odporu slaměných vrstev vliv má, ovšem podstatně menší, než jaký by odpovídal uvedené teorii.
Měření v neustáleném teplotním stavu
Měření bylo prováděno ve dnech 16. 1.–20. 1. 2009 na západní obvodové stěně v 2. NP téhož objektu. 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 minut v průběhu pěti dnů. Výpočet tepelného odporu je proveden s průměrnými vstupními hodnotami. Použité vztahy dle [10].
θi … teplota vzduchu v interiéru [°C],
q… hustota tepelného toku [W.m2],
θe… teplota vzduchu v exteriéru [°C],
θsi… teplota vnitřního povrchu stěny [°C],
θse… teplota vnějšího povrchu stěny [°C].
q
hi = ––––––––– = 4,68 W/m2.K (2),
θi – θsi
q
he = ––––––––– = 1,29 W/m2.K (3),
θe – θse
θsi – θse
Rq = ––––––––– = 6,20 m2 K/W (4).
q
hi – součinitel přestupu tepla na vnitřní straně konstrukce, [Wm–2.K–1],
he– součinitel přestupu tepla na vnější straně konstrukce, [Wm–2.K–1],
Rq – tepelný odpor konstrukce určený z povrchových teplot a tepelných toků, [m2.K.W–1].
Tepelný odpor určený výpočtem z naměřených hodnot tepelné vodivosti
Omítka hliněná tl. do = 0,05 m oboustranně,
λo = 0,53 W/m.K,
Slaměný balík tl. ds = 0,5m, ls = 0,063 W/m.K.
Ro = 2 . do/λ o = 0,18 m2.K/W (5),
Rs = ds/λ s = 7,94 m2.K/W (6),
Rλ = Ro + Rs = 8,12 m2.K/W > Rq = 6,2 m2.K/W (7),
do… tloušťka vrstev hliněné omítky,
ds… tloušťka vrstvy slámy [m],
λ o … tepelná vodivost hliněné omítky,
λ s … tepelná vodivost slámy [W/m.K],
Ro… tepelný odpor vrstev hliněné omítky,
Rs… tepelný odpor vrstvy slámy [m2.K/W],
Rλ… tepelný odpor konstrukce určený z tepelných vodivostí a tlouštěk vrstev,
Rq… tepelný odpor konstrukce určený z povrchových teplot a tepelných toků [m2.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 stanovit 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.
DANIEL GRMELA, DANUŠE ČUPROVÁ
foto autor
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.: Jak fungují tepelné izolace a kdy dokonale, Sborník Juniorstav 2008, VUT v Brně, Brno.
2) Andersen, J. M. – Andersen, B. M.: Halmhuse, Udformning og materialeegenskaber, Danish Building and Urban Research, www.sbi.dk, 2004.
3) Jones, B.: Information guide to strawbale building, www.strawbalefutures.org.uk, 2001.
4) Rijven, T.: Between earth and straw, Goute de Sable, Francie, 2008.
5) King, B.: Design of Straw Bale Buildings, The State of the Art, Green, 2006.
6) Building Press, San Rafael, California, USA.
7) Deutsches Institut fur Bautechnik: Allgemeiner bauaufsichtlicher Zullasung fur Baustrohballen, Deutsches Institut fur Bautechnik, Berlin, Německo, 2006.
8) http://strohhaus.com.
9) Hudec, M.: 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. Závěrečná zpráva z roku 2000.
Ing. Daniel Grmela (*1979)
vystudoval modul Pozemní stavby a architektura na Fakultě stavební v Ostravě. Absolvoval odbornou stáž v atelieru celostní architektury ARC v Praze. V současné době studuje prezenčně doktorské studium na téma „Šíření tepla a vlhkosti ve slaměných konstrukcích“ na Ústavu pozemního stavitelství FAST VUT v Brně. Navrhuje nízkoenergetické domy z přírodních materiálů. Působí v občanském sdružení Baobaby. Pořádá přednášky a kurzy o přírodním stavitelství.
Ing. Danuše Čuprová, CSc., (*1950)
vystudovala VUT v Brně, Fakulta stavební, obor pozemní stavby. Pracuje jako odborná asistentka v Ústavu pozemního stavitelství VUT FAST, je vedoucí kabinetu stavební fyziky a tvorby vnitřního prostředí. Další odborné aktivity: zpracování tepelně-technických posouzení budov, odborný garant semin
