Roubená stěna z dřevěných trámů z červeného cedru
Článek se zabývá laboratorním zkoušením tepelného odporu zkušebního vzorku roubené stěny z červeného cedru. Zkouška byla provedena pomocí chráněné teplé skříně. Součástí bylo ověření tepelné vodivosti vzorků z desek vyhotovených ze tří vrstev trámů ve zkušební stěně, vždy z vnitřní, střední a vnější vrstvy této stěny a dále zjištění průměrné hmotnostní vlhkosti materiálu. S ohledem na to, že neexistují žádné dřívější poznatky o vlhkostních vlastnostech tohoto druhu dřeva, spočíval úkol také v tom, zjistit sorpční hmotnostní vlhkost materiálu za definovaných podmínek.
Zadání
Na základě objednávky zadavatele (Výzkumný a vývojový ústav dřevařský, Praha, s.p.) provedla zkušebna fyzikálních vlastností materiálů, konstrukcí a budov – zkušební laboratoř č. 1007.1 ve Zlíně, zkoušku tepelného odporu a z něj odvozeného součinitele prostupu tepla zkušebního vzorku roubené stěny z dřevěných trámů z kanadského dřeva červený cedr podle ČSN EN ISO 8990 metodou chráněné teplé skříně. Součástí provedené práce je laboratorní ověření tepelného odporu a tepelné vodivosti podle ISO 8302 deskovou metodou na třech vzorcích desek vyhotovených z materiálu vrstev zkušební stěny. Cílem zkoušky tepelné vodivosti je porovnání tepelného odporu stěny zjištěného skříňovou metodou a tepelného odporu stěny stanoveného pomocí tepelných odporů jednotlivých vrstev deskovou metodou. Dále bylo úkolem zjištění průměrné hmotnostní vlhkosti zkoušené stěny a sorpční hmotnostní vlhkosti materiálu dřeva za definovaných podmínek. V tomto příspěvku jsou uvedeny fotky stromů, z kterých se těží tento druh dřeva, snímky montování trámů u výrobce a snímky použitých montovaných trámů ve zkušební stěně. Výrobcem této zkušební stěny je firma CEDAR HOME s.r.o. Vysoké Mýto. Zkoušky byly provedeny v období: 29. 9.–5. 11. 2014.
Popis zkoušky
Cílem zkoušky je stanovení součinitele prostupu tepla zkušební stěny U. Z tepelného odporu R zjištěného měřením podle ČSN EN ISO 8990 „Tepelná izolace – Stanovení vlastností prostupu tepla v ustáleném stavu – Kalibrovaná a chráněná teplá skříň“ metodou chráněné teplé skříně za ustáleného tepelného toku se stanoví výsledná normová hodnota součinitele prostupu tepla U výpočtem podle vztahu:
(1)
[W/(m2.K)]
kde hodnota 0,17 m2.K/W je součet odporů při přestupu tepla na vnitřní a vnější straně podle ČSN 73 0540-4.
Popis zkoušené stěny
Zkušební vzorek roubené stěny o celkovém rozměru 1200 mm šířky a 1500 mm výšky a tloušťce 246 mm se skládal ze sedmi vodorovně na sebe sestavených trámů ze dřeviny červený cedr „Western Red cedar“, botanický název zerav obrovský, lat. Thuja plicata. Hrubé trámy o rozměru cca 250 × 300 mm jsou dováženy z kanadské provincie Britská Kolumbie. Trámy se opracují na čtyřstranné profilovací fréze REX na finální tloušťku 246 mm se systémem pero-drážka. Mezi jednotlivými trámy se lepí na dvojitě komprimační páska BG1. V praxi se tyto trámy k sobě upevňují dubovými kolíky (při zkoušce toto upevnění nebylo provedeno).
Níže jsou uvedeny snímky stromů červeného cedru z oblasti, kde rostou, a těžené kmeny těchto stromů a schematické znázornění prokotvení roubené stěny dubovými kolíky a utěsnění rohů roubené stěny v praxi. Dále jsou také níže uvedeny snímky stěny ve zkušebním rámu, pohled a řez zkušební stěnou.
Vnitřní strana vzorku
Vnější strana vzorku
Schematické znázornění prokotvení roubené stěny v praxi dubovými kolíky
Utěsnění rohů roubené stěny v praxi
Styky a utěsnění jednotlivých roubených trámů
Průřez roubeného trámu
Výsledky měření
1. Tepelný odpor a součinitel prostupu tepla podle ČSN EN ISO 8990
| Měřená veličina | Fyzikální jednotka | Výsledky měření |
|---|---|---|
| Teplota vnitřního vzduchuθim | °C | 21,55 |
| Teplota vnějšího vzduchuθiem | °C | −0,61 |
| Teplota vnitřního povrchuθisi,m | °C | 20,31 |
| Teplota vnějšího povrchuθiSe,m | °C | −0,18 |
| Střední teplota vzorkuθim | °C | 10,07 |
| Normalizovaný součinitel prostupu teplaU | W/(m2.K) | 0,342 |
| Tepelný tok měrnou plochou vzorkuP | W | 13,375 |
| Doba měření v ustáleném stavu | Hod | 8 |
| Měrná plochaAm | m2 | 1,8000 |
| Tepelný odporR | m2.K/W | 2,758 |
| Ekvivalentní tepelná vodivostλ | W/(m.K) | 0,0892 |
Rozšířená nejistota měření tepelního odporu UR = ±3,0 %
Celková hmotnost zkoušené stěny zjištěná po zkoušce sečtením hmotností jednotlivých použitých trámů: m = 156,12 kg. Plošná hmotnost stěny je M = 86,73 kg/m2. Tato stěna se ve smyslu ČSN 730540-2 považuje za lehkou. Průměrná hmotnostní vlhkost stěny zjištěná sečtením hmotnostních vlhkodstí použitých trámů um = 15,5 %. Hmotnostní vlhkosti trámů byly zjištěny těsně před měřením měřidlem pro měření vlhkosti dřeva a stavebních materiálů WHT 740, výrobce ELBEZ, Valašské Meziříčí.
Sorpční hmotnostní vlhkost materiálu dřeva usb (%)
Rovnovážná (ustálená) hmotnostní vlhkost materiálu byla zjištěna na trámu č. 7 (tento trám nebyl součástí zkoušené stěny) při teplotě cca 23 °C a relativní vlhkosti měřicí skříně cca 85 %. Naměřené hodnoty uvádí následující tabulka.
| Vzorek č. | Datum | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10. 10. | 14. 10 | 16. 10. | 20. 10. | 29. 10. | 5. 11. | 7. 11. | Sorpční vlhkost | |
| Sušina | Rostoucí hmotnost | |||||||
| g | g | g | g | g | g | g | % | |
| 7 - a | 183,40 | 205,04 | 206,98 | 209,07 | 209,71 | 210,01 | 210,06 | 14,5 |
| 7 - b | 175,37 | 195,59 | 197,35 | 199,18 | 199,72 | 199,96 | 200,01 | 14,0 |
| 7 - c | 162,15 | 176,48 | 178,73 | 181,40 | 182,94 | 183,49 | 183,62 | 13,2 |
| 7 - d | 171,10 | 190,17 | 192,20 | 194,29 | 195,08 | 195,33 | 195,38 | 14,2 |
| 7 - e | 165,37 | 179,54 | 181,84 | 184,61 | 186,40 | 187,09 | 187,23 | 13,2 |
| 7 - f | 172,38 | 187,55 | 189,99 | 192,91 | 194,70 | 195,39 | 195,53 | 13,4 |
| 7 - g | 160,04 | 173,94 | 176,30 | 179,03 | 180,67 | 181,24 | 181,37 | 13,3 |
| 7 - h | 86,46 | 94,564 | 95,79 | 97,16 | 97,75 | 98,00 | 98,06 | 13,4 |
| 7 - i | 113,17 | 123,30 | 124,86 | 126,59 | 127,30 | 127,60 | 127,65 | 12,8 |
| 7 - j | 91,79 | 100,93 | 101,94 | 103,08 | 103,45 | 103,65 | 103,68 | 13,0 |
| 7 - k | 95,47 | 104,24 | 105,51 | 106,91 | 107,45 | 107,72 | 107,77 | 12,9 |
| 7 - l | 100,90 | 110,16 | 111,52 | 112,96 | 113,58 | 113,86 | 113,92 | 12,9 |
| Průměr | 13,4 | |||||||
2. Tepelná vodivost vybraných vrstev zkoušené stěny podle ISO 8302
Pro zjištění tepelných hodnot vrstev roubené stěny byly vyhotoveny 3 zkušební vzorky o rozměru cca (500 × 500) mm z trámu č. 5, označeny postupně čísly 248-5I-14 (Interiér), 248-5S-14 (Střední vrstva) a 248-5E-14 (Exteriér). Tyto vrstvy reprezentují vnitřní, střední a vnější část tohoto trámu. Dále vzorek ze střední vrstvy byl upraven na vzorek o rozměru 300 mm × 300 mm, označený číslem 248-5Sa-14 a na tomto vzorku byly provedeny dvě zkoušky tepelného odporu a tepelné vodivosti pro různé hmotnostní vlhkosti pro účel stanovení závislost tepelné vodivosti na hmotnostní vlhkosti materiálu.
| Číslo vzorku | Tloušťka/ Objemová hmotnost d / ρ | Hmotnostní vlhkost um | Tepelný tok měřicí plochy P | Střední teplota tm | Rozdíl povrchových teplot Δt | Tepelná vodivost λtm | Tepelný odpor R |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| mm / kg/m3 | % | W | °C | K | W/(m.K) | m2.K/W | |
| 248-5I-14 | 44,0/ 330,0 | 24,6 | 1,8011 | 10,52 | 9,940 | 0,08852 | 0,4971 |
| 248-5S-14 | 43,8/ 332,5 | 21,9 | 2,1433 | 10,35 | 10,399 | 0,10023 | 0,4370 |
| 248-5Sa-14 | 38,0/ 342,8 38,5 / 342,8 | 3,3 15,1 | 0,7072 0,8363 | 10,90 10,31 | 11,094 10,523 | 0,07395 0,09340 | 0,5139 0,4122 |
| 248-5E-14 | 44,0/ 330,4 | 18,0 | 2,1104 | 10,68 | 11,169 | 0,09230 | 0,4767 |
Rozšířená nejistota měření tepelné vodivosti u(λ) = ± 2,5 %
Vyhodnocení a závěr
Hodnota součinitele prostupu tepla zkoušené stěny tepla U = 0,34 W/(m2.K) platí pro průměrnou hmotnostní vlhkost 15,5 % zjištěnou měřidlem pro měření vlhkosti dřeva a stavebních materiálů WHT 740 mechanickým způsobem. Z této hodnoty plyne, že zkoušená stěna o tloušťce 246 mm nesplňuje podmínku požadavku národní normy ČSN 730540-2 na maximální hodnotu požadovaného součinitele prostupu tepla UN,20 = 0,30 W/(m2.K). Pro splnění této podmínky je nutné volit minimální tloušťku stěny d = 282,5 mm, vycházíme-li z ekvivalentní tepelné vodivosti λ = 0,0892 z tabulky 1. Ale optimální tloušťka stěny pro splnění požadovaného součinitele prostupu tepla je d = 300 mm.
Na základě měřených tepelných vodivostí u vzorku 248-5Sa-14 byla stanovena regresní závislost tepelné vodivosti na hmotnostní vlhkosti tohoto vzorku, který představuje střední vrstvu dřevěného trámu č. 5:
Dále při zachování nebo za předpokladu stejné směrnice lineární závislosti ze vztahu (2) a z naměřených hodnot tepelné vodivosti druhých dvou vrstev dřevěného trámu (vnitřní a externí) je regresní závislost pro:
- vnitřní vrstvu:
- externí vrstvu:
Z těchto tří vztahů se stanoví závislost ekvivalentní tepelné vodivosti zkušební stěny na hmotnostní vlhkosti:
Počítáme-li tepelný odpor celé stěny z poslední závislosti podle vztahu (5), vychází R = 2,885 m2.K/W při průměrné hmotnostní vlhkosti um = 15,5 % a jemu odpovídá ekvivalentní tepelná vodivost λ = 0,0853 W/(m.K); vypočítaný odpovídající součinitel prostupu tepla U = 0,327 W/(m2.K).
Rozdíl mezi tepelným odporem naměřeným skříňovou metodou (R = 2,758) a vypočítaným pomocí ekvivalentní tepelné vodivosti (R = 2,885) činí 4,6 % a mezi součinitelem prostupu tepla zjištěným skříňovou metodou (U = 0,342) a vypočítaným (U = 0,327) činí 4,4 %.
Literatura
- [1] Protokol o zkoušce č. 307/14 na stanovení tepelného odporu a součinitele prostupu tepla podle ČSN EN ISO 8990, vydaný CSI a.s., pracoviště Zlín 10. 11. 2014.
- [2] Specifikace a výkresová dokumentace zkoušené stěny – dodali objednatel zakázky a výrobce stěny.
- [3] ČSN EN ISO 8990: Tepelná izolace – Stanovení vlastností prostupu tepla v ustáleném stavu – Kalibrovaná a chráněná teplá skříň.
- [4] ISO 8302: Tepelná izolace – Stanovení tepelného odporu a souvisících vlasností – Přístroj chráněné topné desky
- [5] ČSN 730540-2: Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky.
- [6] ČSN 730540-4: Tepelná ochrana budov – Část 4: Výpočtové metody.
Stavby roubených staveb v České republice opět získávají na oblibě, a proto je vhodné porozumět tomu, jakým způsobem se obvodové stěny roubených staveb chovají. Obzvláště dřevina, červený cedr, patří mezi dřeviny, se kterými se běžně v našich krajích nestavělo. Autor si dal bezpochyby velkou práci se zkouškami týkající se zjištění tepelného odporu obvodových stěn z této dřeviny. K tomu není možné vytknout žádné závažné chyby. Ze závěru vyplývá, že součinitel prostupu tepla zkoušené obvodové stěny je 0,34 W/m2K, což je hodnota neodpovídající požadavkům ČSN. Stejně tak musí být velmi problematické splnit požadavky na energetickou náročnost budov, zejména na průměrný součinitel prostupu tepla. Doporučoval bych tedy se věnovat dále návrhu konstrukcí, které budou splňovat tyto požadavky, což znamená buď používat širší profily anebo vymyslet jistý druh sendvičové konstrukce s tepelnou izolací. V druhém případě bude nutné se zabývat zejména vlhkostí bilancí a prostupem vodní páry skrze dřevěnou část konstrukce.
The paper deals with the thermal resistance laboratory testing of timbered wall of red cedar wood beams with dimensions 1200 mm × 1500 mm and an average thickness of 246 mm according to the standard EN ISO 8990. The test was carried out using the guarded hot box. Part of the test was to verify the thermal conductivity of specimens produced from the plates of the three layers used in the tested wall, one from the inner, the second from the middle and the third from the outer part of the tested wall and determining the average mass moisture of the wood material. The purpose of the thermal conductivity verification of these plates is to compare the result of the thermal resistance of the tested wall by hot box with the thermal resistance found from the equivalent thermal conductivity of the tested plates. Considering that for us was no previous knowledge about the moisture properties of this type of wood, has also been required to determine the mass sorption moisture of the material under defined conditions.
