Odtokové parametry technických vrstev zelené střechy s využitím textilního recyklátu
Článek popisuje provedená měření materiálů zelených střech, které zásadním způsobem ovlivňují výsledné odtokové parametry celé skladby vegetační konstrukce. Výsledky prezentují odtok ze sestav několika běžně užívaných materiálů ve srovnání s materiálem vyvinutým v laboratořích VUT v Brně. Základní principy měření byly použity z německého standardu pro zelené střechy (zkráceně nejčastěji označované jako FLL pro zelené střechy) s využitým zkušeností z dlouhodobých měření zejména se započtením transportu srážkové vody skrze substrátové vrstvy.
© AdobeStock
1. Úvod do současné problematiky
Český výrobní průmysl poskytuje ke druhotnému zpracování řadu pokročilých materiálů, které lze zpracovávat díky moderním recyklačním technologiím. S nutností snižování výrobní energetické náročnosti v oblasti stavebního průmyslu nachází stále více materiálů své ekologické substituenty. Zejména v oblasti vegetačních konstrukcí je tento trend velmi patrný, protože jsou tyto konstrukce hlavními reklamními ambasadory šetrné výstavby pro trvale udržitelný rozvoj stavebního průmyslu. Řada výrobců používaných materiálů ve skladbách zelených střech a fasád hledá v posledních letech alternativní recyklované výrobky zejména na bázi plastových hmot. Cílem této substituce je dosáhnout ještě lepších výsledků v hodnocení použité skladby a též celého objektu v certifikacích LEED a BREEAM.
Tento proces byl nejprve aplikován na separačních, filtračních a ochranných vrstvách skladby zelené střechy. Řada výrobců nahradila používané geotextílie a filtrační fólie z prvovýroby za recyklovanou variantu materiálů. Hlavní klíčové prvky skladby zelené střechy jako retenční, drenážní či akumulační [1] prvky nacházejí své substituenty již poměrně nesnadno (výjimkou jsou někteří výrobci nopových fólií zaměření na západoevropský trh). Alternativním výrobkem pro retenční vrstvy zelené střechy je recyklovaný polyesterový deskový materiál vzájemně spojený tavitelnými vlákny. Zdrojem recyklovaného materiálu jsou vysoce kvalitní textilní vrstvy zejména z automobilového průmyslu.
Cílený recyklovaný materiál má na současném trhu doplnit sortiment výrobků pro zelenou střechu a přinést alternativní aplikační technologie [2]. Recyklovaná polyesterová deska slouží ve skladbě jako retenční materiál s vegetační funkcí a současně též jako primární mechanická ochrana při aplikaci substrátu. Retenční vrstvy nemají v současné době jasně specifikované hranice zejména proto, že neexistuje v současné době účelová legislativa pro tuto konstrukci. Cílovou aplikací je zelená střecha s menším počtem aplikačních vrstev, tak aby bylo možné jednoduše řešit oblasti prostupů, okrajů a rohů. Hlavní oblastí použití je extenzivní střecha s cílovou výškou substrátu do 10 cm, minoritně pak semiintenzivní varianta s výškou substrátu do 30 cm. Pro účely popisu chování zabudované desky v zelené střeše a demonstraci účelu použití je součástí článku diskuze měření odtoku z experimentální sestavy zelené střechy.
2. Vlastnosti zkoumané desky
Zkoumaná deska je tvořena třemi různými variantami polyesteru – recyklovaná drť, recyklovaná a pojivová vlákna. Poměr zastoupení a přesný popis vlastností jednotlivých segmentů jsou předmětem výrobního tajemství. Byly vyrobeny testovací sady tloušťky 20 a 30 mm, které předpokládají nejlepší možnou kombinaci pro účely stavebního trhu [3]. Bližší informace o testované desce jsou přehledně zapsány v tabulce č. 1.
| Technické parametry zk. materiálu | Jednotka | 20 mm | 30 mm |
|---|---|---|---|
| Šířka | mm | 600 | 600 |
| Délka | 1200 | 1200 | |
| Tloušťka 0,5 kPa / EN ISO 9073-2 | 20 | 30 | |
| Plošná hmotnost / EN ISO 9864 | g‧m−2 | 2000 | 3000 |
| Hmotnost plně nasycené desky | kg‧m−2 | 13 | 22 |
| Stlačitelnost / ČSN EN 12431 | % | 20 | 20 |
| Pevnost v tahu / EN ISO 10319 – vertikální rovina | kN‧m−1 | 0,7 | 1,3 |
| Pevnost v tahu / EN ISO 10319 – horizontální rovina | 0,6 | 0,7 | |
| Dynamická tuhost / ČSN ISO 9052-1 | MPa‧m−1 | 11,5 | 8,2 |
| Dyn. Protržení kuželem dle EN ISO 13433 | mm | 47 | 37 |
| Tepelná vodivost – laboratorní vlhkost dle ČSN EN 12667 | W‧m−1‧K−1 | 0,038 | 0,038 |
| Tepelná vodivost – nasycený stav dle ČSN EN 12664 | 0,142 | 0,142 | |
| Max. vodní kapacita – sklon 0° | l‧m−2 | 12 | 20 |
| Propustnost kolmo k rovině dle EN ISO 11058 | l‧m−2‧s−1 | 4,42.10“2 | 3,71.10“2 |
3. Měření intenzity odtoku z experimentální sestavy
Testovaná sestava experimentální zelené střechy se skládá z podpůrné stolice s nastavitelným sklonem testované roviny s vanou pro měřenou skladbu. Rozsah stolice umožňuje testovat střechy až do sklonu 25°. Testovací vana je čtvercového rozměru o celkové ploše 1,44 m2 s volnou odtokovou hranou na spodní straně v úrovni dna, tak aby byl zajištěn volný odtok bez bariéry. Díky navrženému čtvercovému tvaru je možný přímý přepočet ve vztahu k ploše, neboť volná odtoková hrana se zmenšuje přímo úměrně jako přepočítávaná plocha. Celá sestava je řízeně zavlažována rovnoměrně v celé ploše umělým regulovatelným deštěm, který je po dobu měření konstantní.
Jako srovnávací měření je ilustrováno měření dle německých standardů organizace Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e.V. (zkráceně FLL) [4] pro testování skladeb zelených střech dle 15minutového deště, který je nejběžnější formou současné podoby srovnávání materiálů zelených střech. Během zavlažovaných 15 minut je cílovým množstvím 27 mm srážek (tedy 27 l na 1 m2). Odtokové vody jsou z volné odtokové hrany svedeny do záchytné nádrže, která je kontinuálně vážena každých 5 sekund po dobu nejméně 2 hodin pro správné zachycení chování retenční charakteristiky. Celé měření je umístěno v laboratořích VUT Brno, tak aby bylo zabráněno vlivu působení větru, změny teplot a zejména snížení rozdílu výparu mezi jednotlivými měřeními. Rozdílem oproti původnímu systému měření FLL je využití praného kameniva frakce 4–8 mm s minimální schopností vázat vodu ve své volně sypané vrstvě, která odpovídá zatížení.
Graf 1: Měření intenzity odtoku přepočtené na 1 m2
Měřenými materiály pro účely porovnání materiálové charakteristiky intenzity odtoku zkoumaného materiálu byl substrát českého producenta o objemové hmotnosti 1020 kgm3 o instalované výšce 100 mm; skladba pro extenzivní souvrství tvořená z geotextílie 300 g‧m−2, nopové fólie o výšce nopu 25 mm a filtrační fólie 105 g‧m−2; desky z hydrofilní minerální vlny 50 mm s objemovou hmotností 80 kgm3. Průběhy intenzity odtoku byly přehledně zobrazeny v demonstrovaném grafu č. 1. Všechny materiály a sestavy kromě měření substrátu byly měřeny při zatížení 80 kg‧m−2. Toto zatížení bylo realizováno ze dvou hlavních důvodů, a sice z důvodu přiblížení skutečného chování celé sestavy zejména pak drenážních a retenčních vrstev. Druhým důvodem je sjednocení formy měření rozdílných typů povrchů – transport srážek do funkčních materiálů pod vrstvami substrátu je klíčový pro srovnávací měření jednotlivých variant. Použití praného kameniva s uzavřeným povrchem frakce 4 až 8 mm bylo vyhodnoceno jako nejvhodnější médium při transportu umělých dešťových srážek k měřené vrstvě opakovaným srovnávacím měřením a vykazuje minimální ztráty v rámci výsledků měření v hodnotě do 3 % celkového použitého množství srážkové vody.
4. Výsledky měření
Na základě hodnocení intenzity odtoku lze nový materiál nejvíce připodobnit chování substrátu. S tímto cílem byl také uvedený materiál vyvíjen. Na grafu je srovnáváno běžně aplikované množství jednotlivých vrstev tj. 100 mm substrátu a 40 mm retenční vrstvy ve formě dvou desek, jejichž spoje se při aplikaci překrývají nejméně o 100 mm. Během celého cyklu měření nedošlo v substrátu, minerální vlně ani v textilním materiálu k překročení nebo vyrovnání hodnoty přítoku 0,03 l‧s−1. Tyto materiály dle testu prokazatelně snižují maximální intenzitu odtoku během celého trvání testu. U systémové skladby s nopovou fólií lze naopak vysledovat zvýšení maximálního odtoku ze sestavy, které je spojeno s procesem smočení suchých textilních vrstev a vyplnění zásobních nopů. Ze zmíněné sestavy nejprve neodtéká srážková voda, protože je systémem filtrována do kalíšků nopové fólie. Po naplnění kalíšků se nárazově zvýší odtoková intenzita celé skladby z důvodu náhlého rychlého odtoku přebytečné vody po nesmočené separační vrstvě geotextilie ve zkoumaném sklonu. Efektivita filtrace je současně snížena tlakem vodní hladiny pod filtrační folií, takže část srážkových vod odteče po povrchu filtrační fólie do nejnižšího místa odtoku a nárazově zvýší intenzitu odtoku. Ve skutečné skladbě má toto chování eliminovat aplikovaná vrstva substrátu. Tento jev bude pravděpodobně možné sledovat u násobně vyšších přívalových srážkách i na sestavě se substrátem po vyčerpání jeho retenčních kapacit. Krátkodobé skokové navýšení odtoku u skladeb s nopovou folií souvisí s jejich principem návrhu absolutní zádržné funkce v prvních jednotkách minut deště dle velikosti kalíšků – nopů.
Naproti tomu zbývající testované materiály fungují na principu filtrace srážek v celém svém objemu, a tím se více přibližují nativnímu chování růstového média ve formě substrátů s malým podílem organických hmot řádově do 20 % svého objemu. Zejména anorganický materiál substrátu průběžně filtruje srážkové vody skrze své vrstvy, část zachycuje a přebytek po filtraci skrze celou výšku substrátu vytéká s maximální intenzitou 85 % původní srážkové intenzity. Retenční schopnost hydrofilní minerální vlny je téměř absolutní – první odtoková aktivita nastává téměř po 2/3 celkového trvání standardizovaného deště a je řádově minimální oproti dalším materiálům testu. Z hlediska zádržné funkce se jedná o ideální materiál, který ale kvůli své vysoké kapilární schopnosti udržovat srážkové vody v celém svém výškovém profilu způsobuje úhyn kořenového systému suchomilných rostlin, které se na extenzivní střechy obvykle vysazují. Právě vysoká zádržná schopnost limituje použití tohoto materiálu v extenzivních skladbách. Spolu s popsanou charakteristikou a doporučením o instalaci nízké vrstvy substrátu na minerální vatu cca do 3 až 4 cm v našich klimatických podmínkách nastává výrazný úbytek vegetačního krytu zejména ve vlhkých měsících. Tento jev není chybou nebo vadou používaného materiálu, ale nepochopení základních funkčních charakteristik extenzivní zelené střechy v klimatických podmínkách České republiky. Přenesená skladba s retenční vrstvou z minerální vlny nemůže fungovat se stejným druhovým složením rostlin jako v Itálii nebo opačný extrém jako v Nizozemí. Následné chápání minerální vaty jako růstového média vedlo ke snižování výšky propustného substrátu, které vedlo jen k prohloubení problému přemokření kořenového systému.
Polyesterová deska se z testovaných materiálů nejvíce blíží chování testovaného substrátu.
Srážková voda není ve zkoumané vrstvě zachycena v celém výškovém profilu desky. Po rozebrání sestavy byla retenční textilní vrstva rozebrána a jednotlivé vrstvy 20mm desek byly samostatně zváženy. Na základě měření bylo zjištěno následné rozložení zachycení srážek: horní deska zachytila 30 % z celkových 9 litrů v celé sestavě, spodní zbývajících 70 %, tj. 6,3 l. Současně je ale toto celkové množství zachycených srážek trojnásobně vyšší než u sestavy s nopovou fólii. Z těchto výsledků vyplývá, že nově vyvíjený textilní polyesterový recyklát má odlišné vlastnosti chování z pohledu dynamiky intenzity průtoku i z hlediska retenční zádržné funkce. Z testovaných materiálů má charakter intenzity odtoku srovnatelný s běžně užívanou mocností substrátu, ve kterém cílová skladba vegetace nejlépe prospívá. Materiál svou vláknitou strukturou umožňuje prorůstání kořenů, proto v kombinaci s retenčními vlastnostmi je možné uvažovat o snížení aplikované vrstvy substrátu na nižší úroveň 3 cm. Cílem takovéto skladby je přísně extenzivní střecha pro sušší oblasti s celkovou nízkou hmotností. Uvedený materiál je doplněním současného stavebního trhu v oblasti zelených střech a má za cíl zohlednit aplikaci extenzivní zelené střechy v podmínkách středoevropského kontinentálního klimatu.
5. Závěr
Nové pokročilé polyesterové materiály přinášejí na trh zelených střech nejen novou alternativu současných výrobků, ale také umožňují vývoj nových skladeb a nových aplikací zelených střech. Zejména nové systémové skladby pro kontinentální charakter klimatu jsou na současném stavebním trhu minoritní, přestože použití materiálů pro podpůrné konstrukce zelených střech v České republice z tohoto hlediska většina aplikací vyžaduje. Nekritické přejímání stávajících řešení způsobuje negativní vnímání některých materiálů na českém trhu. Ukázkovým příkladem je chybné použití minerální vlny na extenzivních střechách s malou vrstvou substrátu, která vlivem vysoké zádržnosti srážek způsobuje degradaci vegetačního pokryvu. Řada odborníků pak srovnává deskové materiály podobného vzhledu a predikuje jim na základě zkušenosti srovnatelné negativní vlastnosti. Tento přístup však není podložen znalostí skutečného chování. Z uvedeného měření v tomto článku vyplývá odlišné chování textilních materiálů oproti skladbám s minerální vatou ale i s nopovou folií. Testovaná deska stojí v pomyslné řadě mezi těmito skladbami a lze ji svým chováním nejvíce připodobnit chování lehkého anorganického substrátu s malým podílem rašeliny do 15 %.
Poděkování
Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu FAST-J-19-6081 Studium vlivu sklonu na odtokové faktory skladeb retenčních střech a FAST-S-19-6045 Studium fyzikálních procesů v kritických detailech obalových konstrukcí budov s téměř nulovou potřebou energie.
Literatura
- Minke, G. Zelené střechy. 1. vyd. Ostrava: HEL, 2001. 92 s., ISBN 80-86167-17-8
- Selník, P.; Nečadová, K.; Mohapl, M.; Bedlivá, H. Designing and Testing of the Recycled Vegetative- Retention Layer of the Vegetative Upper Skin of the Pitched Roof. Applied Mechanics and Materials, 2016, vol. 824, no. 824. 67, p. 67–76. ISSN: 1662-7482.
- J. Mentes, D. Raes, M. Hermy, Green roofs as a tool for solving the rainwater runoff problem in the urbanized 21st century?, Landscape and Urban Planning, Vol. 77, 2006, p. 217–226. ISSN 0169-2046.
- Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e.V.: Dachbegrünungsrichtlinien; Kolektiv autorů, dostupné na https://shop.fll.de/de/dachbegruenungsrichtlinien-2018.html
This article is focused on measurements of technical green roof materials that significantly influence the final runoff parameters of the whole roof structure. The results show the outflow from the testing devices of several commonly used materials in comparison with the new material developed in the BUT laboratories. The basic principles of measurement were used from the German standard for green roofs (known as FLL Green Roof Guidelines) with long-term experience, especially with regard to rainwater transport through the substrate layers.
