Vplyv vegetačnej strechy na priebeh povrchových teplôt hydroizolačnej vrstvy v zimnom období

Úvod

Testovanie stavebných konštrukcií s vegetačnou vrstvou je výskumnou ambíciou mnohých univerzitných pracovísk a vývojových centier vo svete [1], [2]. Testuje sa typ vegetácie vhodný pre dané podmienky, vplyv vegetačnej strechy na budovu, ulicu alebo mesto s ohľadom na zadržiavanie vody v prostredí, prehrievanie budov resp. elimináciu prejavov tzv. tepelných ostrovov. Pomocou in situ meraní na reálnych testovacích budovách, laboratórnych experimentoch so zmenšenými modelmi aj v prostredí simulačných nástrojov sa výskumníci snažia popísať správanie stavebných konštrukcií s vegetačnou vrstvou, optimalizovať ich návrh pre konkrétne podmienky použitia a predikovať ich správanie pri variantných skladbách a rôznych okrajových podmienkach [3], [4]. Výskumný projekt APVV APVV-18-0360 ACHIEve je zameraný na dlhodobé monitorovanie vegetačných striech v klimatických podmienkach mesta Košice. Na strešných terasách administratívnej budovy sa realizovali testovacie segmenty vegetačných striech s rozdielnou skladbou. Osadenie meracej infraštruktúry do jednotlivých vrstiev strechy a monitorovanie relevantných klimatických parametrov umožňuje sledovať tepelnovlhkostnú odozvu testovacích segmentov v interakcii s prostredím. Nastavenie experimentu predpokladá možnosť porovnávania nameraných dát z vegetačných segmentov s referenčným konvenčným strešným segmentom so štrkovým zásypom.

1. Charakteristika experimentálnej strechy s vegetačnými segmentami

Pre experiment bola zvolená administratívna budova firmy IZOLA Košice, s.r.o., v priemyselnej zóne mesta Košice, mestská časť Nad jazerom. Jedná sa o štvorpodlažnú budovu postavenú ako obojsmerný montovaný skelet so železobetónovými prefabrikovanými stropnými dielcami a výplňovým murivom. Pre realizáciu experimentu testovacej vegetačnej strechy bola zvolená južná terasa (Obr. 1), na ktorú je prístup zo štvrtého nadzemného podlažia. Pod strešnou terasou sa nachádza administratívny priestor.

Obr. 1 Experimentálna budova firmy IZOLA Košice, s.r.o., v Košiciach, časť Nad jazerom

Strešná konštrukcia prešla úpravou. Pôvodne plochá jednoplášťová pochôdzna strecha s obráteným poradím bola doplnením hlavnej hydroizolačnej vrstvy (PVC fólia) nad úroveň tepelnej izolácie transformovaná na strechu s klasickým poradím vrstiev (Obr. 2). Pôvodná hydroizolačná vrstva strechy následne prebrala funkciu parozábrany. V zmysle aktuálnych požiadaviek tepelnej ochrany budov bola pôvodná tepelnoizolačná vrstva z XPS doplnená o tepelnoizolačnú dosku na báze PIR hrúbky 60 mm. Súčiniteľ prechodu tepla upravenej strechy je U = 0,15 W/(m²K). Testovacia strecha bola pre účely in situ experimentov rozdelená na tri časti – testovacie segmenty, ktoré sú identické po úroveň strešnej hydroizolácie (Obr. 2). Nad úrovňou hydroizolačnej vrstvy sa experimentálna strecha rozdeľuje na:

• extenzívnu vegetačnú strechu s výškou strešného substrátu 120 mm (Testovací segment I.)
• referenčnú časť s štrkovým zásypom (Testovací segment II.)
• extenzívnu vegetačnú strechu s výškou strešného substrátu 240 mm (Testovací segment III.)

Obr. 2 Schéma testovacích segmentov experimentálnej strechy

Voľba hrúbky vegetačných substrátov zohľadňuje požiadavku pestovania vyšších rastlín s biodiverzným potenciálom (vegetácia byliniek a trávy bohaté na rozmanité druhy). Popri typickej extenzívnej vegetácii vysadenej ihneď po realizácii testovacích strešných segmentov vzniká na terasách priestor pre experimentovanie s variantnými, z hľadiska klímy mesta vhodnými typmi zelene. Na realizáciu vegetačnej strechy bolo použité systémové riešenie od firmy BAUDER so strešným substrátom Pflanzerde LBB-E (retenčný potenciál = 45 l/m², pri hrúbke 120 mm;) a retenčným elementom BAUDER RE 40 (konštantný retenčný potenciál 13,5 l/m²). Na obrázku 3 je zobrazená vegetačná strecha po roku od realizácie. Obrázky 3 a 4 zachytávajú pohľad na experimentálne segmenty v letnom resp. zimnom období.

Obr. 3 Experimentálny segment s hrúbkou substrátu 240 mm v letnom období

Obr. 4 Experimentálny segment s hrúbkou substrátu 240 mm v zimnom období

2. Experimentálne meranie

Dlhodobé in situ merania správania testovacích segmentov vegetačných striech sa realizujú ako dvojokruhové podľa schémy na obrázku 5. Prvý okruh meria a s minútovým krokom zaznamenáva pre daný experiment relevantné klimatické parametre, ktorými sú teplota a relatívna vlhkosť vzduchu, atmosférický tlak, rýchlosť a smer vetra, intenzita slnečného žiarenia, úhrn a intenzita atmosférických zrážok v lokalite mesta Košice, časť Nad jazerom. Druhý okruh prostredníctvom zabudovaných senzorov meria a s minútovým krokom zaznamenáva vybrané veličiny vo vrstvách testovacích strešných segmentov.

Obr. 5 Schéma zapojenia meracej infraštruktúry v experimentálnej streche

Namerané dáta z oboch meracích okruhov sú ukladané v cloudovom úložisku, v reálnom čase prístupné pre ďalšie analýzy. Prehľadnú kontrolu meraní a názorné zobrazenie meraných veličín v rámci experimentu sprostredkúva on line rozhranie – vizualizácia meraní. Schéma zapojenia vybraných meracích senzorov zabudovaných v experimentálnych strešných segmentoch je na obrázku 6.

Obr. 6 Schéma testovacích segmentov

3. Analýza priebehov povrchových teplôt hydroizolačnej vrstvy v zimnom období

Spracovaná bola analýza povrchových teplôt na hydroizolačnej vrstve pod štrkovou vrstvou, resp. oboma testovanými substrátmi vegetačnej skladby [5]. Dôvod na analýzu zimného obdobia pramenil z nedostatku podobných štúdií v rámci európskeho výskumného priestoru (väčšina prác je zameraná na letné obdobie). Z obdobia od 1. 10. 2020 do 1. 4. 2021 bol vybratý časový úsek 43 dní (od 7. 1. 2021 do 18. 2. 2021) s najnižšími vonkajšími teplotami vzduchu počas zimy 2020/21, kedy priemerná denná vonkajšia teplota vzduchu bola −1.42 °C s denným priemerným maximom 6.18 °C resp. minimom −9.76 °C. Kumulatívny úhrn zrážok predstavoval 118 mm, pričom sa jednalo o zmiešané a snehové zrážky. Namerané priebehy vonkajších klimatických parametrov: teplota vonkajšieho vzduchu (minútové hodnoty, resp. denné priemery), slnečná radiácia, relatívna vlhkosť vonkajšieho vzduchu (minútové hodnoty, resp. denné priemery) a úhrny atmosférických zrážok sú uvedené v prvých dvoch grafoch obrázku 7. Namerané priebehy teplôt pod štrkovou vrstvou a oboma testovanými substrátmi zobrazujú ostatné dva grafy (Obr. 7), pričom horný popisuje závislosť povrchovej teploty od času s minútovým časovým krokom. Pre lepšiu čitateľnosť uvádzame aj posledný graf na obrázku 7, ktorý popisuje tú istú závislosť prepočítanú pre denné priemery.

Počas analyzovaných 43 dní priemerná povrchová teplota pod vrstvou štrku neprekročí 0 °C (−0.65 °C) s lokálnym maximom 9.1 °C a minimom −9.07 °C. Priemerná povrchová teplota na hydroizolačnej fólii pod substrátom hrúbky 120 mm bola počas analyzovaného obdobia na úrovni 0.08 °C s lokálnym maximom 3.44 °C a minimom −2.51 °C. Podľa očakávania najviac strešnú fóliu pred kolísaním zimnej vonkajšej teploty vzduchu chráni horný vegetačný plášť s výškou substrátu 240 mm. Priemerná povrchová teplota na hydroizolačnej fólii atakuje hodnotu 1 °C a plusovú teplotu sme namerali aj pre lokálne maximum 4.5 °C resp. minimum 0.86 °C. Pre určenie lokálnych extrémov povrchových teplôt boli v analýze použité namerané dáta s časovým krokom 1 minúta.

Obr. 7 Horné dva grafy – namerané klimatické parametre (minútové hodnoty, resp. denné priemery), Dolné dva grafy – namerané teploty na hydroizolačnej vrstve (minútové hodnoty, resp. denné priemery)

Priebehy nameraných povrchových teplôt na hydroizolačnej vrstve pod skúmanými segmentami strechy počas analyzovaných 43 chladných dní sú na obrázku 8. Je možné pozorovať tlmiaci efekt vrstiev strešného plášťa nad hydroizolačnou fóliou redukujúci oscilácie teploty vonkajšieho vzduchu a ostatných nameraných klimatických parametrov. Počas obdobia bez snehových zrážok, kedy na streche nebola snehová vrstva, kopíruje priebeh povrchových teplôt pod vrstvou štrku teplotu vonkajšieho vzduchu. „Ochranný efekt“ snehovej vrstvy a redukciu výkyvov povrchových teplôt na hydroizolačnej fólii pre všetky experimentálne strešné segmenty je možné pozorovať v označených intervaloch od 25. 1. 2021, resp. 8. 2. 2021 (Obr. 8).

Obr. 8 Priebehy nameraných teplôt na hydroizolačnej vrstve počas analyzovaných 43 chladných dní a relevantné klimatické parametre pre analyzované strešné plášte počas obdobia 43 dní

Pre analýzu rozptylu povrchových teplôt na hydroizolačnej vrstve pod variantnými skladbami je vhodné použiť nástroje deskriptívnej štatistiky, ktoré umožňujú vyjadriť početnosti výskytov povrchových teplôt v analyzovanom časovom období, resp. vizualizovať ich v kontexte kvartilov. Zobrazenie hodinovej početnosti povrchových teplôt na hydroizolačnej vrstve pomocou histogramu na obrázku 9 vľavo čiastočne potvrdzuje výsledky hrubej analýzy množiny ich rozptylu. Interval teplôt nameraných pod štrkovou vrstvou pre 43dňový testovaný časový úsek predstavuje takmer 20 °C (9.1 – (−9.07)). Použitie strešného substrátu s hrúbkou 240 mm redukuje interval nameraných povrchových teplôt pod 4 °C čím zásadne minimalizuje teplotné fluktuácie v okolí hydroizolačnej fólie.

Zhodnotenie priebehov teplôt na hydroizolačnej vrstve pomocou aritmetického priemeru je veľmi nepresné. Vizualizácia množiny nameraných dát povrchových teplôt pomocou kvartilov umožňuje sledovať rozdelenie medzi dátovými súbormi bez predpokladu ich normálneho rozdelenia. Pre tento účel je vhodné použitie tzv. box plotu (Obr. 9 vpravo). Namerané teploty vonkajšieho vzduchu a povrchové teploty na hydroizolačnej vrstve experimentálnych segmentov sú na obrázku 9 vpravo ohraničené krabicou, teda spodnou a hornou hranicou I. a III. kvartilu.

Obr. 9 Zobrazenie nameraných priebehov povrchových teplôt na hydroizolačnej vrstve pomocou ich početností (histogram vľavo) a pomocou box plotu (vpravo)

Vnútri krabice je zobrazená priemerná hodnota (aritmetický priemer) a hranica II. kvartilu – hodnota mediánu. Pomocou tzv. fúzov je zobrazený najnižší udaj množiny spodného kvartilu (1.5 IQR), resp. najvyšší horného kvartilu. Odľahlé body (outliers) sú zobrazené bodkou. Vizualizácia nameraných časových závislostí pomocou prvkov deskriptívnej štatistiky precizuje pohľad na namerané dáta oproti ich štandardnému zobrazeniu a umožňuje ich skúmanie resp. vzájomné porovnávanie v širšom kontexte.

Záver

Článok sa zaoberá popisom prvej fázy rozsiahleho výskumného zámeru greenIZOLA zameraného na konverziu areálu firmy IZOLA Košice, s.r.o. Postupnou transformáciou budovy a areálu vznikajú experimentálne konštrukcie zamerané na hodnotenie energetických a environmentálnych interakcií analyzovaných systémov v konkrétnych klimatických podmienkach. Dlhodobé in situ merania sú realizované na strešnej terase transformovanej experimentálnu vegetačnú strechu. Rozsiahle experimentálne dáta umožňujú podrobné študovanie interakcií testovacích segmentov a prostredia.

Analýza nameraných dát bola zameraná na priebehy teplôt a jej oscilácie na hydroizolačnej vrstve pod variantnými skladbami horného plášťa v zimnom období. Namerané výsledky ukazujú pozitívny vplyv substrátu vegetačnej strechy na rozptyl povrchových teplôt hydroizolačnej vrstvy. Analýza ukázala, že použitie vegetačných substrátov redukuje vplyv oscilácii vonkajších klimatických parametrov, zmiernením absolútnych hodnôt povrchovej teploty a jej oscilácie, čím chráni hydroizolačnú vrstvu a podieľa sa tak na predĺžení jej životnosti. V rámci precizovania výsledkov je potrebné zaoberať sa vplyvom redukcie teplôt v strešnom plášti v celoročnom kontexte.

Poďakovanie

Výskum bol intenzívne podporený firmou Izola Košice, s.r.o. a BAUDER, s.r.o.

Projekt greenIZOLA využíva meracie komponenty od firmy AHLBORN.

Článok vznikol za podpory projektu APVV-18-0360 Aktívna hybridná infraštruktúra pre špongiové mesto a projektu Memov 2 (CZ.02.2.69/0.0/0.0/18_053/0016962).

Literatúra / zdroje

1. K.K.Y. Liu, B.A. Baskaran, Green Roof Infrastructure - Technology Demonstration, Monitoring and Market Expansion Project, National Research Council of Canada, 2004.
2. D. Zirkelbach, S.R. Mehra, K.P. Sedlbauer, H.M. Kunzel, B. Stockl, A hygrothermal green roof model to simulate moisture and energy performance of building components, Energy and Buildings 145 (2017) 79-91.
3. M. Vertal, M. Zozulak, A. Vaskova, A. Korjenic, Hygrothermal initial condition for simulation process of green building construction, Energy and Buildings 167 (2018).
4. D. Tudiwer, M. Vertal', A. Korjenic, Illustration of the heat-insulating effect of a facade greening system in a simulation., Bauphysik 41(3) (2019) 155-+.
5. M. Vertal', Z. Vranayová, A. Vargová, K. Čakyová, J. Varga, Experimentálna vegetačná strecha – greenizolaanalýza povrchových teplôt hydroizolačných vrstiev vegetačných striech v zimnom období, In. Zborník Strechy 2021, ISBN 978-80-227-5152-0 (2021).