Šikmé zelené střechy - ekologické a ekonomické výhody, pasivní vytápěcí a chladicí efekt

Shrnutí

Ve specifických klimatických oblastech Austrálie a USA jsou zelené střechy již poměrně běžné, ale z důvodu jejich pokrytí tlustou vrstvou zeminy jsou stále ještě nákladnější ve srovnání s běžnými krytinami. Systémy zelených střech z neupravované přírodní trávy a rostlin o tloušťce zeminy pouze 8 až 16 cm a sklonu střechy 5 až 30 %, tak jak jsou v současnosti používané na mnoha budovách v Evropě, hlavně v Německu, přinášejí nejenom redukci znečištění životního prostředí, úspory energie na vytápění a chlazení a snížení pronikání vysokofrekvenčního elektromagnetického vlnění, ale mohou být i ekonomicky výhodnější než běžné střechy, pokud vezmeme v úvahu celou dobu jejich předpokládané životnosti. Článek přináší přehled výhod šikmých zelených střech s malou tloušťkou zeminy oproti běžným střechám, popisuje různé "extenzivní" systémy, vysvětluje jejich fyzikální vlivy a uvádí příslušné rostliny pro jednotlivá řešení. Také jsou uvedeny výsledky výzkumného projektu, ve kterém byl měřen chladící efekt v létě a tepelný efekt v zimě na zelené střeše v Německu.

1. Úvod

V centrech velkých měst můžeme sledovat několik negativních vlivů způsobených nepropustností povrchu, hustotou zástavby, provozem a vytápěním budov: nárůst znečištění a snížení obsahu kyslíku ve vzduchu, zvýšená teplota okolního vzduchu a oblaka prachu nad městem.

Je dobře známo, že zelené parky, husté stromy v ulicích a jiné zelené plochy ve městech značně redukují tyto negativní vlivy. Optimalizované zelené střechy popsané v následujícím textu, se zelenou listovou plochou 5 až 10krát větší než je plocha zeleného parku, jsou mnohem efektivnější z ekonomického hlediska pro vytvoření lepších životních klimatických podmínek ve městech. Kromě těchto výhod pro mikroklima měst zde jsou i pozitivní vlivy pro uživatele budov se zelenými střechami.

Nejdůležitější jsou:

• Chladící efekt v létě
• Zadržování tepla v zimě
• Prodloužení životnosti střechy

2. Fyzikální funkce zelených střech

2.1 Chladící efekt v létě

Prostup tepla skrze střechu z vnějšího prostředí do vnitřního může být zelenou střechou zredukován na více než 90 %. Měření v Německu v létě ukazují, že v extrémně teplých obdobích s denní teplotou 35°C teplota na spodní straně zelené střechy nikdy nepřesáhne 25°C.

Na Obr. 1 je ukázán průběh teplot existující zelené střechy v Německu s 16 cm vrstvou zeminy a divokou trávou během podzimních měsíců. Když teplota vzduchu dosáhla 30°C, teplota na spodní straně zelené střechy byla pouze 17,5°C.

Tento chladící efekt je vyvoláván hlavně odpařováním vody a stínícím efektem vegetace, ale také schopností odrážet sluneční záření, spotřebou energie na proces fotosyntézy a tepelnou akumulací vlastní zadržované vody.

Obr. 1 Teploty zelené střechy v Kasselu, Německo, během podzimu

2.2 Zadržování tepla v zimě

Jestliže vegetace vytváří tlustou vrstvu jako kožešina, tak zvyšuje efektivně tepelně izolační vlastnosti. Na Obr. 2 je znázorněn průběh teploty během jednoho lednového týdne stejné střechy jako z Obr. 1. Když teplota vzduchu dosáhla -14°C, tak teplota pod 16 cm zeminou byla pouze 0°C.

Tento efekt způsobuje hlavně tepelně izolační vliv vzduchové vrstvy uvnitř vegetace a fakt, že studený vítr nemůže pronikat k povrchu zeminy. Určitý tepelný zrcadlový efekt má hmota vrstvy zeminy, odraz infračerveného záření z budovy rostlinami a produkce tepla při vzniku ranní rosy (kondenzace 1 g vody uvolňuje 530 kalorií tepla).

Obr. 2 Teplota zelené střechy v Kasselu, Německo, během zimy

2.3 Zpomalení odtoku srážek

Podle Německé normy DIN 1986 zelená střecha s 10 cm zeminy uvolňuje pouze 30 % srážek, zbytek je zadržen a odpařen. To může znamenat značnou redukci dimenzí kanalizačního systému. Ale mnohem důležitější je zpomalení odvodu srážkové vody. Obr. 3 znázorňuje množství odtékající vody ze zelené střechy s 14 cm substrátu a 12° sklonem po 18 hodinách trvajícím dešti. Odtok začal až po 12 hodinách deště a pokračoval 21 hodin po skončení deště. [2]

Obr. 3 Množství srážek (rainfall) a odtok (drain) šikmé zelené střechy po 18 hodinovém
dešti v září 1989 v Kasselu, Germany [2]

2.4 Pohlcování hluku

Zatímco vegetace zelené střechy absorbuje hluk pouze do 2-3 dB, zemina působí jako silná akustická bariéra. Vlhká zemina tloušťky 12 cm snižuje prostup hluku o 40 dB. Vrstva zeminy 20 cm silná dokonce o 46 dB.

2.5 Požární odolnost

V Německu jsou zelené střechy počítány mezi "solid" střešní krytiny což znamená, že nehoří a jsou požárně odolné, pokud vrstva zeminy je nejméně 3 cm silná.

2.6 Stínící efekt pro střešní izolaci

Izolace jako asfaltové nebo dehtové střešní lepenky, asfaltové či dřevěné šindele, dřevěné desky nebo plastové fólie degenerují vlivem uv-záření a velkých teplotních změn.

To je eliminováno pokrytím substrátem a vegetací, a proto zelené střechy, pokud jsou dobře navržené mají extrémně dlouhou životnost a nepotřebují skoro žádné opravy.

2.7 Stínění proti vysokofrekvenčnímu elektromagnetickému záření

Zelená střecha s 16 cm substrátem a přírodní trávou snižuje záření v rozsahu 2 GHz, ve kterém pracuje většina mobilních telefonů, o 24 decibelů, což koresponduje 99 %. V kombinaci s 24 cm tlustou nepálenou cihlovou klenbou (green/earth bricks) je dosaženo snížení 99,999%, viz. křivka 1 a 2 na Obr. 4.

Obr. 4 Stínící efekt různých stavebních materiálů proti vysokofrekvenčnímu elektromagnetickému záření

Legenda k obrázku 4: insulation = izolace, loam plaster = hliněná omítka, lime plaster = vápenná omítka, loam = hlína, porous concrete = pórobeton, hollow bricks = duté cihly, lime-sand-stone = vápenec, tile = taška, aluminium sunshade = hliníková sluneční clona, metal insect grid = kovová síť proti hmyzu, double glazing gold film covered = dvojsklo s pokovením

2.8 Význam velikosti listové plochy

Pozitivní efekty zelených střech jsou tím větší, čím hustší a silnější je vrstva vegetace. To obvykle souvisí s velikostí její listové plochy. Průzkum BRI (Biotechnology research institute) ukázal, že běžný parkový trávník v Německu s průměrnou výškou 5 cm má okolo 9 m² listové plochy na 1 m² plochy parku, zatímco mírně šikmá střecha s hustým porostem neupravované trávy má v létě až 100 m² listové plochy. Tyto hustoty vegetace může být dosaženo v středoevropském klimatu pouze když je tloušťka substrátu 12-16 cm a sklon střechy 5 až 40 % (3 až 22°). Ale například hustota porostu z rozchodníku na 8 cm substrátu dosahuje pouze 2,4 m² listové plochy. [3, 4, 5]

3. Systémy, návrhová hlediska

3.1 Všeobecně

Zelené střechy bez sklonu potřebují buď více než 30 cm substrátu, nebo speciální vrstvu pro drenáž.. V prvním případě vegetace roste výše, vyžaduje péči a obvykle zálivku a hnojení - tyto střechy se nazývají "intenzívní" zelené střechy a nejsou zde pojednávány. Pokud má substrát tloušťku pouze 3 až 16 cm, je třeba speciální vegetaci, která je odolná suchu a v chladných oblastech i mrazu: tedy např. divokou/neupravovanou trávu nebo byliny či speciální druhy rozchodníků a netřesků. Tyto druhy zelených střech se nazývají "extenzivní", nepotřebují žádnou péči a nabízejí velmi ekonomická řešení.

3.2 Vliv sklonu

Výhodou šikmých zelených střech je, že nepotřebují speciální drenážní vrstvu, když sklon je větší než 5% (3°). Ale při svažitosti větší než 20 až 30% (11 až 17°) jsou nutné zábrany nebo jiné prostředky proti tomu, aby substrát nesklouzával po střeše dolů. Také práce na takovémto svahu je obtížnější.

3.3 Vliv tloušťky substrátu

Extensivní zelené střechy, které nepotřebují péči musí mít substrát o tloušťce ne větší než 18 až 18 cm s malým množstvím živin. Jinak vegetace přerůstá, stává se citlivá na vítr a sucho a nemusí přežít, nebo vyžaduje péči a údržbu jako "intenzivní" střechy.

Kvůli tloušťce substrátu a klimatickým podmínkám musí být používány různé druhy rostlin.

V centrální a severní Evropě je klima umožňující šikmé střechy s pouze 3 cm substrátu. V tomto případě jsou druhy mechů a rozchodníků schopné přežít pokud jsou dostatečně odolné proti suchu a mrazu.

Samozřejmě nemohou vytvořit hustou a silnou zelenou vrstvu a proto mají velmi malý pozitivní vlivy z hlediska pasivního vytápění a chlazení.

Se substrátem tloušťky 5 až 10 cm směs druhů rozchodníků a allia (česneku, pažitky) spolu s divokou trávou jako je poa compressa (lipnice smáčknutá), poa pratensis angustifolia (lipnice luční tenkolistá), festuca vivipara (kostřava vivipara) a bromus tectorum (sveřep střešní) vytvářejí docela hustý porost.

Největší tloušťky porostu s nejlepším efektem pasivního vytápění a chlazení a také životností střechy je dosaženo při 14 až 16 cm tlusté vrstvě substrátu porostlého divokou trávou jako festuca rubra genuina (kostřava červená genuina) , festuca rubra commutata (kostřava červená trsnatá), festuca ovina (kostřava ovčí), festuca scoparia (kostřava medvědí), poa pragensia (lipnice luční) spolu s allium schoenoprasum (pažitka pobřežní), thymus pulegioides (mateřídouška vejčitá), thymus serphyllum (mateřídouška obecná). [3, 4, 5]

Obvyklý substrát je směs ornice s 50 % lehkého kameniva jako je pemza, struska, expandované jíly nebo expandované břidlice o objemové hmotnosti okolo 1000 kg/m³ (10 kN/m³) ve vlhkém stavu, ale pokud je přimíchávám písek nebo štěrk je objemová hmotnost až 2000 kg/m³.

3.4 Vliv orientace a sklonu

Musí se brát v úvahu, že šikmé střechy orientované ke slunci vysychají mnohem rychleji než málo sklonité, částečně zastíněné nebo osluněné pouze pod přímým úhlem.

4. Prvky

4.1 Všeobecně

Základními prvky šikmých "extenzívních" zelených střech jsou: vodotěsná a kořenům odolávající izolace, substrát a vegetace.

4.2 Izolace

Izolace pod kořeny vegetace musí být absolutně vodotěsná a odolná proti agresivním kořenům a humidním kyselinám. Na evropském trhu je několik materiálů s certifikovanými vlastnostmi, hlavně se používají polyesterové textilie potažené PVC a textilie ze skelných vláken s polyolefinovým potahem. Spoje jsou svařovány teplám vzduchem a mohou být navíc utěsněny roztálým plastem. Asfaltové střešní materiály nejsou odolné proti prorůstání kořeny. Některé kořeny žijí v symbióze ze speciálními mikroorganismy, které rozpouští asfalt a používají ho jako výživu.

4.3 Substrát

V případě malých sklonů 5 až 10 % se obvykle dává pod substrát drenážní systém. To může být vrstva tloušťky 4-8 cm z expandované keramiky nebo podobného kameniva frakce 4-8 mm nebo speciální pórovitý materiál s drenážními drážkami. Strmější střechy drenážní vrstvu nevyžadují, pokud je použit substrát s určitou drenážní kapacitou.

Substrát musí být schopen zadržovat i odvádět vodu, měl by mít dostatek vzduchových pórů a menším obsahem živin. Obvykle je ornice smíchána s lehkým kamenivem jako je pemza, struska expandované kameniva nebo expandované jíly. Pokud není důležitá hmotnost, tak i písek a štěrk mohou být použity. Tloušťka vrstvy musí odpovídat typu vegetace a klimatickým podmínkám.

V evropském klimatu postačuje obvykle 14-18 cm substrátu pro udržení vody, protože období bez jakéhokoli deště normálně nepřesahuje 6 týdnů (v případě suššího klimatu musí být použít zavlažovací systém nebo speciální vegetace).

Tloušťka větší než 16 to 18 cm není pro extenzivní zelené střechy doporučována. Při větších tloušťkách substrátu tráva a rostliny dorůstají větší výšky, což způsobuje problémy při silnějším větru a déletrvajícím suchu. Výsledkem může být, že vegetace uhyne, alespoň částečně. Stejný negativní efekt byl pozorován u substrátů s vysokým obsahem živin.

4.4 Vegetace

Vegetace musí být odolná proti náročným klimatickým podmínkám jako je sucho, silný vítr a v mnoha oblastech také proti mrazu. Čím tenčí je vrstva substrátu, tím více musí být vegetace odolná proti suchu. Různé druhy vegetace pro různá klima byly již popsány v kapitole 3.3.

5. Životnost, náklady

Průzkum provedený v Německu ukázal, že extenzivní zelené střechy s malým sklonem cca 5-10 % jsou sice dražší než normální ploché střechy s asfaltovou hydroizolací a štěrkovou ochranou vrstvou, jestliže se vezme v úvahu jejich životnost, jsou mnohem ekonomičtější. Náklady na opravu a údržbu tradičních střech po 30 - 50 letech přináší asi dvojnásobné náklady jako zelené střechy.

Životnost dobře navržené zelené střechy může být mnohem více než 100 let.

6. Závěr

V Německu byly za posledních 25 let postaveny stovky zelených střech jak pro privátní domy, tak pro veřejné stavby (Obr. 5-7). V některých územních plánech jsou v současnosti pro novou zelené střechy povinné, protože bylo zjištěno, že tato výstavba se zelenými střechami nezlepšuje pouze mikroklima, ale také snižuje náklady na odvod dešťových/kanalizačních vod. Kromě toho, také šetří náklady na vytápění a chlazení a zlepšuje vnitřní mikroklima pro obyvatele. U veřejných budov je uváděno, že zelené střechy výrazně snižují náklady na údržbu.

Obr. 5 Privátní domy se šikmými zelenými střechami v Siegenu, Německo
(architekt: Jürgen Christ)

Obr. 6 Mateřská škola ve Wennigsen-Sorsum, Německo (architekt: Gernot Minke)

Obr. 7 Osada v Düsseldorfu, Německo (architekti: Bookhoff a Rentrop)

Literatura

[1] W. KOLB and T. SCHWARZ Dachbegrünung intensiv und extensiv, Stuttgart, Germany, 1999.
[2] L. KATZSCHNER Ergebnisse des Versuchs zur Abflußmessung eines Grasdachs, unpublished report, Universität of Kassel, 1999.
[3] G. MINKE Dächer begrünen, Staufen, Germany 3rd edition 2006.
[4] G. MINKE Zelené střechy, HEL 2001
[5] G. MINKE Zöldtetök, Budapest 2002

Přeloženo z anglického originálu - překlad Ing. Josef Knob (TZB-info)

Originál článku ve formátu PDF