Dvouplášťové střechy II

Rekonstrukce nevětrané dvouplášťové ploché střechy

V praktickém životě se můžeme zejména u starších objektů někdy setkat i s původními nevětranými dvouplášťovými plochými střechami. Konstrukce těchto střech může mít různý charakter, takže je velmi obtížné stanovit zásady pro jejich rekonstrukci. V těchto starších objektech bylo velmi často užíváno lokální vytápění (kamny), které je dnes postupně nahrazováno ústředním vytápěním a původní dřevěná okna se dnes postupně vyměňují za nová, relativně těsná okna. Přirozená výměna vzduchu, která v těchto budovách v minulosti zajišťovala i snižování jeho vlhkosti, zpravidla dobře fungovala díky infi ltraci vzduchu původními relativně netěsnými okny a díky komínovému efektu připojených lokálních topidel. Ačkoli v řadě těchto starších objektů proto mohla původní nevětraná dvouplášťová střecha vydržet s nezbytnými opravami a údržbou vodotěsné izolace po řadu let, v důsledku uvedených stavebních úprav, změn ve vytápění a ve způsobu užívání objektu může dojít i bez zásahu do konstrukce střechy k jejím závadám způsobeným například z titulu difuze vodní páry a poddimenzované tepelné izolace.

Pro návrh rekonstrukce takových střech je možné alternativně využít zásad pro převod větrané dvouplášťové střechy na střechu nevětranou, které jsou uvedeny v předchozí části, a to s výrazným předimenzováním dodatečné tepelné izolace.

Přeměna jednoplášťové ploché střechy na větranou dvouplášťovou plochou střechu

Někdy se můžeme setkat s tím, že se z různých důvodů navrhne a investičně náročnou rekonstrukcí z původní jednoplášťové ploché střechy následně vytvoří větraná (někdy dokonce i nevětraná) dvouplášťová střecha. Nutným předpokladem k tomu, aby byla tato rekonstrukce úspěšná a dlouhodobě spolehlivá, je i zde naprosto profesionální návrh a pečlivá realizace. Zdánlivě se jedná o zcela jednoduchou záležitost: nad stávající jednoplášťovou plochou střechou se provede například nová nosná konstrukce horního pláště s dřevěným bedněním a s novou vodotěsnou izolací. Výsledkem tohoto řešení je nejen zásah do architektonického vzhledu budovy, ale často i zdroj problémů v blízké či vzdálené budoucnosti.

K úvaze o rekonstrukci stávající jednoplášťové ploché střechy na větranou dvouplášťovou střechu totiž vždy vedou poruchy původní střechy. Při návrhu přeměny je třeba vzít v úvahu, že:

• do stávajícího střešního pláště zatéká a že je tedy v souvrství tohoto střešního pláště vždy určité množství zateklé vody;
• tepelná izolace stávajících jednoplášťových střech je z dnešního pohledu vždy poddimenzovaná;
• další skutečností může být i záporná bilance vlhkosti - tedy že se ve střešním plášti může hromadit difundující vlhkost, která se během roku nestačí odpařit.

Zásady přeměny jednoplášťové ploché střechy na střechu dvouplášťovou

Z výše uvedených důvodů by měla být vždy provedena větraná dvouplášťová střecha. Musí být zajištěno, aby se ze stávajícího souvrství střešního pláště mohla postupně odvětrat zateklá voda nebo zkondenzovaná vlhkost, která by mohla u nevětrané dvouplášťové střechy časem znehodnotit nejen novou tepelnou izolaci, ale mohla by být i zdrojem dalších problémů.

Nezbytnou podmínkou pro přeměnu jednoplášťové střechy na střechu dvouplášťovou je možnost přitížení nosné konstrukce stávajícího střešního pláště (včetně navazující svislé nosné konstrukce objektu) konstrukcí nového dodatečného horního pláště.

Je nutné si uvědomit, že povrch stávající jednoplášťové ploché střechy tvoří vodotěsná izolace (zpravidla původní souvrství asfaltových lepenek s nátěry asfaltem za horka spolu se souvrstvím asfaltových natavitelných pásů) v tloušťce řádově až několika centimetrů, obvykle s různě velkým množstvím zateklé nebo zkondenzované vody. Toto hydroizolační souvrství má obvykle velmi vysoký difuzní odpor. V zásadách pro návrh nové větrané dvouplášťové střechy bylo uvedeno, že tepelná izolace položená na dolním plášti dvouplášťové střechy nesmí být zakryta vodotěsnou izolací s velkým difuzním odporem. Z tohoto pohledu se proto zdá být vhodným řešením u přeměny původní jednoplášťové střechy na střechu dvouplášťovou perforace stávající vodotěsné izolace (nebo její úplné odstranění) - perforací stávající hydroizolace by se výrazně podpořilo vysychání zateklé vody nebo naakumulované vlhkosti ze souvrství původního střešního pláště do větrané vzduchové vrstvy nové dvouplášťové střechy. Potřebu perforace původní hydroizolace však může ovlivnit jak vlhkostní stav a provedení původního střešního pláště, tak existence parozábrany:

• pokud ve stávajícím souvrství střešního pláště není položena parozábrana, může zateklá nebo zkondenzovaná voda i při provlhlém souvrství střešního pláště po jeho doteplení postupně vysychat do interiéru. Při výraznější nové tepelné izolaci se pak neperforovaná původní hydroizolace dostává do polohy parozábrany;
• pokud ve stávajícím souvrství střešního pláště je položena parozábrana, zdá se být lepším řešením perforovat původní hydroizolaci s podmínkou doteplení střechy vhodnou dodatečnou tepelnou izolací. Zateklá nebo zkondenzovaná voda ve stávajícím střešním plášti však může při svém úniku do větrané vzduchové vrstvy (dočasně) znehodnotit novou tepelnou izolaci. V případě, že bychom se rozhodli neperforovat původní hydroizolaci, zůstane zateklá nebo zkondenzovaná vlhkost dlouhodobě zabudovaná ve stávajícím souvrství střešního pláště a bude pozvolna vysychat jen difuzí skrz původní parozábranu a původní vodotěsnou izolaci. Difuzní parametry asfaltových pásů používaných v minulosti jako parozábrany jsou z tohoto pohledu naštěstí příznivější, než je tomu u kvalitních parozábran používaných v současnosti.

Nezbytnou podmínkou pro případné provedení perforace stávající hydroizolace je vzduchotěsnost původního souvrství střešního pláště.

Bude-li sondami zjištěno, že je stávající souvrství střešního pláště suché, nebude pravděpodobně nutné původní hydroizolaci perforovat, s podmínkou nutného doteplení původního střešního pláště a to ať je či není v souvrství původního střešního pláště parozábrana.

Pokud se stávající hydroizolace perforuje, je třeba zohlednit tuto úpravu i v tepelně technických výpočtech. Většinou se pro perforovanou hydroizolaci používá ekvivalentní difuzní tloušťka s_d = max. 0,27 m. Tato hodnota je dle profesora Mrlíka (Mrlík, F.: Difuzní konstanty některých stavebních látek a konstrukcí. VÚPS Praha - pracoviště Gottwaldov 1980) při podílu plochy otvorů nad 1 % nezávislá na druhu materiálu (z této hodnoty s_d lze zpětně vypočítat faktor difuzního odporu perforované vodotěsné izolace).

Provedením nového horního pláště dvouplášťové střechy však bude zcela odstraněn pozitivní vliv slunečního záření na vysychání střešního pláště, protože stávající povrch původní jednoplášťové ploché střechy bude zakryt tímto novým horním pláštěm. Tento nedostatek však může být při správném návrhu větrané dvouplášťové střechy vyvážen například perforováním či odstraněním stávající vodotěsné izolace a odvětrávanou vzduchovou vrstvou. U střech, v nichž se stávající hydroizolace neperforuje, funguje podobně pozitivně výraznější zateplení střechy - podmínkou je ovšem výchozí stav bez naakumulované vlhkosti ve střešním plášti.

Téměř vždy je nutné doplnit tepelnou izolaci stávajícího střešního pláště (tj. položit novou dodatečnou tepelnou izolaci na upravený horní povrch stávající jednoplášťové ploché střechy, která bude tvořit dolní plášť nové větrané dvouplášťové střechy), a to ze dvou důvodů:

• stávající střešní plášť zpravidla nikdy nevyhoví požadovaným hodnotám součinitele prostupu tepla U_N, které stanovuje platná norma ČSN 73 0540-2:2007;
• touto dodatečnou tepelnou izolací se v původním souvrství střešního pláště příznivě změní bilance vlhkosti.

Výška větrané vzduchové vrstvy by neměla být menší než 250 mm. Zpravidla bude nutné tepelně doizolovat původní atiku, která bude tvořit obvodovou stěnu vzduchové vrstvy nově vytvořené dvouplášťové střechy. Pokud bude sondami zjištěna vyšší vlhkost ve stávajícím souvrství střešního pláště (což je při závadách původní střechy téměř pravidlem), nemělo by však tvořit horní plášť nově vytvořené dvouplášťové střechy dřevěné bednění. Téměř vždy dojde ke změně architektonického vzhledu budovy, protože větraná dvouplášťová střecha má větší stavební výšku než původní střecha.

Z výše uvedených důvodů musí být přeměna jednoplášťové střechy na střechu dvouplášťovou řešena vždy alespoň zjednodušenou projektovou dokumentací s nezbytnými tepelně technickými výpočty.

Tepelně technické posouzení větrané dvouplášťové ploché střechy

Při kompletním tepelně technickém posouzení větraných dvouplášťových plochých střech je nutné provést jak posouzení dolního (vnitřního) pláště z hlediska požadavků ČSN 73 0540-2:2007 na vnitřní povrchovou teplotu, na součinitel prostupu tepla a na šíření vodní páry, tak posouzení větrané vzduchové vrstvy z hlediska požadavků na maximální relativní vlhkost a na vnitřní povrchovou teplotu horního (vnějšího) pláště.

Zatímco posouzení dolního pláště se provádí v projekční praxi zcela běžně, s posouzením větrané vzduchové vrstvy a horního pláště tomu tak není. U střech s masivní nosnou konstrukcí nad běžnými provozy to nemusí nutně vést k rizikovému návrhu, ale zásadní chybou je toto opomenutí například u střech s lehkými dolními plášti (neblaze proslulé tepelně izolační podhledy) a u střech budov s vlhkým interním mikroklimatem.

Výpočtové ověření větraných dvouplášťových plochých střech je sice možné provádět i ručně, ale vzhledem k časové náročnosti tohoto výpočtu je podstatně vhodnější využít specializované programy, jakými jsou např. Teplo a Mezera. Modelové použití těchto programů při hodnocení návrhu dvouplášťové střechy (obr. 10.4) umožní názorně ukázat jednotlivé kroky výpočtu.

Obr. 10.4 Schéma větrané dvouplášťové střechy

Hodnocená střešní konstrukce je umístěna nad prostorem s návrhovou teplotou vnitřního vzduchu 20,6 °C a relativní vlhkostí 50 % (jedná se tedy o běžný provoz bytové či občanské výstavby). Budova se nachází v Praze - návrhová venkovní teplota v zimním období je tedy -13 °C a relativní vlhkost venkovního vzduchu 84 %. Vzhledem k tomu, že jde o ilustrativní příklad metodiky výpočtu, jsou parametry materiálů uvažovány jen hodnotami typickými pro určitou kategorii stavebních výrobků, tedy pouze orientačně, bez zohlednění vlastností konkrétních výrobků. Za povšimnutí stojí ještě zadání okrajových podmínek, zvláště pak tepelného odporu při přestupu tepla na vnější straně spodního pláště. V případě dvouplášťových střech se totiž tato hodnota uvažuje shodná s hodnotou tepelného odporu při přestupu tepla na vnitřní straně, tj. 0,1 m².K/W (namísto jinak obvyklé hodnoty 0,04 m².K/W).

V prvním kroku posouzení je třeba ověřit kvalitu návrhu dolního pláště. Vstupní data, která je nutné zadat do programu Teplo, ukazuje přehledně obrázek 10.5. Z výsledků výpočtu vyplývá, že:

• součinitel prostupu tepla střešní konstrukce je 0,15 W/(m².K) - střecha tedy splňuje požadavek ČSN 730540-2, protože vypočtená hodnota součinitele prostupu tepla je nižší než požadovaných 0,24 W/(m².K);
• nejnižší vnitřní povrchová teplota v ploše konstrukce je 19,3 °C, čemuž odpovídá nejnižší teplotní faktor f_Rsi = 0,963 - konstrukce splňuje i v tomto případě požadavek ČSN 73 0540-2, protože vypočtený teplotní faktor je vyšší než požadovaných 0,794 pro předpoklad tlumeného vytápění s poklesem výsledné teploty do 5 °C (zde je ovšem nutné upozornit, že toto hodnocení platí pouze pro základní plochu konstrukce mimo tepelné mosty a vazby; v místech tepelných mostů je nutné ověřit splnění požadavku výpočtem dvourozměrného teplotního pole);
• v dolním plášti nedochází ke kondenzaci vodní páry - konstrukce tedy splňuje i poslední požadavek ČSN 73 0540-2 na dolní plášť, tj. požadavek na šíření vodní páry.

V druhém kroku výpočtu je nutné ověřit větranou vzduchovou vrstvu a horní plášť střešní konstrukce. Pro toto posouzení je nutné použít program Mezera a zadat vstupní data uvedená na obrázku 10.6. Z výsledků výpočtu v tomto případě vyplývá, že:

• relativní vlhkost vzduchu proudícího ve větrané vzduchové vrstvě φ_cv se pohybuje od 78 % do 84 % - konstrukce tedy i v tomto případě splňuje požadavek ČSN 73 0540-2, neboť vypočtená relativní vlhkost je nižší než požadovaných 90 % (výpočet bylo nutné provést pro předpoklad bezvětří, tj. s nulovou rychlostí větru, protože i pro tyto podmínky má být požadavek ČSN 730540-2 splněn);
• vnitřní povrchová teplota horního pláště θ_se se pohybuje od -12,2 do -13,0 °C, přičemž její teplotní faktor činí f_Rsi = 0,659, což znamená, že i poslední požadavek ČSN 73 0540-2 je splněn, protože vypočtený teplotní faktor vnitřního povrchu horního pláště střechy je vyšší než jeho požadované hodnoty, které se pohybují od -1,987 do 0,026 (stanovení požadavku na teplotní faktor horního pláště je poněkud obtížnější - program Mezera nicméně tyto hodnoty určuje automaticky současně s výpočtem).

Z výsledků posouzení tedy celkově vyplývá, že modelová větraná dvouplášťová plochá střecha splňuje všechny požadavky ČSN 73 0540-2 jak na dolní plášť, tak na větranou vzduchovou vrstvu a horní plášť.

Uvedený závěr platí samozřejmě mimo místa tepelných mostů a vazeb, která v tomto modelovém výpočtu nebyla vůbec hodnocena. Pro detailní ověření návrhu střechy by bylo ještě nutné vyhodnotit rozložení teplot a částečných tlaků vodní páry v detailech střechy (např. v atice) s pomocí numerického řešení dvourozměrného teplotního a tlakového pole. Z výsledků těchto výpočtů by pak bylo možné ověřit, zda detaily splňují požadavek ČSN 73 0540-2 na vnitřní povrchovou teplotu a na šíření vodní páry.

Obr. 10.5 Vstupní data pro posouzení dolního (vnitřního) pláště střechy

Obr. 10.6 Vstupní data pro posouzení větrané vzduchové vrstvy a horního (vnějšího) pláště střechy

Pozornější čtenář si pravděpodobně všiml (a možná se i přesvědčil rychlým výpočtem), že v modelové dvouplášťové střeše na obrázku 10.4 není dodržena doporučená maximální hodnota součinitele prostupu tepla horního pláště 2,7 W/(m².K). V tomto konkrétním případě však nejde o kritickou závadu v návrhu střechy, protože horní plášť je poměrně masivní a má přijatelnou tepelnou setrvačnost. Jeho reakce na výměnu tepla sáláním s oblohou během jasných chladnějších nocí proto nebude tak rychlá jako u lehkých horních plášťů. Teplo naakumulované v masivnějším horním plášti bude zpomalovat jeho chladnutí a kondenzát, který se na lehkých horních pláštích s nedostatečným tepelným odporem vytvoří velmi rychle, se v tomto případě buď díky zpoždění nevytvoří vůbec, nebo jen v minimální míře. Nicméně malé zvýšení tepelného odporu horního pláště by i v tomto případě vedlo k bezpečnější funkci střechy.

Poslední poznámka na závěr se týká samostatného komplexního posouzení horního pláště dvouplášťové střechy. V modelovém příkladu se horní plášť hodnotil jen částečně, tedy jen z hlediska své vnitřní povrchové teploty, což byl jeden z výsledků výpočtu tepelně vlhkostního chování větrané vzduchové vrstvy. Podobný přístup je zcela běžný a v naprosté většině případů neznamená žádnou chybu. Samostatný tepelně technický výpočet horního pláště by byl totiž nutný jedině v případě, pokud by difundující vlhkost mohla ohrozit jeho konstrukci. Do takového výpočtu by se pak dosadily vnitřní okrajové podmínky odvozené z výsledků výpočtu větrané vzduchové vrstvy - konkrétně hodnoty teploty a relativní vlhkosti zjištěné u odváděcího otvoru vzduchové vrstvy. Hodnota odporu při přestupu tepla na vnitřní straně horního pláště by se uvažovala 0,1 m².K/W, zatímco na vnější straně by se jednalo o obvyklou hodnotu 0,04 m².K/W.

Tepelně technické posouzení nevětrané dvouplášťové ploché střechy

S nevětranými dvouplášťovými střechami se lze nejčastěji setkat při rekonstrukcích starších větraných dvouplášťových střech. Následující modelový příklad ukazuje mimo jiné i některá úskalí tohoto procesu - od počátečního, nepříliš dobrého návrhu po fi nální variantu.

Pro stávající větranou dvouplášťovou střechu bylo vyprojektováno zateplení horního pláště a atiky spojené s uzavřením stávajících větracích otvorů. Sondami bylo přitom ověřeno, že vlhkosti materiálů ve střešním plášti jsou na běžné rovnovážné úrovni. Výsledná skladba střechy byla původně navržena takto (shora):

• hydroizolační fólie mechanicky kotvená (průměrně čtyřmi kusy upevňovacích prvků ze zušlechtěné uhlíkové oceli o průměru 6,1 mm v 1 m²);
• desky z minerální vlny tl. 100 mm;
• stávající hydroizolace (asfaltové pásy tl. 8 mm) perforovaná otvory o průměru 50 mm v rozteči 500 mm;
• železobetonový panel tl. 150 mm položený na obvodových stěnách (v níže ležící tepelné izolaci tedy nejsou žádné tepelné mosty vytvořené nosnou konstrukcí pro horní plášť);
• uzavřená vzduchová vrstva průměrné tl. 250 mm (minimálně 200 mm, maximálně 300 mm);
• rohože z minerální vlny tl. 100 mm;
• železobetonová deska tl 190 mm.

Tepelně technické hodnocení podobných skladeb se provádí zcela shodně jako posouzení běžných jednoplášťových střech. Celá skladba se tedy uvažuje jako jedno souvrství, a to bez ohledu na to, že konstrukčně jde o dvě samostatná souvrství oddělená vzduchovou vrstvou. Hodnotí se splnění všech běžných požadavků, tedy požadavků na nejnižší vnitřní povrchovou teplotu, na součinitel prostupu tepla a na šíření vodní páry.

V případech, kdy má uzavřená vzduchová vrstva v původní skladbě střechy výrazně proměnnou tloušťku, je vhodné posoudit skladbu ve dvou mezních řezech: v místě nejmenší a v místě největší tloušťky vzduchové vrstvy. Ve zbylých případech většinou postačí posoudit skladbu jen pro průměrnou tloušťku vzduchové vrstvy - tento přístup byl použit i v tomto modelovém příkladu.

Samotné výpočty je možné provést např. programem Teplo, do kterého je třeba zadat údaje zobrazené přehledně na obrázku 10.7. Použité okrajové podmínky odpovídají lokalitě Olomouc a rekonstrukci staršího bytového objektu na současný standard tepelné ochrany budov (2008). Parametry materiálů jsou uvažovány jen standardními normovými hodnotami pro určitou kategorii stavebních výrobků.

V zadání bylo zohledněno několik důležitých faktorů:

• vliv mechanického kotvení (zadáno podle ČSN EN ISO 6946 jako přirážka k součiniteli prostupu tepla zohledňující vliv systematických tepelných mostů; postup výpočtu ukazuje příklad v kapitole 6.4 o lehkých jednoplášťových plochých střechách);
• vliv perforace původní hydroizolace (zadáno prostřednictvím sníženého faktoru difuzního odporu této vrstvy; pomocný výpočet ukazuje obrázek 10.8);
• vliv uzavření původně větrané vzduchové vrstvy (podle ČSN EN ISO 6946 a ČSN EN ISO 13788 se projeví v hodnotě tepelné vodivosti a faktoru difuzního odporu této vrstvy - obě hodnoty jsou závislé mimo jiné i na její tloušťce).

K uváděným hodnotám jsou v programu k dispozici pomocné výpočty, stejně tak však lze hodnoty stanovit ručním výpočtem podle příslušných norem.

Z výsledků výpočtu vyplývá, že:

• součinitel prostupu tepla střešní konstrukce je 0,25 W/(m².K) - konstrukce tedy těsně nesplňuje požadavek ČSN 73 0540-2 (vypočtená hodnota součinitele prostupu tepla je vyšší než požadovaných 0,24 W/(m².K));
• nejnižší vnitřní povrchová teplota v ploše konstrukce je 18,5 °C, čemuž odpovídá nejnižší teplotní faktor f_Rsi = 0,940 - konstrukce v tomto případě normový požadavek splňuje, protože vypočtený teplotní faktor je vyšší než požadovaných 0,807 pro předpoklad tlumeného vytápění s poklesem výsledné teploty do 5 °C (uvedené hodnocení platí pouze pro základní plochu konstrukce mimo tepelné mosty a vazby - v nich je nutné splnění požadavku ověřit výpočtem vícerozměrného teplotního pole);
• ve střešním plášti dochází ke kondenzaci vodní páry při venkovních teplotách nižších než 5 °C - za rok může zkondenzovat až 40 g/m² vodní páry, a to hlavně na spodním líci horního pláště střechy. Kondenzát se sice může relativně snadno odpařit (množství odpařitelné vodní páry za rok je až 88 g/m²), ale přesto se jedná o rizikové vlhkostní chování, protože kondenzát může odkapávat do původní tepelné izolace a dále ji poškozovat.

Obr. 10.7 Vstupní data pro posouzení nevětrané dvouplášťové střechy

Obr. 10.8 Výpočet faktoru difuzního odporu pro hydroizolaci porušenou otvory

Vzhledem k tomu, že jeden požadavek ČSN 73 0540-2 splněn není a další je splněn jen s výhradami, je nutné skladbu upravit. Potřebná úprava se sice může omezit jen na zvýšení tloušťky nové tepelné izolace na 160 mm, ale podstatně vhodnější je kombinace účinnější tepelné izolace s ponecháním původní hydroizolace bez perforace. Pro takovou variantu vychází součinitel prostupu tepla 0,20 W/(m².K) a teplotní faktor 0,953. Kondenzace vodní páry je přitom zanedbatelná (jen při venkovních teplotách pod 0 °C, maximální množství kondenzátu za rok je 7 g/m², množství odpařitelné vodní páry 80 g/m²). Upravený návrh nevětrané dvouplášťové střechy již tedy dostatečně přesvědčivě splňuje všechny normové požadavky.