Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Zhodnocení rizika výskytu kondenzátu ve světlovodech v objektu Kaprálova mlýna

7.10.2013

Ing. František Vlach, Ing. Petr Jelínek

Recenzovaný

Tento článek se věnuje popisu tepelně vlhkostního chování světlovodů instalovaných v budově střediska ekologické výchovy Kaprálův mlýn. Zabývá se rizikem výskytu povrchové kondenzace ve vrchlíku střešní kopule světlovodu a na povrchu izolačního zasklení v chladné části světlovodu, osazeného do tepelně izolačního bloku.

Úvod do problematiky

Světlovody jsou dnes již poměrně obvykle známou i užívanou komponentou staveb. Jejich význam užití spočívá v možnosti osvětlení prostor, u kterých nelze zajistit požadované denní osvětlení přirozeným způsobem. Jedná se tedy především o místnosti uprostřed dispozice objektu bez možnosti distribuovat denní světlo okny, nebo hluboké prostory s možností pouze jednostranného osvětlení.

Obrázek 1: Základní konstrukční části obecného světlovodu. [1]

Zjednodušené schéma popisující základní části světlovodu je uvedeno na obrázku 1.

Transport světla je realizován prostřednictvím tubusu s vysoce odrazivým povrchem. Snahou všech instalací je docílit co nejmenších světelných ztrát na výstupu. Toto bývá obvykle docíleno vysokou kulturou konstrukčního a materiálového řešení systémů světlovodů. Tomu odpovídá i vysoká míra požadavku na čistotu povrchů jak tubusu, tak okrajových či vložených transparentních částí.

Z tohoto hlediska je tedy výskyt jakýchkoli stop po kondenzátu nežádoucí, neboť tyto vedou ke snížení světelného výkonu celé instalace. Na rozdíl od okenních výplní se nejedná o jev, který působí esteticky rušivě, jako například na povrchu oken s izolačním zasklením, nebo v prostoru mezi jednotlivými tabulemi skla zdvojených oken. Tento efekt však nelze nadřadit nad rizika působení vlhkosti v konstrukci obecně. Negativní působení vlhkosti se může projevit například korozí některých částí vlastního světlovodu nebo degradací navazujících stavebních konstrukcí.

Z obrázku 1 je zřejmé, že světlovod je nezanedbatelnou konstrukcí, která prochází obálkou konstrukce stavby. Obdobně jako okno je vystavován tepelně-vlhkostní zátěži vnitřního i vnějšího prostředí. Na rozdíl od běžné otvorové výplně však obsahuje části s uzavřenými vzduchovými dutinami kompletované na stavbě, a proto je vhodné na světlovod nahlížet jako na prvek vlastním vnitřním prostředím, nikoli jako na konstrukci pouze oddělující interiér a exteriér.

Dle způsobu konstrukčního řešení může do světlovodu pronikat vlhký vzduch z interiéru a na chladných površích může vodní pára kondenzovat. Tento jev je dobře známý z dřívějších instalací.

Budeme-li na světlovod nahlížet jako na prvek tepelněizolační obálky budovy, měl by splňovat obdobné tepelněizolační parametry, jako nyní očekáváme u oken. Navíc by však mělo být zajištěno bezproblémové chování samotného světlovodu.

Obrázek 2a: Příklad kondenzace na vnitřním povrchu kopule. [1]

Obrázek 2b: Příklad kondenzace na vnitřním povrchu kopule. [1]

Obrázek 2: Příklad kondenzace na vnitřním povrchu kopule. [1]

Pokusíme-li se popsat fyzikální děje, které se odehrávají v souvislosti s provozem světlovodu na užívané stavbě, zjistíme, že se jedná o soubor mnoha faktorů, které se různou měrou v čase projeví.

Nejedná se jen o standardně užívané parametry teploty a vlhkosti vnitřního a vnějšího vzduchu s přestupovými parametry, nýbrž se zde projeví řada dalších parametrů. Těmi jsou například: vlastnosti vzduchu uzavřeného v tubusu, míra jeho výměny s přilehlým prostředím, působení teplot v místě průniku stavební konstrukcí, vliv sálání vnitřních povrchů s vysokou odrazivostí, samovolné proudění vzduchu v prostoru tubusu či vyvolané netěsnostmi, sálání povrchu kopule vůči obloze, působení slunečního záření na jednotlivé povrchy, atd.

Tento článek popisuje přibližně dvacetidenní sledování povrchových teplot v chladné části světlovodu, který byl instalován v rámci rekonstrukce střediska ekologické výchovy Kaprálův mlýn nedaleko Brna. Z výše uvedeného výčtu jednotlivých parametrů je zřejmé, že se jedná o významně zjednodušený monitoring za použití jednoduché měřicí techniky.

Předmět sledování

Kaprálův mlýn se nachází nedaleko Brna v údolí Moravského krasu u potoka Říčka. Jedná se o samotu s bohatou historií [2], která byla díky původní majitelce Zdeně Kaprálové dlouhodobě využívána skauty. V roce 2007 byl Kaprálův mlýn věnován skautům. Realizační tým Junáka jej zrekonstruoval do podoby střediska ekologické výchovy, které je v tuto chvíli již rok provozováno mimo jiné jako ukázková učebnice ekologicky šetrného provozu budov. Jako zdroj tepla zde jsou instalována tepelná čerpadla země-voda v kombinaci se solárním systémem. Doplňkovým zdrojem je kotel na biomasu. Ohřev teplé vody je zajištěn fototermickými vakuovými kolektory. Větrání vybraných částí je obstaráváno vzduchotechnickými jednotkami se zpětným získáváním tepla. Dále je zde instalován systém zpětného získávání tepla z odpadní vody. Instalované systémy v rámci technické místnosti slouží rovněž jako přístupná demonstrační pomůcka využívaná při vzdělávacích programech. [3]

V přístavbě výukového sálu byly instalovány čtyři světlovody, které slouží k doplňkovému prosvětlení prostoru, protože sál se nalézá z části pod přilehlým přirozeným terénem (obrázek 3).

Obrázek 3a: Fotografie sálu s instalací sledovaných světlovodů. [1]

Obrázek 3b: Celkový pohled na areál Kaprálova mlýna. [3]

Obrázek 3c: Celkový pohled na areál Kaprálova mlýna. [3]

Obrázek 3: Fotografie sálu s instalací sledovaných světlovodů. [1] Celkový pohled na areál Kaprálova mlýna. [3]

Sledování v rámci spolupráce Kaprálova mlýna a VUT v Brně bylo provedeno na světlovodech, které jsou v tubusu vybaveny izolačním blokem s vloženým izolačním zasklením. Tento prvek slouží k navázání na průběžnou tepelněizolační vrstvu ve střešní konstrukci. Tímto je prostor v tubusu světlovodu rozdělen na dvě zóny, které lze nazvat jako teplou vnitřní a chladnou vnější, která přiléhá k nadstřešní hladké kopuli. Konkrétní konstrukce světlovodu byla řešena na skladbě ploché střechy s izolačním blokem těsně přiléhající nad hlavní tepelněizolační rovinu.

Měření bylo zacíleno na chladnou část tubusu – tedy prostor nad rovinou zmiňovaného zasklení. Jako vyhodnocované parametry byly zvoleny povrchové teploty v definovaných polohách, které jsou přehledně znázorněny na obrázku 4. V prostoru chladné části tubusu nad rovinou izolačního skla byla krátkodobě umístěna automatická časosběrná jednotka pro snímání teploty a relativní vlhkosti vzduchu. Zemina na zelené střeše již byla promrzlá a fázové přeměny v ní probíhající tedy již byly v podstatné míře ukončeny.

Obrázek 4a: Rozmístění termočlánků pro snímání povrchových teplot. [1]

Obrázek 4b: Teplotní pole na výpočtovém modelu světlovodu. [1]

Obrázek 4: Rozmístění termočlánků pro snímání povrchových teplot. Teplotní pole na výpočtovém modelu světlovodu. [1]

Diskuze výsledků

Zkoumaná část tubusu je tedy, teoreticky vzato, izolovanou soustavou s minimální výměnou vzduchu mezi vnitřním a vnějším prostředím, v níž dochází k vlastním psychrometrickým dějům.

Objem vzduchu uzavřený v tubusu světlovodu je u dlouhých instalací, kupříkladu vedoucích nevytápěným půdním prostorem, mnohem větší, a proto roste i množství možného kondenzátu na chladných stěnách tubusu světlovodu. Proto je vhodné tyto povrchy opatřit tepelněizolační vrstvou.

Graf 1: Povrchové teploty v definovaných bodech během sledovaného období.

Graf 2: Vybraný časový úsek z grafu 1 pro detailní vykreslení výskytu chladného extrému.

Graf 3: Vybraný časový úsek z grafu 1 se záznamem průběhu teploty a vlhkosti vzduchu v prostoru chladné části tubusu.

Ze získaných průběhů je patrné, že teploty povrchů v chladné části světlovodu klesají očekávaně velmi blízko vnějším teplotám a jen přímý sluneční svit konstrukcí ohřívá.

Do grafu 1 nebyl z důvodů čitelnosti vnesen průběh vnější teploty, neboť v přibližně kopíruje křivku pro kopuli světlíku (bez extrémů lokálních maxim způsobených slunečním zářením – viz též graf 3).

K výraznější diferenciaci teplot jednotlivých povrchů dochází během noci či časových úseků bez přímého slunečního svitu. Teploty povrchů v chladné části mezilehlého izolačního zasklení světlovodu (bod 4) jsou při běžném užívání objektu cca o 4 až 5 °C vyšší, než jeho nejchladnější část – kopule. Vzhledem k masivnímu zapuštění izolačního skla do bloku z extrudovaného polystyrenu se ukazuje, že není významný rozdíl mezi okrajem a středem zasklení. (Vliv má orientace ke světovým stranám vůči měřenému bodu při okraji zasklení, neboť během oslunění se rozdíly projevily více.) Z grafu 2 je patrné, že chladný extrém nastává po teplém extrému. Tedy v období, jasné oblohy ve dne i noci. Sluneční záření nejprve povrchy zahřálo, posléze docházelo k sálání vůči chladné jasné noční obloze. Z grafu 3 je naopak zřejmé, že teplota vzduchu v tubusu není tak rozkolísaná.

Vzhledem k tomu, že teplota povrchů je obecně nízká, je vhodné zodpovědět otázku, při jaké vlhkosti vzduchu uvnitř světlovodu bude docházet k její kondenzaci. Snímání relativní vlhkosti zaznamenané v grafu 3 ukazuje, že pro dané období se vlhkost stále pohybuje v rozmezí 70 až 90 %. Zjištěné nejnižší relativní vlhkosti ve vzduchu odpovídá při teplotě pod bodem mrazu teplota rosného bodu cca −5 °C. Při 90% vlhkosti se jedná o cca −2,5 °C. Z výše uvedeného je zřejmé, že povrchy tubusu se pod tyto meze ochlazují.

Vyloučíme-li možnost pronikání vodní páry z interiéru, dá se očekávat vznik požadavku, že při montáži světlovodu by se relativní vlhkost vnější vzduchu neměla pohybovat nad 60 %. To souvisí i s podmínkami při prováděním údržby. Vzhledem k návrhové vnější teplotě by se jednalo o hodnotu ještě nižší.

Světlovodný tubus je nesnadno popsatelný matematickým modelováním. V projekční praxi obvykle užívané přístupy vnášejí do celé problematiky značná zjednodušení a nedostatečně postihují chování uzavřené vzduchové masy v prostoru světlovodu. Na standardním stacionárním modelu světlovodu s ekvivalentními parametry vzduchu nebylo dosaženo srovnatelných výsledků. Je tedy zřejmé, že další vlivy, které byly výše popsány, nelze zanedbávat. Obzvláště u světlovodů, které nejsou vybaveny mezilehlou izolační vložkou, je modelování pouze na základě vedení tepla bez vlivů dalších složek (sálání a proudění) jen orientační. Tomuto bude věnována další práce na řešení problematiky tubusových světlovodů.

Závěr

Ve sledovaném období dosahují povrchové teploty jednotlivých částí světlovodu periodicky se opakujících výkyvů až 40 °C. Dochází tedy k objemovým změnám vlivem změny teploty. To může mít vliv na kvalitu a životnost spojů a připojení například parozábrany.

Instalace světlovodu je dle provedeného měření závislá na povětrnostních podmínkách. Nemělo by dojít k montáži a uzavření vnitřních částí světlovodu v období s vysokou vlhkostí vzduchu. V chladné části světlovodu jsou ohraničující povrchy chladné, a není tedy vyloučena možnost kondenzace této uzavřené vlhkosti.

Obecně není zájmem provětrávat tento prostor nekontrolovaně – přirozeně vnějším vzduchem, proto lze teoreticky na daný prostor pohlížet jako na izolovanou soustavu.

Vodní páry z interiéru nesmí dosáhnout kontaktu s chladnými částmi světlovodu, neboť tyto jsou přirozeně pod teplotou rosného bodu nejen při uvažovaných extrémních návrhových podmínkách. Mezilehlé izolační prvky musí být tedy vzduchotěsné. Nejefektivnější využití mezilehlých izolačních prvků nastává tehdy, je-li uložen v rovině tepelněizolační vrstvy.

Matematické modelování tepelně-vlhkostních dějů této konstrukce v technické přesnosti přesahuje obvyklé možnosti projekční praxe.

V rámci dalšího směřování výzkumu na světlovodech instalovaných na Kaprálově mlýně bude věnována pozornost doplnění stávajících jednoduchých metod měření tak, aby bylo možno lépe popsat interní chování vnitřního prostředí v tubusu světlovodu. Z hlediska možnosti univerzálního použití světlovodů i do objektů s vyšší předpokládanou relativní vlhkostí vzduchu hraje zásadní roli prostor v teplé části světlovodu (pod izolačním zasklením). Výskyt kondenzátu v této části světlovodu je rovněž nežádoucí a projeví se negativním ovlivněním vlhkostního režimu konstrukcí pod parozábranou.

Příklad nežádoucího kondenzátu na vnitřní straně izolačního zasklení je zobrazen na obrázku 5.

Obrázek 5a: Výskyt kondenzátu na okraji zasklení v izolačním bloku. [1]

Obrázek 5b: Výskyt kondenzátu na okraji zasklení v izolačním bloku. [1]

Obrázek 5: Výskyt kondenzátu na okraji zasklení v izolačním bloku. [1]

Poděkování

Autoři děkují za vstřícnost při spolupráci týmu Junáka – svazu skautů a skautek ČR, Střediska ekologické výchovy Kaprálův mlýn.

Tento příspěvek vznikl za podpory projektu FAST-J-13-2011 na Fakultě stavební VUT v Brně.

Literatura

[1] Archiv autorů, archiv společnosti Gades solution s.r.o.
[2] Zdena Kaprálová: Zítra bude líp. Kronika míru, války a exilu. Brno: Junák – svaz skautů a skautek ČR, okres Brno-město 2012, 424 stran + 16 stran příloh. ISBN 978-80-260-1419-5.
[3] Kaprálův mlýn. SEV KAPRÁLŮV MLÝN. Kaprálův mlýn [online]. 2013 [cit. 2013-03-28]. Dostupné z: http://www.kapraluvmlyn.cz.
[4] DARULA, Stanislav, Richard KITTLER, Miroslav KOCIFAJ, Jiří PLCH, Jitka MOHELNÍKOVÁ a František VAJKAY. Osvětlování světlovody. 1. vyd. Praha: Grada Publishing a.s., 2009. Stavitel. ISBN 978-80-27-2459-1.
[5] LIGHTWAY. Lightway: Tubusové světlovody [online]. 2013 [cit. 2013-05-09]. Dostupné z: http://www.lightway.cz/.

English Synopsis

Evalution of condensation risk in light pipe used in Kaprálův mlýn center

The paper is focused on hygrothermal performance of light pipes used in Kaprálův mlýn center. It is present an analysis the condensation risk in roof dome of light pipe and on surface of double insulated glass in cool part of light pipe. Insulated glazing is integrated to thermal insulation block made of extruded polystyrol.