Vliv popínavých rostlin na povrchovou vlhkost stavebních konstrukcí

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021, tamtéž také recenzován. Byl okomentován spolupracovníky redakce TZB Info.

1. Úvod

Vegetační povrchy fasád jsou v současnosti velmi diskutovaným trendem v moderní architektuře. Z hlediska působení na člověka mají vegetační povrchy pozitivní vliv v mnoha oblastech. Regulují vlhkost a teplotu v okolí budovy, snižují prašnost i hlukové zatížení, zachovávají či obnovuje biodiverzitu oblasti a efektivně se dají využít i pro stínění [1], [2].

Obr. 1 Fasáda se záměrně porostlou a udržovanou vegetací Parthenocissus tricuspidata. Nádvoří zámku Podstatzských-Lichtensteinů, Velké Meziříčí.

Zelené fasády je možné realizovat buď jako systémový prvek fasády [3], obvykle s vlastní nosnou konstrukcí pro plošné osázení vegetací, nebo jako volně rostlou vegetaci, mnohdy i nezáměrně vysazenou. Motivací k záměrné výsadbě je obvykle konstrukce z architektonických nebo konstrukčních důvodů nevhodná pro osazení systémových prvků (např. na historických budovách – Obr. 1), nebo finanční náročnost montáže systémové zelené fasády. Popnutím fasády dochází k těsnějšímu spolupůsobení konstrukce s vegetací, a tak není možné se vyhnout některým problémům, které se systémovým řešením lze jednoduše řešit ve fázi návrhu konstrukce. Z tohoto důvodu je zásadní pojmenovat kritické body návrhu fasád s popínavými rostlinami, stanovit dopady na danou konstrukci a definovat doporučení pro návrh funkční konstrukce.

Popínavá vegetace působí na konstrukci mnoha vlivy – působí jak ochranným, tak do určité míry i narušujícím způsobem. Vytváří bariéru mezi vnějším prostředím a první pevnou souvislou vrstvou obálky budovy. Tím ji chrání před přímým působením deště, zachytává prach, tlumí hluk i výkyvy teplot. Pro porušenou konstrukci plní jak plošně zpevňující, tak lokálně narušující funkcí. Pro nové konstrukce však nejsou plošně příchytné rostliny nijak nebezpečné, jejich odstranění při zachování plně funkční podkladní konstrukce je běžně možné. Negativní vliv odstraněné rostliny je poté pozorován pouze na vizuální stránku fasády, kdy příchytné kořínky nebo terčíky prakticky nelze dokonale odstranit. Vegetace povrch budovy zdrsňuje, mění tak podmínky pro výsledné hodnoty zatížení větrem. U některých typů vegetace je nutno počítat s přitížením i od sněhu nebo námrazy. Negativní vlivy se stupňují v případě, že se jedná o nezáměrně popnutou konstrukci vlivem zanedbané údržby. V takových situacích již může docházet i k destruktivním vlivům na konstrukce.

Motivací pro dlouhodobou práci autora byla otázka negativních vlivů popínavé vegetace na stavební konstrukce. Jakým způsobem a do jaké míry tato přídavná vrstva na straně exteriéru ovlivní stavebně – fyzikální chování konstrukce? S čím je pro návrh těchto konstrukcí potřeba počítat ve fázi návrhu a jak změnit konstrukci pro zachování její maximální životnosti a funkčnosti. Tento příspěvek je věnován otázce vlhkosti těsně pod vnějším povrchem stavební konstrukce. Cílem bylo provést základní měření na reálné konstrukci pro zorientování se v situaci, definování klíčových parametrů, které výsledky ovlivňují, a zhodnocení, zda je vhodné zabývat se podrobnější analýzou problému s formulací dílčích otázek a dlouhodobým měřením na reálné konstrukci.

Hypotézou v tomto měření byl předpoklad, že povrch konstrukce popnutý vegetací je znevýhodněn oproti povrchu bez vegetace z hlediska plynulého prostupu vodních par do volného ovzduší, a tak vegetace na konstrukci může přispívat zrychlení její degradace. Pro tuto hypotézu bylo zvoleno měření na reálné konstrukci, v průběhu šesti měsíců, pro zaznamenání odlišností vlivem měnícího se ročního období.

2. Popis současného stavu

Mezi architekty, projektanty i investory vzbuzuje použití popínavých rostlin na fasádě budovy obavy z vytvoření bariéry pro vnější povrch konstrukce, která tak nebude plnit svoji funkci při cestě vlhkosti z konstrukce do exteriéru, a bude tak vytvářeno vhodné prostředí pro vznik kondenzace v konstrukci. Pro toto tvrzení či jeho vyvrácení nejsou dosud známá data, a tak otázku reálného vlivu vegetace nelze prozatím zodpovědět. Dostupné výzkumy se obvykle zabývají pouze vlivem rostlinného povrchu konstrukcí na mikroklima uvnitř budov [4], [5], výzkumy týkající se vlivu vegetačního povrchu na samotnou konstrukci nejsou dohledatelné.

Vegetace v těsné blízkosti budov je fenomén, který se vine dějinami lidstva stejně jako linie architektonická. Vinutí vinné révy a dalších popínavých rostlin po konstrukcích budov, altánů a pergol je popisováno již ve starověkém Egyptě a antickém Řecku. Svůj prostor si tak vegetační fasády získaly jak v historii, tak i v současných trendech výstavby. Laická i odborná veřejnost se uchyluje k tomuto řešení při návrhu nových budov i úprav budov stávajících. Žádané jsou popínavé rostliny užité jako řešení pro zkvalitňování prostředí v průmyslových částech měst. Pro navrhování funkčních moderních fasádních systémů s vegetací ovšem chybí dostatečné informace.

Popisem a kategorizací popínavých rostlin se zabýval již Charles Darwin [6], výzkumy na volně rostlém typu vegetačního povrchu ze stavebního hlediska se však téměř nerealizují. Důvody jsou zřejmé: měření jsou omezena na jejich proveditelnost v terénu, konstrukce popnuté vegetací nelze jednoduše zkonstruovat jako dílčí výsek konstrukce pro laboratorní měření. V případech předpřipravených panelů, určených k popnutí pro budoucí užití pro laboratorní výzkum, se čas na přípravu vhodného, dostatečně vzrostlého vzorku počítá na roky. Ani výsek stávající popnuté konstrukce nelze efektivně přesunout do laboratoře při zachování stejných vlastností rostlin, které jsou extrémně citlivé na narušení a velmi rychle uvadají, čímž ztrácí podstatnou část ze svých funkcí. Pokud se literatura věnuje měření na dílčí části konstrukce, jedná se o prvky fasády se systémovým řešením výsadby [7]. Z těchto důvodů nebylo možné ani v tomto případě uvažovat laboratorní měření pro stanovení skutečných hodnot součinitele difúze vodní páry vegetací porostlé konstrukce pro výpočet difúzního odporu celého souvrství. Provedené měření tak popisuje pouze okamžitý stav při vnějším povrchu konstrukce.

3. Metodika

Pro měření byla zvolena obvodová stěna rekreačního objektu, stáří přibližně 60 let, vyzděná z cihel plných pálených na maltu cementovou a opatřena běžnou jádrovou omítkou s finální vrstvou a fasádní barvou. Konstrukce nebyla kryta před povětrnostními vlivy např. přesahem střechy, byla tak vystavena plnému působení povětrnostních vlivů. Prvním kritériem výběru byla celoroční přístupnost pro opakované měření, a části jak porostlé vegetací, tak části bez porostu. Dalším kritériem pro výběr byla orientace ke světovým stranám; pro danou parcelu je znám obvyklý směr větrem hnaného deště, proto byla vybrána konstrukce s orientací kolmo na tento směr, pro maximální dešťovou zátěž.

Při výběru měřicích bodů byl kladen důraz na výběr materiálově totožných míst měření – sledována byla povrchová vrstva konstrukce, materiál a tloušťka konstrukce, stínění srážek přesahem ostatních konstrukcí; i totožné výškové umístění měřících bodů. Jediným rozdílem tak byla přítomnost či absence vegetace.

Obr. 2 Měřená konstrukce v části porostlé vegetací v jarním a podzimním období

Měření probíhalo v odpoledních hodinách pomocí hrotového vlhkoměru s odchylkou 0,05 procentního bodu, v cyklech opakujících se jednou měsíčně v průběhu sledovaného období (06–10/2020), změřeno bylo vždy 10 hodnot vlhkosti na konstrukci kryté vegetací a též 10 hodnot na konstrukci mimo vegetaci. Vzdálenost mezi měřenými body byla 150 mm. Větší počet dat nebylo možné získat z důvodu malé plochy měřené konstrukce.

Po předběžné analýze prvních dvou cyklů měření bylo k datům z měření přidáno i sledování úhrnu srážek za období 4,5 dne před dnem měření. Data byla získávána z veřejně přístupných dat z meteorologické stanice ČHMI Tišnov-Hájek, vzdálené 5 km od místa měření [8].

4. Výsledky

Naměřené hodnoty za první dva cykly nepoukazovaly na vzájemnou souvislost jako jediný celek, zhodnoceny však odděleně pro jednotlivé dny měření byly zřetelně čitelné. Po analýze možných příčin byly k hodnotám vlhkosti přidány i hodnoty úhrnu srážek.

Naměřené hodnoty se v rámci jednotlivých cyklů pohybovaly kolem průměrných hodnot od 3,45 % (v srpnu) do 5,41 % (v říjnu). Z naměřených hodnot je zjevné, že bylo nesprávné uvažovat proměnlivost dat v průběhu roku pouhou změnou ročního období, ale je nutné uvažovat jednotlivé cykly měření jako solitérní soubory dat v kontextu s počasím, resp. se zvážením vlivu srážek, a posuzovat je pak v tomto kontextu i při porovnání cyklů mezi sebou.

Obr. 3 Graf naměřené vlhkosti konstrukce v 06/2020 a úhrn srážek bezprostředně před dnem měření

Obr. 4 Graf naměřené vlhkosti konstrukce v 07/2020 a úhrn srážek bezprostředně před dnem měření

Obr. 5 Graf naměřené vlhkosti konstrukce v 08/2020 a úhrn srážek bezprostředně před dnem měření

Obr. 6 Graf naměřené vlhkosti konstrukce v 09/2020 a úhrn srážek bezprostředně před dnem měření

Obr. 7 Graf naměřené vlhkosti konstrukce v 10/2020 a úhrn srážek bezprostředně před dnem měření

5. Diskuse

Naměřené hodnoty vykazovaly společné rysy pro tři odlišné situace – pro období bez dešťových srážek (Obr. 4, Obr. 5), pro období těsně po ojedinělém dešti (Obr. 3, Obr. 7) a období s několikadenním deštěm (Obr. 6). Vliv ročního období lze pozorovat pouze v průměrných hodnotách procentních bodů, kdy v horkém letním období se, zcela očekávaně, vlhkost konstrukce snižuje v obou případech, a to přibližně o třetinu.

Období bez dešťových srážek

Pro toto období jsou naměřené hodnoty velmi blízké, vykazují průměrnou vzájemnou odchylku 0,17 %, kdy konstrukce bez vegetace vykazovala nižší vlhkost. Tyto hodnoty vykazují sice numerické výsledky ve prospěch nezamítnutí zvažované hypotézy, při zvážení přípustné chyby měření přístroje (0,05 procentního bodu) jsou odchylky tak malé, že z nich není vhodné činit žádné závěry bez dalšího přesnějšího měření.

Období po ojedinělém dešti

Pro toto období se projevila ochranná funkce vegetace, která zabránila přímému dopadu deště na konstrukci a tím zřejmě dočasně zůstala konstrukce pod vegetací s nižší vlhkostí než povrch přímo smáčený. Naměřené hodnoty však vykazují ještě menší odchylku než u předchozího případu, a to 0,155 % ve prospěch konstrukce s vegetací.

Období po vytrvalém dešti

Pro období s intenzivním vlhkostním zatížením na straně exteriéru hodnoty vykazovaly stejnou tendenci jako v období bez dešťových srážek, a to vyšší vlhkost na konstrukci s vegetací. Průměrná odchylka mezi hodnotami byla však mírně vyšší než u předchozích případů, a to 0,27 % ve prospěch nezamítnutí úvodní hypotézy.

Naměřené hodnoty jsou natolik homogenní, že nelze zhodnotit výsledek posouzení hypotézy. Pro její nezamítnutí je nutno přesnějších dlouhodobějších měření. Vzhledem k časové náročnosti ručního měření a riziku vysoké chybovosti z nepřesnosti měření lidským faktorem, by bylo vhodné zvážit jiný typ měřícího zařízení, umožňující kontinuální měření v delším časovém úseku.

Velmi překvapujícím jevem, který provázel jednotlivá měření, bylo zjištění subjektivně nižší pevnosti materiálu konstrukce, která nebyla popnuta vegetací. Trny vlhkoměru se do konstrukce bez vegetace zanořovaly s citelně nižším odporem. Z tohoto jevu pak vyvstává otázka, zda i při možné mírně vyšší vlhkosti konstrukce, není zásadnějším faktorem pro její degradaci vystavení konstrukce přímým povětrnostním vlivům bez ochranné bariéry.

6. Závěr

Cílem měření bylo popsat hrubé rysy vlhkostního chování konstrukce popnuté vegetací v kontextu s konstrukcí nepopnutou. Měření reálné konstrukce přineslo několik podstatných faktorů, ovlivňujících chování konstrukce, jejichž vliv nebyl před měřením zřejmý nebo nebylo zřejmé, že jejich vliv je natolik výrazný. Pro potvrzení či zamítnutí hypotézy bude potřeba podrobnější měření, které by bylo vhodné provádět kontinuálně v průběhu minimálně jednoho roku.

V průběhu měření byl neplánovaně zjištěn pravděpodobný vliv vegetace na snížení rychlosti degradace u této konkrétní konstrukce. V dalším výzkumu se autor příspěvku zaměří podrobněji i na tuto velmi zajímavou otázku.

Použité zdroje

1. MANSO, Maria a João CASTRO-GOMES. Green wall systems: A review of their characteristics. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015, Vol.41 (January 2015), 863-871. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.203.
2. SAFIKHANI, Tabassom, Amina TUZUHARIAH, Megat Abdullah DILSHAN, Remaz OSSEN a Mohammad BAHARVAND. A review of energy characteristic of vertical greenery systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014, Vol.40 (December 2014), 450-462. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.166.
3. SERRA, V., L. BIANCO, E. CANDELARI, R. GIORDANO, E. MONTACCHINI, S. TEDESCO, F. LARCHER a A. SCHIAVI. A novel vertical greenery module system for building envelopes: The results and outcomes of a multidisciplinary research project. Energy and Buildings. 2017, 146 (1 July 2017), 333-352. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.04.046.
4. TUDIWER, David a Azra KORJENIC. The effect of an indoor living wall system on humidity, mould spores and CO2-concentration. Energy and Buildings. 2017, 146 (1 July 2017), 73-86. Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.04.048
5. TORPY, F.R., M. ZAVATTARO a P.J. IRGA. Green wall technology for the phytoremediation of indoor air: a system for the reduction of high CO2 concentrations. Air Quality, Atmosphere & Health. 2017, 10(5), 575–585. Dostupné z: https://doi.org/10.1007/s11869-016-0452-x
6. Darwin, Ch. (1865): On the movements and habits of climbing plants. Bot. J. Linnean Soc. 9, 1–118.
7. JIM, C.Y. a He HONGMING. Estimating heat flux transmission of vertical greenery ecosystem. Ecological Engineering. August 2011, 37(8), 1112-1122. Dostupné z: doi: https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2011.02.005
8. https://hydro.chmi.cz/hpps/hpps_srzstationdyn.php?day_offset=0&tday_offset=0&seq=20816221
9. PEJCHAL, Miloš: Použití pnoucích rostlin v zahradní a krajinářské tvorbě. Studijní materiál pro předmět „Použití rostlin“. ZF MENDELU, Ústav biotechniky zeleně v Lednici, 2017.
10. BURIAN, Samuel. Popínavé rostliny. Praha: BRIO, 1997. Zahrada plus. ISBN 80-902-2094-0.
11. JESUS, Marina Paschoalinode, Júlia LOURENÇO, Rosa ARCE a Manuel MACIAS. Green façades and in situ measurements of outdoor building thermal behaviour. Building and Environment. 2017, 119(July 2017), 11-19. Dostupné z: doi: https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2017.03.041