Environmentálně efektivní materiály pro stavební konstrukce

1. Úvod

Snižování energetické náročnosti staveb je dosud spojováno především se snížením potřeby energie na vytápění či chlazení, větrání, popř. energie spojené s provozními zařízeními v budovách. Tento pohled však nezohledňuje energii nutnou na výrobu stavebních materiálů, jejich dopravu na staveniště a uložení v konstrukcích, popř. energetické nároky spojené s jejich demolicí, recyklací nebo skládkováním. Z hlediska principů udržitelné výstavby je nutné zabývat se stavebními materiály nejen hlediska zvyšování jejich užitných vlastností, ale také z hlediska snižování environmentální zátěže v celém jejich životním cyklu. Kvalita těchto konstrukcí pak musí být hodnocena nejen ve fázi výroby, ale i ve fázi provozu, rekonstrukcí až po demolici a recyklaci.

2. Environmentální hodnocení stavebních materiálů, konstrukcí a staveb

V našich podmínkách se principy udržitelné výstavby [1] uplatňují především ve třech oblastech: (i) přiměřený a tvarově optimalizovaný urbanistický, architektonický a dispoziční koncept zohledňující orientaci ke světovým stranám a místní podmínky, (ii) optimalizovaný konstrukční návrh, (iii) energetický koncept a řešení konstrukčních detailů minimalizující potřebu energií [2]. Optimalizovaný konstrukční návrh pak znamená kromě splnění obvyklých požadavků na bezpečnost, trvanlivost a kvalitu konstrukcí a splnění závazných normových požadavků především uplatnění následujících konstrukčních principů [2]:

• vyšší využití obnovitelných zdrojů, environmentálně efektivních a recyklovaných materiálů,
• vyšší míra prefabrikace podporující rychlost výstavby, omezující technologické nedostatky na stavbě a negativní vliv procesu výstavby na okolí (prašnost, vibrace),
• konstrukční řešení umožňující vysokou variabilitu s ohledem na možné budoucí změny vnitřního uspořádání i technického řešení objektu,
• používání konstrukčních prvků, principů jejich skladby, spojů a styků, tak aby byla umožněna snadná demontáž, demolice a recyklovatelnost, popř. opětovné využití některých prvků nebo konstrukčních celků,
• sladění životnosti jednotlivých konstrukčních prvků tak, aby nižší životnost některých částí nepodmiňovala výměnu prvků s vyšší životností, snadná údržba.

2.1 Environmentální kvalita stavebních materiálů a konstrukcí

Environmentální kvalita stavebních materiálů zahrnuje kromě primárních požadavků na ekologickou a zdravotní nezávadnost také kvalitu z hlediska snížení energetických nároků spojených s materiálem či konstrukcí po celou dobu jejich životnosti. Tento ukazatel je zahrnut v tzv. „svázaných“ parametrech  stavebních konstrukcích (embodied parameters), z nichž jsou pro environmentální hodnocení nejčastěji používány především: svázané emise CO₂ [gCO₂/kg] jako faktor globální environmentální zátěže, svázané emise SO₂ [gSO₂/kg] jako regionální environmentální zátěž, svázaná energie E [MJ/kg] jako přímé energetické nároky spojené s výrobou materiálů, celková  hmotnost konstrukcí [t] zahrnující sekundárně náročnost dopravy. Hodnoty svázaných parametrů pro běžné typy stavebních materiálů jsou uvedeny v následujícím grafu a jsou převzaty z mezinárodně uznávaného zdroje [3].

Graf. 1 – jednotkové hodnoty environmentálních parametrů pro stavební materiály, včetně tep. izolací z minerálních vláken a polystyrenu podle [3].

2.2 Hodnocení konstrukcí a budov

Pomocí environmentálních parametrů stavebních materiálů lze provést jednoduchou analýzu konstrukčního řešení. Stanovování těchto parametrů není zatím metodicky upraveno a jednotlivé hodnoty se mohou pro stejný materiál podle způsobu zpracování lišit, proto absolutní hodnoty těchto ukazatelů jsou spíše informativní. Vzájemné porovnání variant konstrukčního a materiálového řešení zejména ve fázi návrhu stavby však může přispět ke kvalitnějšímu řešení.

Kromě hodnocení environmentální kvality materiálů či variant konstrukčního řešení jsou rozvíjeny metody hodnocení celkové kvality budovy. Tyto metody a nástroje (např.: GBTool, LEED, BREEAM…) zahrnují hodnocení kvality staveb v celém kontextu udržitelné výstavby  a v celém jejím životním cyklu. Kromě technických parametrů zahrnují také tzv. „měkké“ parametry z ekonomické a sociálně kulturní oblasti. Tyto nástroje jsou v současnosti ve fázi vývoje a ověřování, v řadě zemí jsou však výsledky hodnocení pomocí těchto nástrojů součástí hodnocení kvality staveb.

3. Environmentálně efektivní materiály pro tepelné a akustické izolace staveb

Na základě výše zmíněných kritérií je nutné hledat nové materiály, které budou akceptovat také environmentální hlediska, a snažit se o jejich aplikaci v moderních konstrukcích. V oblasti tepelných a akustických izolací se může jednat o materiálů na bázi přírodních a organických hmot. Jejich přínosem je především (i) využití přírodních materiálů s minimální energetickou dotací při jejich zpracování, (ii) využití obnovitelných stavebních materiálů, (iii) využití surových přírodních materiálů s minimální kontaminací umělými látkami či s minimem nevratných změn ve struktuře a mikrostruktuře materiálu. Tyto materiály a technologie mohou velice efektivně snižovat environmentální dopady stavebních konstrukcí téměř až na absolutní minimum a zvyšovat možnosti recyklace. V řadě případů jsou tyto technologie zcela srovnatelné s běžnými stavebními postupy, v jiných případech je daní za nesporné environmentální přínosy složitější technologie, omezené použití či horší stavebně fyzikální vlastnosti.

3.1 Výrobky na bázi dřeva, dřevní hmoty a papíru

Dřevo představuje z environmentálního hlediska obnovitelný surovinový zdroj se značným potenciálem. Rozvlákněná dřevní hmota se dnes využívá na výrobu  tepelných a akustických izolací ve formě desek nebo rohoží.  Jedná se o průmyslové výrobky s garantovanými fyzikálními (ρ, λ, μ, c, požární odolnost…) i technologickými vlastnostmi (stlačitelnost, odolnost proti vlhkosti…). Součinitel tepelné vodivosti se u pevných desek pohybuje podle objemové hmotnosti v rozsahu 0,055–0,038 W/(m.K), u měkkých rohoží pro zateplení krovů, stropů, stěn pak v rozsahu 0,040–0,038 W/(m.K) [7].

Dalším typem tepelných a akustických izolací jsou výrobky z celulózy, které využívají dřevní hmotu jako primární surovinu. Energetická náročnost a celkový environmentální dopad výrobního procesu je sice zatím značný, ale při předpokladu využití „zelené“ energie a dalšího zkvalitňování výroby je přínosem potenciál využití dřevní hmoty jako obnovitelné suroviny a široké možnosti využití recyklátu ze dřeva a papíru. Celulózová vlákna vyráběná systémem suchého rozvlákňování jsou využívána pro výrobu tepelných a akustických izolací. Izolace se aplikuje buď zafoukáváním do dutin nebo nástřikem. Výrobci garantují při dodržení technologického postupu stavebně fyzikální vlastnosti (ρ, λ, μ, c, požární odolnost…). Součinitel tepelné vodivosti je v rozsahu 0,039–0,043 W/(m.K).

Obr. 1-4  – příklady izolací ze dřeva jako primární suroviny. Izolace z rozvlákněné dřevní hmoty – rohož pro tepelné izolace KZP (vlevo), podlahové desky pro akustické izolace do podlah (vlevo uprostřed). Izolace z celulózových vláken – aplikace zafoukáváním (vpravo uprostřed), aplikace nástřikem (vpravo). Foto firemní podklady.

3.2 Využití částí rostlin

Části rostlin jsou ve stavebnictví využívány tradičně. Přístřešek spletený z trav byl jednou z prvních stavebních konstrukcí, mechové vycpávky roubených staveb či využití řezanky do záklopů podlah, hliněných omítek a cihel patří k tradičním stavebním technologiím, „zateplení“ venkovských stavení uskladněním sena a slámy na půdách v zimním období je první příklad zateplení objektu, použití rákosu jako nosné výztuže pro omítané stropy je nedávnou minulostí. V současných stavebních konstrukcích jsou při průmyslovém zpracování materiály jako sláma, technické konopí, rákos opět využitelné. Zejména v Rakousku, SRN, Švýcarsku, tedy v zemích s tradičně vysokým ekologickým cítěním existuje řada aplikací.

3.2.1 Využití slámy

Využití slámy pro tepelné izolace v současném stavebnictví představuje významnou sekci v oblasti alternativních přístupů společně z využitím konstrukcí a prvků z nepálené hlíny. Dosavadní experimenty ověřující její stavebně fyzikální vlastnosti byly provedeny v rámci konkrétních projektů a výsledky vzhledem k charakteru materiálu nelze zobecnit. Lisované balíky ze zemědělských balíkovačů o rozměrech 350x400x600 mm mají při objemové hmotnosti 90–135 kg/m³ součinitel tepelné vodivosti z laboratorních zkoušek 0,039–0,041 W/(m.K), výpočtová hodnota je pak 0,046 W/mK. Třída hořlavosti balíků s objemovou hmotností 90 kg/m³ je B2 – normálně hořlavé (dle ÖNORM B 3800). Požární odolnost oboustranně omítnuté slaměné stěny (interiér 2 cm hliněná omítka, exteriér 2 cm vápenná omítka – obě na nosiči z rákosu) má požární odolnost 90 minut [5].

Z hlediska biologických a organických škůdců, nebezpečí alergií a plísní nejsou rizika využití slámy vysoká. Čistá světlá sláma má velmi nízký alergický potenciál a neobsahuje téměř žádné plísně nebo spory. Napadení hlodavci je rozšířeným předsudkem, neboť celulóza jako základní surovina, ze které sláma sestává, může být strávena pouze termity nebo skotem s enzymatickým štěpením celulózy. Někdy jsou balíky pro svou tepelně izolační schopnost vyhledávány hlodavci, podobně jako jiné tepelně izolační vrstvy, proto je potřeba zamezit jejich průniku do dutin (omítkou, pletivem nebo mřížkou). Zároveň je nutné minimalizovat v balících obsah zrna, plevele a jiných rostlin [4]. Pro bezpečné využití je nutno zajistit rovnoměrnou hustotu balíků nebo volné slámy, eliminovat přítomnost vlhkosti jak technologické, provozní (kondenzace ve skladbě stěny), tak způsobené špatným řešení konstrukčních detailů (vzlínání nebo zatékání, odstřikování srážkové vody u paty stěny, atd.). Doporučuje se použití lehké parozábrany na vnitřní straně, s difúzně otevřenou skladbou stěny. Vzdušná vlhkost v běžném rozsahu je absorbována v mezibuněčných strukturách.

Slámu pro tepelnou izolaci je možno použít jednak ve formě balíků ze zemědělských strojů, jednak ve formě volné slámy uložené v bednění. Použití slaměných balíků pro jednovrstvé konstrukce (nosné a zároveň tepelně izolační) je výrazně limitováno zatížením a hrozí riziko velkých deformací, nicméně i takovéto konstrukce jsou dnes realizovány.

Obr. 5-8 – detail skladby obvodové stěny s tep. izolací ze slámy (vlevo). Rekonstrukce školy a přístavba tělocvičny, Allentsteig, Rakousko (vlevo uprostřed). Foto A. Brotánek. Novostavba pasivní mateřské školy, Ziersdorf, SRN s tepelnou izolací ze slámy a s hliněnými omítkami (vpravo uprostřed). Foto M. Vonka. Detail zateplení střechy RD slaměnými balíky, Říčany, ČR.

3.2.2 Využití technického konopí

Jednou z mnoha aplikací technického konopí je průmyslová výroba tepelné izolace, která zahrnuje tvrzené desky pro akustické izolace podlah, stabilizované desky pro KZP a měkké rohože. Výrobky mají deklarovánu řadu stavebně fyzikálních vlastností [6], kromě základních (objemová hmotnost 24–42 kg/m³, součinitel tepelné vodivosti 0,040 W/(m.K), faktor difúzního odporu 1–2), také požární odolnost B2 podle DIN 4102-1, rozměrovou stálost, test odolnosti proti plísním, činitel zvukové pohltivosti α_w = 1,00 při tloušťce 160 mm (podle DIN EN ISO 354), nasákavost ≤ 4,2 kg/m², atd.

Obr. 9-12 – příklady izolací z technického konopí. Izolační desky pro KZP a izolace stěn a krovů (vlevo), akustické izolace proti kročejovému hluku (uprostřed)  dřeva jako primární suroviny. Foto firemní podklady. Konopná plst jako tepelná izolace do bednění (vpravo).

3.3 Využití živočišných produktů

Hlavním zástupcem této kategorie výrobků je ovčí vlna, která je průmyslově zpracovávána pro výrobu tepelně izolačních rohoží. K základním vlastnostem ovčí vlny patří její vysoká hydroskopie až 30%, se vzrůstající vlhkostí se izolační schopnost vlny zvyšuje vlivem sorpčního tepla. Tepelná izolace je vyráběna technologií kolmého kladení mykaného ovčího rouna bez použití pojiv až do tloušťky 14 cm. Směs ovčí vlny je mechanicky přichycena k armovací tkanině, která rohož zpevňuje a umožňuje laminování izolace na požadovanou tloušťku. Jako příměsi se používá protimolová aviváž a retardér hoření. Součinitel tepelné vodivosti izolace je 0,038 W/(m.K), třída hořlavosti dle DIN 4102 – část 1 je B2, objemová hmotnost 12,5–25 kg/m³. Tepelná izolace se připevňuje na podklad (desky nebo rošt) sponkováním či hřeby, do lehkých příček nalepovacími hroty nebo oboustrannou lepící páskou.

4. Příklady environmentálního hodnocení zateplení budov

V rámci mezinárodního projektu Nadace partnerství a Vlády Horního Rakouska byl v roce 2003-4 realizován projekt zateplení stávajících objektů s využitím tep. izolace slaměnými balíky. Předmětem rekonstrukce byl objekt bývalého mlýnu ve Křtinech a rodinný dům v Mnichovicích. Environmentální hodnocení bylo provedeno podle prováděcí dokumentace (Akad. arch. A. Brotánek, atelier AB, 2003).

4.1 Mlýn ve Křtinech

Předmětem rekonstrukce bylo oddělení nově budované vytápěné obytné zóny od nevytápěné zóny zaizolováním stávající příčky, vybudováním nové tepelně izolační příčky a zateplením stropu. Příčky tvořené dřevěnou rámovou konstrukcí s výplní slaměnými balíky tl. 350 mm. Konstrukce je kryta OSB deskami a laťováním s povrchovou úpravou hliněnou omítkou s přísahou vápenného hydrátu. Zateplení stropů je tvořeno slaměnými balíky tl. 350 mm mezi stávajícími dřevěnými trámy. Nad 1. NP je provedena lehká plovoucí prkenná podlaha, nad 2. NP je provedena těžká podlaha s prkny na hliněné mazanině. Podhledy jsou upraveny hliněnou omítkou. Jako referenční konstrukce je navržena stěna z keram. tvárnic tl. 115 mm s tep. izolací z min. vlny v dřevěném roštu tl. 290 mm se stěrkovou omítkou, stávající stěna je zateplena obdobně. Strop je zaizolována tep. izolací z min. vlny tl. 350 mm se SDK podhledem na Al roštu. Tloušťka tep. izolace z min. vlny u svislých i vodorovných konstrukcí byla navržena tak, aby výsledný součinitel prostupu tepla byl shodný jako u konstrukcí využívajících slámu. Svislé konstrukce mají U = 0,12 W/(m².K), vodorovné konstrukce pak U = 0,11 W/(m².K).

Obr. 13-15 – rekonstruovaný objekt původního mlýnu ve Křtinech (vlevo), zateplení stávající stěny (uprostřed), zateplení stropu slaměnými balíky a hliněnou mazaninou (vpravo). Foto A. Brotánek.

4.2 Rodinný dům v Mnichovicích

Jedná se o zděný dvoupodlažní podsklepený objekt. Předmětem rekonstrukce bylo zaizolování severní fasády, které je provedeno tep. izolací ze slaměných balíků tloušťky 350 mm v dřevěném roštu zaklopeném heraklitem s omítkou rabitzovém pletivu. Konstrukce je shora kryta přesahem střechy, okraje, pata stěny a sokl jsou zatepleny extrudovaným polystyrenem tl. 200 mm na vyrovnávací omítce, ochrannou vrstvu pod úrovní UT tvoří nopová fólie. Jako konstrukční alternativa pro environmentální posouzení je navržen KZP z min. vláken tl. 320 mm v dřevěném roštu. Úprava u přesahu střechy, okrajů a paty stěny a soklu je shodná. Součinitel prostupu tepla je U = 0,11 W/(m².K).

Obr. 16-18 – rekonstruovaný RD v Mnichovicích. Foto A. Brotánek.

4.3 Environmentální hodnocení konstrukčních variant

Environmentální analýza naznačuje potenciál těchto materiálů z hlediska snížení vlivu stavebních konstrukcí na životní prostředí. Z hlediska principů udržitelného rozvoje je dalším důležitým faktorem využití lokálních zdrojů těchto materiálů a to nejen s ohledem na snížení energetických nároků spojených z dopravou, ale také z hlediska širších sociálně kulturních a ekonomických souvislostí, což může být při takto malých objemech prioritní hledisko. Vzhledem k tomu, že srovnávací data pro environmentální hodnocení budov a konstrukcí nejsou k dosud k dispozici, je analýza provedena procentuálním porovnáním navrženého řešení s referenčním „běžným“ řešením.

Graf. 2 – environmentální hodnocení zateplení s využitím slaměných balíků ve srovnání s běžnými způsoby řešení zateplení. Referenční hodnota pro „běžené“ způsoby zateplení reprezentuje 100% úroveň, ke které jsou vztaženy hodnoty zateplení s využitím slaměných balíků.

5. Závěr

Prezentované příklady využití alternativních materiálů pro tepelné a akustické izolace staveb jsou v současnosti v rovině experimentálních technologií, což se ve srovnání s běžnými postupy projevuje zvýšenou pracností, malou rychlostí výstavby i velkými nároky na pracovní sílu. Pro širší využití je potřeba dořešit technické a technologické souvislosti, zefektivnit výrobu a provádění, zajistit neměnnou technickou kvalitu materiálů apod. Současně je nutné ověřit vlastnosti materiálu v dalších souvislostech, při extrémním namáhání zejména vlhkostní, ověřit hygienickou nezávadnost atd. Při stávajících vlastnostech běžně užívaných tepelných izolací (minerální vlákna, polystyreny, polyuretany…) jsou i tyto materiály ve specifickém prostředí (individuální výstavba, zemědělské či horské oblasti…) schopny konkurovat a přispět ke snížení vlivu stavebnictví na životní prostředí.

V globálním kontextu pak mohou efektivní technologie využívající tyto přírodní obnovitelné zdroje surovin patřit k významným technologickým alternativám a napomoci zefektivnění a zkvalitnění výstavby v rozvojovém světě při omezení zvýšení vlivu stavební produkce na environment.

Tento výsledek byl získán za finančního přispění MŠMT, projekt 1M6840770001, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS.

Literatura

[1] AGENDA 21 pro udržitelnou výstavbu, český překlad CIB Report 237, ČVUT v Praze, Praha, ISBN 80-01-02467-92, 2001
[2] P. Hájek, J. Růžička: Aplikace principů udržitelné výstavby v návrzích bytových staveb a jejich vyhodnocení, Stavební listy 9/2004, ČKAIT, 2004
[3] Hochbaukonstruktionen nach ökologischen Gesichtspunkten, Dok. SIA D 093, 1995.
[4] H. Gruber, A. Gruber: Bauen mit Stroh, Ökobuch Verlag, Staufen bei Freiburg, ISBN 3-922964-97-4, 2003
[5] E. Schwarzmüller, ConsultS: Nachhaltige Produktentwicklung, Passivhaus, Stadtökologie: Stroh als Chance und ökologische Aufwertung von Passivhäusern, Tagungsband 8. Europäische Passivhaustagung 2004, Krems, Rakousko, 04/2004, str. 221 – 226
[6] www.thermo-hanf.de
[7] www.steico.de