Specifické problémy výpočtů šíření vodní páry stavebními konstrukcemi

Dobře použitelná metodika pro analýzy tepelně vlhkostního chování konstrukcí v kontaktu se zeminou v průběhu roku je uvedena v revidované ČSN EN ISO 13788 z roku 2013. Roční bilance zkondenzované a vypařené vodní páry v konstrukcích přilehlých k zemině se sice podle čl. 6.3 v ČSN 730540-2 nehodnotí (pouze se ověřuje riziko kondenzace vodní páry při návrhové venkovní teplotě), ale přesto je v řadě případů užitečné tento výpočet provést (např. u mohutně tepelně izolovaných podlah s dřevěnými prvky). Podívejme se ve stručnosti na metodiku tohoto výpočtu. 

Specifickým způsobem se u podlah na zemině zadává už jejich samotná skladba. Norma ČSN EN ISO 13788 předepisuje zadání kompletní skladby včetně podkladního betonu a vrstvy zeminy pod ním o tloušťce 2 m. Tyto vrstvy se nicméně zohledňují jen při výpočtu šíření vodní páry, nikoli už třeba při výpočtu součinitele prostupu tepla, pokud má být jeho výsledná hodnota použita pro ověření splnění požadavku ČSN 730540-2. Zadání modelové podlahy na zemině do programu Teplo 2015 ukazuje Obr. 1. 

Okrajové podmínky na venkovní straně konstrukce přilehlé k zemině je nutné stanovit výpočtem. Vychází se z průměrných měsíčních teplot venkovního vzduchu, z nichž se nejprve vypočte v souladu s čl. 4.2.3 v ČSN EN ISO 13788 průměrná roční teplota. Pro každý měsíc se pak následně vypočte průměr z průměrné roční teploty a průměrné měsíční teploty. Výsledné hodnoty se ovšem nepoužijí pro daný měsíc, ale pro měsíc následující (tj. lednová hodnota v únoru apod.), čímž se zohlední vliv tepelné setrvačnosti zeminy. Relativní vlhkost vzduchu v pórech zeminy se přitom uvažuje 100 % pro všechny měsíce. Rozdíl mezi průběhem teploty venkovního vzduchu a průběhem teploty v zemině ukazuje pro Prahu Obr. 2. 

Samotný výpočet roční bilance vodní páry je pro podlahu na zemině už standardní. Na Obr. 3 jsou zobrazeny jeho výsledky pro skladbu podlahy uvedenou na Obr. 1. Jak je zřejmé, tato konkrétní podlaha s tradiční skladbou nevykazuje žádné riziko vlhkostních poruch. 

Metodika pro ověření možností vysoušení počáteční zabudované vlhkosti je další novinkou revidované ČSN EN ISO 13788 (2013). Výchozím předpokladem výpočtu je podle čl. 7 citované normy zavedení zvýšeného obsahu vlhkosti o přesně definované výši 1 kg/m2 do středu zvlhčené vrstvy. Hodnotit se pak má doba vysychání této počáteční zabudované vlhkosti a případný vliv vysychání vlhké vrstvy na vrstvy okolní. Postupuje se přitom standardním způsobem jako u běžného výpočtu roční bilance, tj. při stanovení průběhu částečných tlaků vodní páry v daném měsíci se vždy zohledňuje, v jakých místech docházelo ke kondenzaci vodní páry v měsíci předchozím. 

Nejasný je u této metodiky hlavně důvod pro striktní zavedení konkrétního obsahu počáteční vlhkosti (1 kg/m2), které je navíc omezeno jen na jednu vrstvu. Pro praktické hodnocení je samozřejmě mnohem vhodnější vycházet vždy ze změřené hmotnostní vlhkosti – a to případně i ve více vrstvách. Naštěstí nic nebrání omezující přístup ČSN EN ISO 13788 aplikovat velkorysejším způsobem a hodnotit možnosti vysychání počáteční zabudované vlhkosti v celé skladbě konstrukce a od libovolného počátečního obsahu vlhkosti. 

Podívejme se na příklad takového postupu, pro který použijeme opět program Teplo 2015. Hodnocenou konstrukcí je vnější stěna s vnějším zateplovacím systémem s nevhodně zvolenou málo prodyšnou akrylátovou omítkou. Zateplovaná stěna z CP obsahuje 20 kg/m2 počáteční vlhkosti a aplikovaná tepelná izolace z minerálních vláken 0,8 kg/m2 počáteční vlhkosti. Zadání počátečního obsahu vlhkosti ukazuje Obr. 4. 

Výsledky výpočtu ukazují, že počáteční obsah vlhkosti se z obou vrstev odpaří za cca 4,5 roku a poté se v konstrukci vždy během zimního období objeví kondenzát, který se následně zas odpaří (Obr. 5a). Vlnovky na průběhu akumulované vlhkosti signalizují změny v intenzitě odpařování počáteční vlhkosti (rychlejší v letním období, pomalejší v zimním). 

Pokud bychom zavedli do výpočtu zjednodušený model redistribuce vlhkosti (předpokládá se v něm, že může dojít k transportu vytvořeného kondenzátu do celé šířky vrstvy, pokud je v ní dosaženo určitého kritického obsahu vlhkosti) a doplnili další potřebné parametry (Obr. 4), rychlost vysychání by se významně zvýšila. Zvlhčené vrstvy konstrukce by vyschly už během prvního roku (Obr. 5b) a poté by následovaly běžné roční cykly kondenzace a vypařování. 

Výpočetní model s uvažováním redistribuce vlhkosti poskytuje většinou výsledky bližší skutečnému chování konstrukce. Pro získání výsledků s větší bezpečnostní rezervou je nicméně vhodnější používat konzervativní model bez redistribuce. 

Při hodnocení skladeb stavebních konstrukcí je většinou možné omezit se na posouzení jednorozměrného šíření tepla a vodní páry. V některých případech je nicméně nutné provést výpočet dvourozměrného teplotního a vlhkostního pole, protože zjednodušení na 1D problém by mohlo přinést velmi nepřesné, až zavádějící výsledky. 

Typickým příkladem konstrukcí, které vyžadují použití vícerozměrných výpočetních modelů, jsou obvodové konstrukce dřevostaveb. Použije-li se k této analýze např. program Area 2015, lze vypočítat nejen rozložení relativních vlhkostí v detailu (Obr. 6), ale i roční bilanci vodní páry. Z těchto výsledků pak již není obtížné odvodit vlhkostní rizika pro použité dřevěné prvky. 

Vícerozměrné šíření tepla a vodní páry je nutné uvažovat i při seriózních analýzách tepelně-vlhkostního chování moderních zdících tvarovek s dutinami vyplněnými tepelnou izolací. Zdivo z těchto materiálů se nechová jako homogenní materiál, ale jako vícenásobně sendvičová konstrukce, přičemž výsledné vlhkostní pole ovlivňují i žebírka ve směru tepelného toku (Obr. 7). 

Závěrem se ještě zastavme u vlivu vícerozměrného šíření vodní páry na tepelně vlhkostní chování detailů. Vodní pára se detailem samozřejmě šíří z míst o vyšší koncentraci do míst o koncentraci nižší (tj. v zimním období obvykle z interiéru do exteriéru), a to obecně ve směru všech souřadných os. Bez výpočtu je často obtížně odhadnutelné, jaké důsledky může mít tento „všesměrný“ transport. Mnohdy může způsobit nečekané vlhkostní komplikace, na které nebyla konstrukce vůbec dimenzována. Typickým místem, kde se vícerozměrná difúze vodní páry významně uplatňuje, je oblast atiky. Zvláště u staveb s vlhkým vnitřním prostředím, jakými jsou např. bazénové haly, je třeba podobné detaily pečlivě vyhodnocovat. Jako ilustrace dobře poslouží atika nad sprchami u bazénu, která byla původně navržena z vysoce prodyšného zdiva, uzavřena parozábranou z vnější strany a opatřena nepříliš velkou tloušťkou tepelné izolace. Jak je patrné z Obr. 8, ve zdivu atiky vzniká při tomto řešení poměrně velká oblast kondenzace vodní páry a reálně hrozí stékání vzniklého kondenzátu dutinami cihelných tvarovek směrem k interiéru se všemi možnými dalšími negativními dopady. 

Obr. 8 Oblast kondenzace vodní páry v detailu atiky nad sprchami

Literatura

[1] ČSN EN ISO 13788 Tepelně-vlhkostní chování stavebních dílců a stavebních prvků – Vnitřní povrchová teplota pro vyloučení kritické povrchové vlhkosti a kondenzace uvnitř konstrukce – Výpočtové metody, UNMZ Praha 2013

[2] Programy Teplo 2015 a A