Stavebná fakulta je dlhodobo súčasťou Žilinskej univerzity v Žiline (UNIZA) a je jednou z troch stavebných fakúlt v rámci Slovenska. Jedným z hlavných študijných programov, ktoré poskytuje je študijný program pozemné stavby, ktorý má akreditovaný vo všetkých formách denného štúdia, bakalárskej, inžinierskej a v doktorandskej aj v externej forme. Nosnou katedrou študijného programu je Katedra pozemného staviteľstva a urbanizmu (KPSU).

Katedra je v rámci výskumnej činnosti zameraná na dve základné oblasti, a to energetickú hospodárnosť budov a poruchy stavieb z dôvodu tepelno-vlhkostných javov. V prvej oblasti sa orientuje na problematiku obalových konštrukcií, zameraných na drevostavby, ktorej je venovaná pozornosť od roku 2010. Dlhodobý výskum je zameraný na problematiku transportu tepla a vody cez ľahké sendvičové obalové konštrukcie, ktoré sú vhodné pre budovy s takmer nulovou spotrebou energie. Za týmto účelom boli cielene budované aj laboratórne priestory, priebežne doplňované z prostriedkov projektov VEGA, projektov cezhraničnej spolupráce a v podstatnej miere z prostriedkov štrukturálnych fondov EÚ.

Vybavenie pracoviska umožňuje realizovať komplexný výskum na základe teoretických analýz, experimentálnych meraní v sústave flexibilných klimatických komôr (vystavené vzorky je možné vystaviť účinkom zmeny teplôt, vlhkosti vzduchu, simulácii slnečného žiarenia infračervenými lampami, UV žiarenia, prúdenia vzduchu, pretlaku vzduchu a vetrom hnaného dažďa - Obr. 1) a simulácií pomocou výpočtových programov dynamiky fluida.

Obr. 1: Typické usporiadanie sústavy klimatických komôr

Nezanedbateľnou súčasťou vybavenia pracoviska je Laboratórne centrum KPSU tzv. pavilónového typu (Obr. 2) [1], ktorej sa príspevok venuje podrobnejšie. Nachádza v bloku BJ3 areálu Žilinskej Univerzity a do prevádzky bolo uvedené v roku 2016 v rámci riešenia projektu zo štrukturálnych fondov „Výskumné centrum Žilinskej univerzity v Žiline“. Pozostáva z dvoch klimatizovaných miestností so stálou vnútornou klímou, v ktorých sú umiestnené v exteriérových stenách vzorky sendvičových obvodových stien o ploche 10 m² s východnou a južnou orientáciou. V každej miestnosti (pavilóne) je päť sekcií s rozdielnymi skladbami, vystavených reálnym klimatickým podmienkam.

Obr. 2: Pohľad na pavilónové laboratórium zo strany exteriéru - vpravo východne orientovaná stena, vľavo južne orientovaná stena

Cieľom experimentálnych meraní je získanie nových poznatkov o spriahnutom transporte tepla a vody jednotlivými vrstvami skladieb experimentálnych stien v odraze na energetickú hospodárnosť a kvalitu vnútorného prostredia počas celého roka.

Skladby jednotlivých sekcií boli zvolené tak, aby umožňovali sledovať účely výskumu pri použití:

Rôznych tepelno-izolačných materiálov radených v jednotlivých skladbách (grafitový penový polystyrén, minerálna vlna, kalcium-silikáty, fúkané čadičové vlákna, polyuretánové dosky, drevovláknité izolačné dosky, ovčia vlna).

Difúzne uzavretých a difúzne otvorených skladieb.

Rôznych typov fasádnych úprav interiérových a exteriérových (silikónové omietky, drevený obklad).

Rôznej orientácie na svetové strany (východ, juh).

Drevených nosných stĺpikov, umiestnených na rozhraniach jednotlivých sekcií.

Oba pavilóny experimentálnych stien pozostávajú zo skladieb vhodných pre obvodové plášte drevostavieb po roku 2020. Podrobnejšie informácie je možné zistiť v lit. [2].

Každá sekcia je navrhnutá tak, aby umožňovala v budúcnosti inštaláciu novej samostatnej skladby, navrhnutej podľa požiadaviek výskumu či praxe.

Nosná konštrukcia oboch experimentálnych obvodových stien je tvorená drevenou stĺpikovou konštrukciou, ktorá pozostáva z piatich sekcií šírky okolo 720 mm (Obr. 3 vľavo). Navrhnuté skladby sendvičových konštrukcií sú vhodné na reálne využitie pre obvodové plášte drevostavieb (Obr. 4). Vzduchotechnické programovateľné jednotky (Obr. 3 v strede) v oboch miestnostiach sú schopné zabezpečiť buď stálu vnútornú klímu (stacionárne podmienky), alebo umožňujú rôzne nastavenie teploty a relatívnej vlhkosti vnútorného vzduchu. Laboratórne miestnosti sú dokonale izolované od okolitého prostredia vo všetkých smeroch, sú vzduchotesné, s možnosťou regulácie vnútornej klímy a vystavené reálnym exteriérovým podmienkam danej lokality.

Podrobný prehľad tepelnotechnických vlastností a parametrov je uvedený v [2]. Obe experimentálne steny môžeme zo stavebno-fyzikálneho hľadiska definovať ako nehomogénne konštrukcie, čomu je prispôsobené aj rozmiestnenie zabudovaných snímačov teplôt a vlhkostí (cca 300 kusov). Hustoty tepelných tokov sú zaznamenávané na vnútorných povrchoch vzoriek. Obr. 3 vľavo znázorňuje pohľad na experimentálnu stenu z interiérovej strany a systém fixácie snímačov v súvrství konštrukcie, z ktorých sú získavané priebehy meraných veličín v príslušných pozíciách (napr. v troch výškových úrovniach, medzi jednotlivými vrstvami). Vyhotovením dvoch experimentálnych stien rovnakej skladby s rôznou orientáciou na svetové strany je možné porovnať vplyv orientácie na priebeh meraných parametrov.  

Obr. 3: Umiestnenie snímačov, ukážka z realizácie (vľavo), klimatizačná jednotka v laboratórnej miestnosti (v strede), meteorologická stanica (vpravo)  

Ďalšou súčasťou súboru meracích zariadení je meteorologická stanica, umiestnená na streche budovy, ktorá zaznamenáva teplotu a relatívnu vlhkosť vonkajšieho vzduchu, priame a difúzne slnečné žiarenie, rýchlosť a smer vetra a intenzitu zrážok (Obr. 3 vpravo). 

Generované súbory snímaných dát sú systematicky ukladané na dátové úložisko . Možnosť voľby časového kroku zaznamenávania údajov umožňuje bezproblémové zjednotenie jednotlivých údajov.

 EXPERIMENTÁLNE MERANIA  Na ilustráciu výsledkov boli vybrané rovnaké skladby ľahkých sendvičových stien s rôznou orientáciou (juh, východ - Obr. 4, Obr. 2 - vľavo stredová časť, vpravo ľavá časť). Ich zloženie bolo z exteriérovej strany nasledujúce: silikónová omietka bielej farby Weber OR1E hrúbky 2 mm, Weber Therm Leparm 3 mm, Isover Twinner 100 mm, Isover Insufil 220 mm a Kingspan Kooltherm K5 40 mm.  

Vypočítaný súčiniteľ prechodu tepla hodnoteného fragmentu steny U v programe Teplo je 0,10 W/(m²K), čím skladba splňuje cieľové odporúčané hodnoty, ktoré budú záväzné od 01.01.2021. Celoročné množstvo skondenzovanej vodnej pary M_c v stene je 0,1434 kg/(m².a) a celoročné množstvo vyparenej vodnej pary M_ev je 1,866 kg/(m².a) čo znamená priaznivý ročný vlhkostný režim.

 Obr. 4: Schéma skladieb východne orientovanej fasády - posudzovaná skladba celkom vpravo

  Na nasledujúcich obrázkoch sú vybrané priebehy teplôt v jednotlivých fragmentoch vo vybranom časovom úseku [3]. Hodnoty teplôt sú z druhej výškovej úrovne a teda sa nachádzajú v strede výšky experimentálnej steny. Na ukážku boli vybrané 2 týždne v mesiaci marec, kedy boli na začiatku záporné teploty vzduchu a ku koncu sledovaného úseku už boli v kladných hodnotách. Konkrétne to bolo od 01.03.2018 do 14.03.2018 (Obr. 5, 6). Na východne orientovanej stene zo strany exteriéru bola nameraná najvyššia povrchová teplota 33,69°C a najnižšia -19,14°C. Pri južne orientovanej stene boli tieto teploty odlišné, pričom najvyššia povrchová teplota bola 37,62°C a najnižšia nameraná -18,32°C.

 Letné obdobie je charakteristické tým, že počas dňa sú teploty v exteriéri vyššie ako v klimatizovaných miestnostiach. Avšak tieto rozdiely nie sú až také výrazné ako v zimnom období. Na základe pozorovaní boli vybrané dva posledné týždne v mesiaci august 2018, počas ktorých boli teploty vzduchu nad 30°C avšak na pár dní došlo k výraznému ochladeniu [4]. Priemerná teplota vzduchu bola 20,5°C, pričom maximálna teplota bola 35,5°C a minimálna 9,1°C (Obr. 7, 8). Priemerná relatívna vlhkosť vonkajšieho vzduchu bola 64,6%. Maximálna nameraná hodnota počas tohto obdobia bola 95% a minimálna 24%. Počas zamračených dní, respektíve pri absencii dopadu slnečných lúčov na experimentálne steny je vidieť výrazný pokles teplôt.  

Obr. 5: Priebeh teplôt v skladbe steny s južnou orientáciou (01.03. až 14.03.2018) 

Obr. 6 : Priebeh teplôt v skladbe steny s východnou orientáciou (01.03. až 14.03.2018)

Stena J3 s južnou orientáciou mala počas tohto obdobia najvyššiu nameranú hodnotu povrchu 52,21°C a najnižšiu 6,42°C. Najvyššia nameraná teplota pri východne orientovanej stene V5 bola 51,24°C a najnižšia hodnota 5,96°C. 

Obr. 7: Priebeh teplôt v skladbe steny J3 s južnou orientáciou (18.08. až 31.08.2018)

Obr. 8: Priebeh teplôt v skladbe steny V5 s východnou orientáciou (18.08. až 31.08.2018)

POROVNANIE EXPERIMENTÁLNYCH MERANÍ A SIMULÁCIÍ

   Na vyhodnotenie hygrotermického správania obalových konštrukcií budov je v súčasnosti možné použiť výpočtové simulačné nástroje, ktoré dávajú projektantom nebývalé možnosti namodelovať si ich budúce správanie v rôznych okrajových podmienkach ich budúceho použitia. Problémom je však ich dôsledné overenie pomocou meraných údajov [5].

Na sledovanie našich vybraných sendvičových stien bol použitý Softvér WUFI Pro 5.1 [6]. V simuláciách boli použité nasledujúce okrajové podmienky. Pre vnútorné prostredie sa zadala konštantná teplota 20°C a konštantná relatívna vlhkosť vzduchu 50 %. Pre vonkajšie prostredie sa zadali reálne klimatické podmienky v lokalite UNIZA, ktoré sa získali z vlastnej meteorologickej stanice [7]. Meteorologická stanica je umiestnená na streche budovy, kde je experimentálny výskum pavilónu. Hodnoty sa zaznamenávajú počas celého roka. Neustále zhromažďovanie údajov je v hodinových intervaloch. Nameraný a simulovaný teplotný profil v sekcii fragmentu experimentálnej steny ukazuje porovnanie nameraných a simulovaných teplotných údajov z južne orientovanej skladby (Obr. 9).

Obr. 9: Graficky porovnané experimentálne meranie so simuláciou pre skladbu steny J4

Porovnanie nameraných a simulovaných výsledkov ukazuje na pomerne dobrú zhodu. Počas dňa sú priebehy teplôt takmer zhodné v nočných hodinách kolíšu viac v závislosti od hĺbky uloženia jednotlivých snímačov od exteriéru. Najväčšie teplotné rozdiely sa vyskytujú počas dňa na vonkajšom povrchu, teda v omietke. Z grafu je možné odčítať ako sa počas vybraných dní menilo počasie. Najlepšie je to vidieť na krivkách, ktoré predstavujú teplotu na vonkajšom povrchu. Na začiatku týždňa bolo zamračené počasie, ktoré sa nasledujúce dva dni zmenilo na slnečné, kedy bola povrchová teplota aj viac ako 20°C. Počasie sa ku koncu týždňa zhoršilo, čo je možné odčítať z grafu, kde povrchová teplota výrazne poklesla oproti slnečným dňom. Krivka, ktorá znázorňuje teplotu pod OSB doskou je v simuláciách stála, vzhľadom na to, že vnútorná teplota bola zadaná ako konštanta 20°C. Zatiaľ čo pri meraných priebehoch teplôt hodnota osciluje okolo teploty 20°C. Tieto merania sú čiastočne ovplyvnené klimatizačnými jednotkami, ktoré sa v miestnosti nachádzajú na zabezpečenie stacionárnych podmienok. Na základe kriviek je dobre viditeľný fázový posun teplôt v konštrukcii zo strany exteriéru smerom k interiéru.

ZÁVER

    Príspevok predstavuje časť výskumno-vývojového potenciálu pracoviska KPSU SvF UNIZA a ukážku výsledkov meraní ľahkých sendvičových obvodových stien. Analýzou meraní je možné priebežne získavať informácie o režime správania sa uvedených skladieb obalových konštrukcií pre drevostavby v priebehu celoročného obdobia. Účelom laboratórií je a bude výskum, vývoj a návrh obalových konštrukcií budov na báze dreva v súlade s ich priaznivým životným cyklom. Merané výsledky je možné porovnávať s výsledkami numerických počítačových simulácií na vytvorenom modeli, pomocou ktorých je možné pozorovať zmenu súčiniteľa prechodu tepla v čase ako odozvu prirodzenej zmeny klimatických podmienok podľa časového obdobia v priebehu dňa, mesiaca, resp. zvoleného ročného obdobia.  

Vzhľadom na použité rôzne druhy materiálov a ich kombinácie je možné sledovať a porovnávať ich správanie pri rovnakých okrajových podmienkach zo strany exteriéru ale aj interiéru. V súčasnosti stacionárne podmienky vnútorného prostredia budú v budúcnosti priebežne zhoršované (zvyšovaním relatívnej vlhkosti, znižovaním vnútornej teploty) čo umožní získať nové poznatky zo spriahnutého transportu tepla a vody a porovnanie výsledkov zo simuláciami pri zmenách počiatočných a okrajových podmienok.

Uvedené laboratórne experimenty bude možné verifikovať testovaním vo vlastných klimatických komorách na už vyhotovených vzorkách vybraných fragmentov skladieb stien. Klimatické komory, umiestnené v prístavbe Výskumného centra UNIZA umožňujú simulovanie vnútornej klímy a vonkajšej klímy, medzi ktorými sa nachádzajú vystavené vzorky obalových konštrukcií s možnosťou meraní vplyvov vetrom hnaného dažďa, rozdielu teplôt, filtrácie vzduchu a UV žiarenia. Zostavy komôr sú flexibilné a umožňujú merania pri zmene teplôt, vlhkosti vzduchu, simuláciu slnečného žiarenia infračervenými lampami, simuláciu prúdenia vzduchu, pretlaku vzduchu a vetrom hnaného dažďa.

Tepelnovlhkostná mikroklíma vnútorného priestoru pavilónov bude sledovaná guľovým teplomerom, anemometrom a teplotou vnútorných povrchov s možnosťou sledovania vplyvu zmien teploty a relatívnej vlhkosti vnútorného vzduchu na tepelnú pohodu.

Nezanedbateľným prínosom pracoviska okrem výskumu je aj edukácia študentov v tejto oblasti, s aktívnym zapojením študentov a doktorandov do výskumnej činnosti.

Experimentálne, laboratórne a výpočtové zariadenia pracoviska sú k dispozícii aj záujemcom zo stavebnej praxe.

Poďakovanie

Článok vznikol za podpory grantového projektu VEGA č. 1/0945/16.

Literatúra

[1]      Staffenova, D., Rybarik J., Jakubcik M.: Intention, principle, outputs and aims of the experimental pavilion research of building envelopes including windows for wooden buildings 2017 Civil and Environmental Engineering 13, 42-51A.

[2]      Ďurica, P., Iringová. A., Ponechal, R., Rybárik, J., Vertaľ, M.: Energetické a environmentálne navrhovanie a hodnotenie budov. Žilina: EDIS, 2017.

[3]      Kabátová, V., Ďurica, P., Juráš, P.: Vybrané výsledky meraní experimentálnych skladieb ľahkých sendvičových obvodových plášťov drevodomov. Tepelná ochrana budov, Štrbské Pleso, 2019.

[4]      Kabátová, V.: Analýza transportu tepla a vody vybranými sendvičovými stenami drevostavieb. Dizertačná práca, SvF UNIZA, 2019.

[5]      Ponechal, R.: Simulácie budov. Žilina : Žilinská univerzita, 2015. - 156 s.

[6]      https://wufi.de.

[7]      Juráš, P., Jurášová, D.: Influence analysis of climate data time-step on the accuracy of HAM simulation. XXVII R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering, Londýn: EDP Sciences, 2018, s 1-8.

prof. Ing. Pavol Ďurica, CSc.

Žilinská Univerzita v Žiline

Stavebná fakulta, Katedra pozemného staviteľstva a urbanizmu