Střecha jako ochrana a ozdoba domu
Střecha chrání dům a jeho obyvatele před horkem a mrazem, přívaly sněhu, vichřicí, deštěm, krupobitím a blesky nebo palčivým letním sluncem, které ji rozpálí až k 80 °C. Střecha by měla být vždy půvabná a mladá. Tento cíl lze splnit, když správně odhadneme přírodní síly, které na střechu působí, a podle toho ji naplánujeme, zvolíme pro ni vhodné materiály a postavíme.
V tomto článku se věnujeme dvouplášťovým šikmým střechám se skládanou pálenou krytinou. Tyto střechy obsahují větranou vzduchovou mezeru mezi krytinou a pojistnou hydroizolací, což je vodotěsná a zároveň paropropustná fólie. Pod ní je pak vrstva tepelné izolace, která chrání obytný prostor před ztrátami tepla. Této sestavě se často říká teplá střecha.
Keramická kráska a její role
Tvrdě slinutá keramika, jež si svými vlastnostmi nezadá s kamenem, který formovala příroda miliardy let, je ideální pro venkovní plášť střechy, čili střešní krytinu. Keramická střecha upoutá kolemjdoucí svým šarmem a vedle toho účinně odcloní všechny venkovní extrémy počasí. To ale platí jen tehdy, když rozumíme nejen střechám, ale i působení přírodních sil.
Funkci střechy popisoval např. Jan Rypl v článku Máte správně větranou střechu? na www.tzb-info.cz ze 2. prosince 2010 takto:
„Hlavní zdroj vodních par se pod střešní plášť dostává z vnitřního prostředí domu. A to buď přímo průnikem vodních par přes zateplený strop či šikminu z vytápěného podkroví..., nebo přes paropropustný strop ze spodního vytápěného interiéru do studeného půdního prostoru... Ventilační mezera pak zajišťuje, aby nedocházelo k degradaci střešní krytiny (koroze, delaminace vrstev, vápenné výkvěty na povrchu střešní krytiny, spodní rozpad, degradace tvaru, degradace vzhledu...) a zároveň zabezpečuje, aby pod střešní krytinou či na nosných konstrukcích krytiny (latě, bednění, krokve,...) nevznikaly neodpařitelné kondenzace vodních par a aby tak bylo zabráněno vzniku plísní, hnilob a jiné koroze, a rovněž aby nedošlo k destrukci funkce použitých tepelných izolací navlháním od těchto neodpařitelných kondenzací.”
Totéž říkají či opisují mnozí jiní autoři. Neúplnost tohoto popisu je v tom, že pracuje jen se vzduchem a jeho teplotami a zapomíná, že v atmosféře probíhají silné a určující zářivé děje. Je to sluneční záření o energetické intenzitě až 1 000 W/m2, nebo působení chladné oblohy. První intenzivně ohřívá povrchy (vč. střech) a má tak silný vysoušecí efekt. Druhý děj naopak povrchy chladí a iniciuje tvoření rosy a kondenzátu.
Pro čtenáře, kteří vidí svět jako bitvu protikladů a ne jako jejich souhru, poznamenejme, že tento text nekritizuje větranou střechu, ale jen ukazuje s čím tato střecha „pracuje”.
Sluneční záření
Jde o horké záření o teplotě 5 510 °C, což je povrchová teplota na Slunci. Když toto záření opouští slunce, je jeho intenzita 63,422 MW/m2, na povrch Země, pokud tomu nebrání oblačnost, dopadá už jen s intenzitou do 1 000 W/m2. Z pozemského pohledu jde o „téměř” bodový, ale velmi vydatný zdroj světla a tepla.
Chladné působení oblohy
Kdyby Země neměla skleníkovou atmosféru, měli bychom nad hlavami vesmír, jehož teplota je 3 K, tzn. –270,15 °C. Vesmír chladí ne proto, že vydává „chladné” záření, ale proto, že nezáří. Přesněji září (podle Stefan – Boltzmannova zákona) tepelné záření jen o intenzitě 0,0000046 W/m2. Chladně působí proto, že všechno záření od Země pohltí, ale nevrací skoro nic.
Díky skleníkové atmosféře má jasná obloha nad námi mnohem vyšší teplotu, než vesmír, a sice cca –60 °C, což odpovídá sálání o intenzitě 117 W/m2. To se pak mísí s tepelným zářením zemského povrchu, u nás rozmezí –20 °C (v zimě) až 30 °C (v létě). Výsledkem je zářivá teplota –40 °C a intenzita 168 W/m2 v zimě a v létě pak –15 °C, resp. 252 W/m2. Při silně zatažené obloze se teplota záření blíží teplotě vzduchu, což se nejvíc blíží normovým podmínkám.
Odbočení
Pocit tepla nebo chladu plyne z bilance záření, které si okolí vyměňuje s námi. Člověk o tělesné teplotě 35 °C vyzařuje teplo s intenzitou (Stefan – Boltzmannův zákon) 511 W/m2. Stěny místnosti o teplotě 25 °C mu vracejí 448 W/m2, takže ztrácí jen 63 W/m2. S tím si tělo poradí. Je-li ale obklopeno vesmírem, který mu vrací jen necelých 5 μW/m2, je jeho ztráta 511 W/m2 a tu by jeho metabolismus už (bez skafandru) nezvládal.
Projevy chladného záření
Všichni známe raní rosu nebo jíní na trávníku, autě, na venkovním skle kvalitních oken nebo na zateplené fasádě domů. Vzniká tu proto, že pod studenou oblohou klesne teplota pozemských povrchů cca o 10 °C i více pod teplotu vzduchu a hlavně pak pod teplotu rosného bodu.
Ještě víc klesne teplota krytiny. Důvodem je její malá tepelná kapacita a to, že „visí” ve vzduchu a nezahřívá ji ani zem, ani budova: tepelná izolace střechy (U ≤ 0,2 W/(m2K)) neumožňuje zásobení krytiny teplem z interiéru. Zato vlhký venkovní vzduch, vstupující do mezery, rosení posílí.
Hlavní zdroj vlhkosti se pod střešní plášť tak dostává nikoliv z vnitřního prostředí domu, nýbrž z venkovního vzduchu, který vniká do podchlazené ventilační mezery a kondenzuje tu. Děje se tak hlavně v noci a k ránu, kdy jsou nejnižší denní teploty a vysoká vlhkost vzduchu.
Důkaz chladivé oblohy
Mnoho lidí si představuje tepelné záření jako paprsek, přeskakující z tělesa na těleso. Často je to ale kontinuum, neboli fotonový plyn vyplňující atmosféru, jehož energetické složení popisuje pro danou teplotu Planckův zákon z roku 1900. Příměr přeskakujícího paprsku se lépe hodí na sluneční záření dopadající na zem nebo na tepelné záření rozpálené střechy, které absorbuje atmosféra.
Chladná obloha nevyvolává jen ranní rosení. Nebýt chladné oblohy, povrchy střech by se na přímém slunci a za bezvětří ohřály významně i nad 100 °C. V praxi to je zřídka nad 70 °C, což lze vysvětlit pouze existencí chladné oblohy.
Normativní popis
Norma [1] sice o tepelném zářením mluví, ale nepočítá s ním. Ukažme si to na kultovní rovnici:
I = U.(tE –tI) (1)
kde I je intenzita tepelného toku ve W/m2, U je součinitel prostupu tepla konstrukcí ve W/(m2K) a tE, tI je venkovní, resp. vnitřní teplota vzduchu. Pro součinitel U pak platí:
U = 1/(0,13+R+0,04) (2)
kde R je tepelný odpor střechy a 0,13 m2K/W, resp. 0,04 m2K/W jsou normativní odpory při přestupu tepla do vnitřního, resp. venkovního prostředí. Nás zajímá ten druhý:
rE = 0,04 = 1/(hER+hEC) (3)
kde hEC = 5 W/(m2K) je součinitel při přestupu tepla vedením a prouděním a hER = 20 W/(m2K) je součinitel při přestupu tepla sáláním, oboje z venkovního povrchu střechy do venkovního prostředí.
Všimněme si, že sálavá složka hER v rovnici (3) je 4× větší, než hEC. To znamená, že norma [1] zaznamenala význam sálaní i jeho silnější roli. Ke škodě věci jen formálně, protože nechává člen hER (stejně jako složku hEC) pracovat jen s teplotami vzduchu, ale nikoliv s intenzitami nebo teplotami záření. To je jako bychom měřili peníze na kg, a ne na jejich kupní hodnotu. Výsledkem je, že norma [1] nejenže „nevidí” a tudíž neřeší zimní a letní teplotní extrémy, ale dává nesprávný odhad celoroční energetické (s)potřeby domu.
Dnešní střechy a jejich chování
V zimě do větrané mezery pod keramickou krytinou záměrně proudí venkovní vzduch se svojí teplotou a vlhkostí. Pokud je ráno na trávníku, autech, oknech z venkovní strany nebo na střeše rosa nebo jinovatka, bude i ve větrané mezeře, tj. na spodní straně krytiny a na difúzní hydroizolaci. Tyto povrchy mohou být dokonce chladnější, než ojíněná zem, a tudíž více orosené či ojíněné.
Vycházející slunce většinou rychle ohřeje a proteplí osluněné partie střechy, takže vlhkost (pokud se na ní v návrhu a realizaci dobře připravíme) rychle a beze škod zmizí.
V horkém létě, kdy se pod přímým sluncem ohřeje keramická krytina až k 80 °C, musíme počítat s tím, že do obytného prostoru bude prostupovat až 6× více tepla, než předpokládá normový teplovzdušný výpočet. Letní slunce je velmi silné a nelze věřit, že ho „vyvětráme” vzduchem ve ventilační mezeře. Nehledě na to, že k tomu nejsou vážné aerodynamické předpoklady.
Moderní návrh střechy
Vedle pohledové stránky věci náš problém obsahuje dvě úlohy: řešíme jednak zimní podchlazení střešní krytiny a difúzní mezery s fólií, a za druhé pak letní situaci, kdy předcházíme přehřívání střechy. Přitom se jinak díváme na rovnou střechu, která je za jasných dní osluněná celý bílý den, jinak na šikmou střechu mířící na jih, na sever atd.
Bíle střechy a domy
V Austrálii, na Bermudách, na Novém Zélandu i jinde pracuji architekti a stavitelé i s emisivitou střech, ale i stěn. To znamená se schopností krytiny odrážet sluneční i tepelné záření (vítaná obrana v létě proti přehřívání) a zároveň se schopností téže krytiny nevyzařovat teplo (vítaná vlastnost v zimě). Odrážející a zároveň teplo nesálající tašky nemusí být přitom zrcadlově lesklé; stejnou službu mohou odvést i matně světlé či bílé tašky, které při stejně vysoké odrazivosti a nízké sálavosti vykazují difúzní rozptyl záření do všech stran.
Literatura a zdroje:
[1] ČSN EN ISO 6946, ČNI 2008.
