Systém pro měření vlhkosti konstrukcí staveb

Nadměrná vlhkost konstrukci škodí a v první fázi zhoršuje její tepelněizolační parametry. Při dlouhodobém působení může mít vliv na rychlejší degradaci únosnosti konstrukce. Podmínky v konstrukci budovy ovlivňují vnitřní prostředí, ve kterém žijeme, a stejně tak uživatelé stavby mohou mít vliv na podmínky uvnitř konstrukce. Integrovatelné senzory v konstrukci mohou být pomocníkem, který dokáže poskytnout informaci o vlhkostním stavu v konstrukci budovy – tj. zda je v dobrém stavu, či je třeba zasáhnout nebo změnit chování uživatele v budově. Užití systému Senzomatic společnosti MoistureGuard ve výškových dřevostavbách bylo představeno v časopise Stavebnictví 04/2023.

Úvod

Vnitřní prostředí budov je prostor, kde trávíme většinu času, je tedy třeba mu věnovat zvýšenou pozornost, aby dlouhodobý pobyt v interiéru neměl negativní následky na naše zdraví. Dodržování vhodné teploty je poměrně snadno ověřitelné a lidský organismus je sám o sobě velmi citlivým senzorem teploty. U dodržování vhodné vlhkosti už tomu tak být nemusí a příznaky nízké vlhkosti jsou patrny až po delším pobytu v budově. Vnímání koncentrace oxidu uhličitého lidským organismem také není bezprostřední a následky, jako jsou bolest hlavy, únava nebo ztráta pozornosti, se mohou projevit až po několika hodinách.

Pro vyhodnocování kvality vnitřního vzduchu existuje na trhu řada zařízení a senzorů, které jsou v moderních domech často spřaženy s dalšími systémy TZB, zejména vytápěním, chlazením či nuceným větráním. Tyto systémy mohou fungovat zcela autonomně – bez zásahu uživatele podle nastaveného plánu nebo preferované hodnoty – a hlídají podmínky v interiéru budov.

Jak je to však se samotnou konstrukcí budovy, kde přímo nevidíme, jaké podmínky v ní panují? Nevhodné podmínky v konstrukci přitom mají vliv na prostředí v interiéru a naopak. Vysoká vlhkost zdiva, špatná tepelná izolace, tepelné mosty a další vlivy mohou v kombinaci s nevhodnými podmínkami v konstrukci způsobit kondenzaci vzdušné vlhkosti na površích v interiéru. Ta při delším působení zapříčiní růst plísní, jejichž spóry ohrožují zdraví osob v ní žijících.

Vzhledem k tomu, že růst plísní není pro kvalitu vzduchu v interiéru vhodný, je nutné realizovat nápravná opatření, která v tom nejjednodušším případě rostoucí plísně odstraní, v lepším případě zabrání jejich opětovnému růstu zásahem do konstrukce nebo změnou chování uživatelů domu. Stejně jako na interiérových površích může docházet ke kondenzaci i na rozhraních v konstrukci, která jsou skryta. Zjistit aktuální stav nebo vznikající problém není jednoduché. Senzory integrované přímo v konstrukci nám umožní odhalit potenciálně problémová místa mnohem spolehlivěji a rychleji – dříve, než se následky objeví na stěně v interiéru.

Komponenty systému Senzomatic

Je zřejmé, že pouze informace ze senzorů v interiéru nebude pro komplexní zhodnocení stavu budovy a vnitřního prostředí dostačující. Pokud je třeba zjistit i aktuální stav konstrukce samotné, je nutné instalovat senzory přímo do ní, nejlépe již v momentě realizace stavby, protože tehdy je přístup do konstrukce nejjednodušší a instalace nejrychlejší.

Systém Senzomatic nabízí senzory, které jsou schopny měřit podmínky panující přímo v konstrukci (obr. 1). Primárním účelem systému byla ochrana dřevěných konstrukcí. Zvýšenou vlhkostí, jež je způsobena kondenzací nebo průnikem vlhkosti, totiž dochází k degradaci tepelněizolačních vlastností materiálu, případně ke vzniku biologických procesů, které mohou přírodní materiály nenávratně poškodit. Postupně se však aplikace tohoto systému rozšířila také na další konstrukce. Typickým příkladem velmi rozšířené aplikace systému jsou konstrukce plochých střech.

Současně nabízené senzory HT a MHT komunikují data o teplotě, relativní vzdušné vlhkosti a hmotnostní vlhkosti přímo z míst v konstrukci pomocí drátového rozhraní RS485 s protokolem Modbus RTU. Podmínky v konstrukci však ovlivňuje jak exteriér, tak interiér, a proto v portfoliu nechybí senzory, které se instalují přímo do interiéru a exteriéru, kde měří teplotu a vlhkost. Je možné případně využít i komplexnější senzor IAQ, jenž kromě teploty a vlhkosti měří i koncentraci CO₂ a organických těkavých látek VOC ve vzduchu.

V současné době probíhají pilotní testy bezdrátových senzorů komunikujících v pásmu 868 MHz do lokální bezdrátové brány připojené k internetu, která zabezpečí zasílání dat na server pro další pokročilé vyhodnocení. V blízké budoucnosti budou bezdrátové komponenty zařazeny do portfolia nabízených senzorů a jeden systém bude v jediné instalaci schopen kombinovat jak drátové, tak bezdrátové varianty senzorů.

Instalace bezdrátových senzorů je znatelně jednodušší díky absenci kabelů. Vývoj bezdrátových komponent byl podpořen z programu TREND 3 Technologické agentury České republiky v rámci projektu FW03010267. Další bezdrátové systémy pro plnou integraci do prefabrikovaných dílů nebo senzory s možností výměny baterie se aktuálně vyvíjejí v rámci tohoto projektu na ČVUT UCEEB ve spolupráci s firmami InoSens CZ a MoistureGuard.

Právě díky bezdrátovým komunikačním technologiím přenosu dat s nízkou spotřebou lze integrovat do konstrukce senzory napájené vestavěnou baterií, které budou poskytovat data po dobu několika let. Pro mnohé aplikace je doba životnosti monitoringu pět až osm let dostačující. Takové senzory se dají integrovat přímo při prefabrikaci konstrukčních dílů nebo při rekonstrukci zděné budovy či dřevostavby. V přípravě je i bezdrátový produkt, který umožní uživateli výměnu baterie na přístupném místě, zatímco vlastní senzory budou umístěny ve spodní, nepřístupné části konstrukce. V tomto případě vydrží baterie dva až tři roky provozu.

Význam senzorů v konstrukci

Senzory v konstrukci poskytují data o teplotě, relativní vlhkosti a v případě dřevěné konstrukce rovněž o hmotnostní vlhkosti dřeva. Tato data a jejich historický vývoj umožní stanovit nejen to, zda jsou aktuální podmínky pro konstrukci vhodné, či nikoli. Pomohou také odhadnout, zda dlouhodobé působení těchto podmínek mohlo v konstrukci vyvolat biologické procesy, jakým je např. růst plísní. Aktuální podmínky existující v konstrukci lze posoudit na základě laboratorně ověřených matematických modelů, které upřesní, zda aktuální kombinace teploty vlhkosti bude přispívat k rozvoji
růstu plísní.

Vstupní hodnotou těchto modelů jsou právě časové řady hodnot teploty a vlhkosti, parametry popisující materiál a jeho opracování (např. hoblované vs. nehoblované stavební řezivo použité v konstrukci). Matematické modely jsou dostupné nejen pro dřevo, ale i pro další typické stavební materiály, jako jsou beton, sádrokarton nebo tepelněizolační materiály. Výstupem modelu je intenzita růstu plísně. Jednotlivé matematické modely se liší numerickou reprezentací intenzity růstu, ale v principu pracují velmi podobně. Jeden z nejstarších, avšak poměrně komplexně řešených modelů je model růstu plísní navržený na finském státním Technickém výzkumném středisku (VTT) [1].

Míra zasažení je vyjádřena číselnou hodnotou M v rozsahu 0–6, kdy 0 znamená, že žádný růst plísní neprobíhá a podmínky jsou pro růst plísní nevhodné. Hodnota 6 naopak znamená intenzivní a silné bujení plísní s takřka 100% pokrytím povrchu materiálu. Velmi orientačně lze vyjádřit i intenzitu růstu plísní v konstrukci, a to grafem na obr. 2, který však platí pouze pro velmi dlouhodobé působení podmínek dané vlhkosti a teploty. Publikované modely jsou ve většině případů integrální a sčítají vypočtené hodinové dávky vlhkosti, které je materiál vystaven.

Vzhledem k tomu, že senzory Senzomatic v konstrukci sbírají hodnoty teploty a vzdušné vlhkosti, lze na data v reálném čase aplikovat matematický model výpočtu rizika růstu plísně a tuto hodnotu průběžně aktualizovat na základě předchozích dat.

Praktickou aplikaci využití senzorů pro predikci rizika růstu plísní v rámové konstrukci dřevostavby můžeme vidět na obr. 3. Konstrukce domu je monitorována od roku 2015. Senzory jsou umístěny na šesti rizikových místech v konstrukci. Grafy na obr. 3 ukazují celoroční průběh teploty a vlhkosti v konstrukci.

Na datech vlhkosti jsou dobře patrny dvě havárie, kdy došlo k prudkému nárůstu vlhkosti v konstrukci. Ta byla po havárii delší dobu vystavena zvýšené vlhkosti. Model nám odpovídá na otázku, zda v ní byly podmínky vhodné pro růst plísní, za jak dlouho konstrukce vyschla a zda riziko růstu plísně bylo opět minimalizováno. Po první havárii v roce 2016 dosáhl index M hodnoty 3, ale pak začala konstrukce vysychat. Můžeme proto s jistotou říci, že riziko pominulo a podmínky v konstrukci se vrátily na bezpečnou úroveň.

Při další havárii 2020 byla konstrukce vystavena vysokým hodnotám vlhkosti po delší dobu a index rizika zasažení konstrukce M dosáhl maximální hodnoty 6, čemuž odpovídá silné zasažení konstrukce plísněmi. I v tomto případě však byly učiněny nápravné kroky, problém byl odstraněn a konstrukce začala vysychat. Včasná detekce zvýšené vlhkosti je stejně důležitá jako následný monitoring vysychání konstrukce. Když konstrukce samovolně vyschnout nedokáže, doporučuje se ji otevřít a nechat aktivně vysušit. Senzory nám současně poskytnou také informaci o průběhu vysychání nebo aktivního vysoušení.

Řešení i pro ploché střechy

Využití integrovaných senzorů je možné použít i pro monitoring plochých střech (obr. 4). Zatékání porušenou hydroizolací nemusí být jediným problémem, se kterým se u plochých střech setkáváme. Konstrukci mohou ohrozit i vodní páry pronikající ze strany interiéru přes parobrzdu nebo porušenou parozábranu.

V zimním období teplota na spodní straně hydroizolace klesá pod rosný bod a dochází ke kondenzaci jakýchkoli vodních par, kde zkondenzovaná voda prostupuje tepelnou izolací, jejíž parametry zhoršují a poškozují konstrukci samotnou. Problém může být dlouho skryt a oprava znamená otevření konstrukce střechy. V momentě, kdy je konstrukce otevřena, je ideální čas pro instalaci senzorů, které nám budou v budoucnu poskytovat údaje o tom, zda oprava byla úspěšná, v konstrukci již ke kondenzaci nedochází, ale naopak vysychá.

Příkladem může být velmi rychlá a snadná instalace rádiového senzoru do opravené části dřevěné konstrukce ploché střechy na obr. 4. Instalace senzoru na nově opravené trámy v konstrukci trvá cca 1 minutu a poskytuje data o hmotnostní vlhkosti masivního dřevěného trámku i teplotě a vlhkosti v tepelněizolačním materiálu, kterým je konstrukce střechy vyplněna. Tato kombinace hodnot spolu s teplotou v exteriéru prozradí, zda může dojít ke kondenzaci na spodní straně hydroizolace nebo zaklápěcí OSB desky.

Jednoduchá a rychlá instalace bez nutnosti vedení kabelů je předností rádiového systému. Centrální jednotka se pak umístí kdekoli v budově, kde je napájení a přístup k internetu, protože komunikační dosah bezdrátového přenosu je dostatečný pro pokrytí větší budovy jedinou centrální jednotkou s bezdrátovým rozhraním.

Závěrem

Systémy integrovatelných senzorů jsou levným preventivním řešením, které umožní včas detekovat podmínky, které jsou z hlediska působení na konstrukci stavby a materiály, jež jsou v ní použity, nebezpečné a při dlouhodobém působení mohou mít za následek degradaci vlastností konstrukce nejen z tepelněizolačního hlediska, ale i z hlediska její únosnosti. Tyto problémy nemusí nutně končit kolapsem konstrukce, častějším řešením je její nákladná oprava. Včasná informace o nebezpečné situaci a lokalizace problému v konstrukci pomůže stavebníkovi získat cenný čas a eliminovat tak množství vynaložených financí na případnou opravu. To platí u konstrukce jakéhokoli typu bez ohledu na použité materiály. Problém s vlhkostí tak neznamená pro konstrukci katastrofu, pokud se totiž odstraní a konstrukce vyschne, může sloužit dalších několik desítek let. Pro dřevěné konstrukce to platí dvojnásob. Pokud v budoucnosti chceme stavět budovy ze dřeva, které nám budou sloužit více než sto let, budou integrované senzory v konstrukci jejich nedílnou součástí. To platí i pro velké objekty a vícepodlažní dřevostavby.

Poděkování
Projekt FW03010267 – Systém pro komplexní monitorování stavu konstrukcí dřevostaveb je spolufinancován se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci Programu TREND.

Zdroje:
[1] OJANEN, T.; H. VITTANEN at al. Mold Growth Modeling of Building Structures Using Sensitivity Classes of Materials, ASHRAE Buildings XI Conference, 2010, Florida.
[2] OJANEN, T.; H. VITTANEN. Improved Model to Predict Mold Growth in Building Materials, ASHRAE Buildings X Conference, 2007.