Zelené strechy ako súčasť energetickej efektívnosti budov

12. apríla 2017

Partneri sekcie:

V súvislosti s budovami sa dnes čoraz častejšie hovorí o použití zelených striech, a to nielen v súvislosti s klimatickými zmenami. Tento článok má za cieľ pripomenúť ich rôznorodé prínosy, sumarizovať viaceré vedecké štúdie zaoberajúce sa vplyvom zelených striech na energetickú hospodárnosť budov a pomenovať vhodné kritériá výberu konkrétneho riešenia zelenej strechy.

Klimatické zmeny na Slovensku

V období rokov 1961 až 2010 narástla priemerná teplota na Slovensku o 1,0 °C. Predpokladá sa, že tento trend bude pokračovať s oteplením o 2 až 4 °C do roku 2100. Nárast teploty sa pritom prejavuje (a aj v budúcnosti sa bude prejavovať) viac v teplej ako studenej časti roka. Zároveň klesá aj ročný úhrn zrážok a do budúcna treba počítať najmä s predlžovaním časových úsekov bez zrážok, ktoré sa budú striedať s extrémnymi zrážkami v krátkych obdobiach.

Tieto zmeny klímy nás nútia premýšľať o tom, ako stavať a obnovovať budovy, aby svojim užívateľom poskytovali potrebnú ochranu, komfort a efektívnosť aj v nových podmienkach – inými slovami, nútia nás premýšľať o adaptácii budov na klimatické zmeny [1].

Základná charakteristika zelených striech

Často citovanou odpoveďou na adaptáciu budov sú okrem iného zelené strechy. Podľa typu vegetácie sa zelené strechy delia na extenzívne a intenzívne (tab. 1; obr. 1). S tým súvisia aj rozdielne možnosti funkčného využitia strechy, potrebná hrúbka substrátu, potreba umelého zavlažovania a ďalšie parametre.

Zelené strechy využívajú ako substrát typicky zeminu, ale k dispozícii sú aj alternatívy, kde (ako napríklad v prípade systému Urbanspace [2]) plní funkciu zadržiavania vody minerálna vlna.

Obr. 1 Extenzívna (vľavo) a intenzívna (vpravo) zelená strecha

Za najdôležitejšie prínosy zelených striech v mestskom prostredí sa zvyknú označovať:
•   absorpcia oxidu uhličitého a vplyv na miestnu klímu odparovaním vlhkosti, viazaním prachu a škodlivín zo vzduchu,
•   zvyšovanie biodiverzity,
•   zadržanie zrážkovej vody (30 – 90 % podľa typu vegetačnej strechy), zníženie poplatkov za odvod zrážkovej vody do kanalizácie,
•   zníženie nákladov na vykurovanie a klimatizáciu,
•   predĺženie životnosti strechy – ochrana pred UV žiarením a teplotnými extrémami,
•   zvýšenie akustického komfortu,
•   zvýšenie hodnoty nehnuteľnosti.

Vplyv zelených striech na energetickú hospodárnosť budov

Otázku zníženia nákladov na vykurovanie a klimatizáciu v dôsledku použitia zelenej strechy skúmajú viaceré vedecké štúdie. Vo všeobecnosti možno povedať, že zelená strecha na budove môže prispieť k jej celkovej energetickej hospodárnosti dvomi spôsobmi: zlepšením tepelnotechnických vlastností samotnej strechy a zmiernením teplotných maxím a miním vzduchu v bezprostrednom okolí budovy.

Príspevok zelenej strechy k energetickej bilancii budovy ovplyvňuje niekoľko jej parametrov, medzi ktoré patria:
•   tepelnoizolačné vlastnosti celého systému zelenej strechy,
•   odparovanie vody zadržanej v skladbe zelenej strechy,
•   odrazivosť slnečného žiarenia, t. j. hodnota nazývaná albedo, povrchu strechy a index listovej plochy (LAI), čiže pomer plochy listov rastlín k ploche strechy,
•   tepelná zotrvačnosť, ktorá závisí od objemovej hmotnosti samotnej zelenej strechy a jej schopnosti absorpcie vody.

Porovnanie zelených a bežných striech

Pozrime sa na niekoľko štúdií porovnávajúcich vplyv zelených a bežných striech na energetickú hospodárnosť budov. Prvá zo štúdií [3] sa opiera o merania na vzorke obsahujúcej tri rôzne vyhotovenia zelenej strechy na báze už spomínaného systému Urbanspace a jednu referenčnú bežnú skladbu plochej strechy. Vzorka bola umiestnená v Mníchove počas jedného kalendárneho roka (obr. 2).

Obr. 2 Vzorka Urbanspace v Mníchove

Výsledky meraní v grafoch na obr. 3 a 4 ukazujú, že zelená strecha počas celého roka významne znižovala tepelný tok cez strešnú konštrukciu a zároveň ju charakterizovala priaznivejšia teplota povrchu, pričom markantný rozdiel vidieť najmä pri porovnaní maximálnych teplôt. Vďaka tomu v porovnaní s bežnou strešnou konštrukciou účinne znižovala ochladzovanie interiéru počas zimy a jeho prehrievanie v lete.

Obr. 3 Porovnanie tepelného toku zelenej a bežnej strechy

Obr. 4 Porovnanie teploty povrchu zelenej a bežnej strechy

Meranie z Toronta [4] sa zameralo najmä na sledovanie teploty vonkajšieho vzduchu (OUT), teploty vo vnútri strešnej konštrukcie (MEM) a v interiéri (IN). Výsledky ukazujú (graf na obr. 5), že vďaka vyššej tepelnej zotrvačnosti zelenej strechy sa oneskoruje vrchol teploty vo vnútri strechy a teplotné maximum dosahuje približne iba polovicu úrovne zodpovedajúcej bežnej streche. Vďaka tomu zamedzuje zelená strecha prehrievanie interiéru, čím sa znižuje potreba chladenia a s tým spojená spotreba energie.

Obr. 5 Priebeh teplôt (vonkajší vzduch, strešná konštrukcia, interiér) pri meraní na bežnej (vľavo) a na zelenej streche (vpravo)

Ďalšia zo štúdií [5] prezentuje výsledky počítačovej simulácie spotreby zemného plynu na vykurovanie a elektrickej energie na chladenie a súvisiacich nákladov v budovách na bývanie a administratívu v štyroch rôznych klimatických oblastiach USA v závislosti od použitej skladby strechy.

Porovnanie zelenej strechy s klasickou strechou s hodnotou albedo na úrovni 0,3 (graf na obr. 6) ukazuje podstatné zníženie spotreby aj nákladov na energie na vykurovanie aj chladenie vďaka lepším tepelnoizolačným vlastnostiam zelenej strechy a vyššej tepelnej zotrvačnosti. Čiastočnou výnimkou sú budovy oboch typov vo Phoenixe, teda v horúcom a suchom podnebí, kde práve z dôvodu vyššej tepelnej zotrvačnosti rastie spotreba energie na chladenie.

Obr. 6 Spotreba energie v budove, kde zelená strecha nahrádza bežnú strechu s albedo = 0,3.

To je však kompenzované posunom potreby chladenia do neskorších častí dňa, čím sa znižuje odber elektriny v špičke, vďaka čomu sa znižujú aj celkové energetické náklady. V tejto alternatíve sa ukazuje aj to, že prínos zelenej strechy sa podstatne zvyšuje s hrúbkou substrátu, teda s jej tepelnoizolačnými vlastnosťami a tepelnou zotrvačnosťou, a je takmer nezávislý od indexu listovej plochy.

V druhej alternatíve (graf na obr. 7) nahrádza zelená strecha bežnú strechu s veľmisvetlým povrchom a hodnotou albedo až 0,65. V takomto prípade sa pri použití zelenej strechy s indexom listovej plochy 2,0 znižuje spotreba energie v piatich z ôsmich budov.

Obr. 7 Spotreba energie v budove; zelená strecha nahrádza bežnú strechu s albedo = 0,65; index listovej plochy zelenej strechy je 2,0 (vľavo) a 5,0 (vpravo).

Obr. 7 Spotreba energie v budove; zelená strecha nahrádza bežnú strechu s albedo = 0,65; index listovej plochy zelenej strechy je 2,0 (hore) a 5,0 (dole).

Zníženie nákladov na energie však najmä vzhľadom na štruktúru ceny elektrickej energie nastáva iba v prípade bytových domov (vyššia potreba vykurovania ako chladenia) v chladnejších oblastiach s väčším množstvom zrážok (NYC a Portland). Pri zvýšení indexu listovej plochy na 5,0 však úspora energie aj nákladov na energie vzniká pri všetkých budovách okrem dvoch.

Prvou je bytový dom vo Phoenixe, kde lepšia odrazivosť svetlej strechy vedie k nižšej potrebe energie na chladenie. Druhou budovou je bytový dom v New Yorku, kde sa vďaka vysokej cene elektrickej energie zvyšujú celkové energetické náklady budovy. Treba poznamenať, že z dlhodobého hľadiska možno takéto výsledky udržať iba za predpokladu pravidelnej údržby a čistenia svetlej strechy, aby sa hodnota albedo nezhoršovala vplyvom znečistenia.

Autori tejto štúdie dospeli k záveru, že z hľadiska spotreby energie sú zelené strechy najvhodnejšie v chladnejších oblastiach a na budovách, ktoré sú vykurované aj v noci. Index listovej plochy je dôležitým faktorom pri použití zelenej strechy na budovách, v ktorých energetickej spotrebe dominuje chladenie. Tepelná zotrvačnosť je zasa zásadná v prípade, že cena energie je diferencovaná podľa času odberu (tzv. peak pricing).

Napokon spomeňme štúdiu [6], ktorá počíta potrebu energie na vykurovanie a chladenie pri použití zelenej strechy na budovách v rôznych klimatických oblastiach Európy (tab. 2). Na budove – rodinnom dome – v La Rochelle na francúzskom pobreží Atlantického oceánu sa vďaka zelenej streche znižuje prehrievanie interiéru a potreba energie o 6 %.

V teplých klimatických pásmach (Atény) sa použitím zelenej strechy mierne zvyšuje potreba energie na vykurovanie, ktorá je však mnohonásobne kompenzovaná znížením potreby energie na chladenie. Naopak, v studenom klimatickom pásme (Štokholm) zelená strecha výrazne znižuje potrebu energie na vykurovanie (8,5 %).

Zhrnutie výsledkov a ich použitie v praxi

Citované štúdie sa zhodujú v tom, že zelené strechy takmer vo všetkých klimatických podmienkach znižujú tepelný tok cez strechu vďaka zlepšeným tepelnoizolačným vlastnostiam a tepelnej zotrvačnosti akumulovanej vody, čím priaznivo ovplyvňujú energetickú bilanciu budovy počas letných, ale aj zimných dní.

Počas slnečných zimných dní strácajú zelené strechy svoju výhodu z dôvodu ochladzovania strechy odparovaním vody. Vplyv hodnoty albedo a indexu listovej plochy sa prejavuje podľa štúdií iba v špecifických prípadoch – väčšina zo štúdií tieto faktory buď ignorovala, alebo považovala za nepodstatné.

Je potrebné poznamenať, že žiadna z citovaných štúdií neanalyzovala vplyv zelených striech na energetickú bilanciu budovy zmierňovaním efektu tepelného ostrova. Je pritom známe, že zeleň zmierňuje teplotné extrémy ovzdušia v zastavanom prostredí, čím sa znižuje teplotný rozdiel medzi interiérom a exteriérom, a teda aj potreba energie na vykurovanie a chladenie. Žiaľ, zatiaľ sa nám nepodarilo identifikovať štúdiu, ktorá by tento efekt kvantifikovala.

Napokon sa žiada zdôrazniť, že priaznivý efekt zelených striech na energetickú hospodárnosť budovy je iba jedným z ich prínosov. Zlepšenie kvality ovzdušia, akustickej pohody, ale aj vizuálneho vnemu sú faktory irelevantné z hľadiska prevádzkových nákladov budovy, ale veľmi dôležité pre užívateľov budovy a ostatných obyvateľov mesta.

Ako teda vybrať zelenú strechu

Bez ohľadu na ostatné efekty je veľkým plusom a často aj podmienkou – z hľadiska nárokov na statiku strechy a celej stavby – nízka objemová hmotnosť systému zelenej strechy. Z hľadiska prevádzky hrajú zasa úlohu nízke nároky na údržbu, čiže na umelé zavlažovanie a inú starostlivosť o vegetačnú časť zelenej strechy. Z tohto pohľadu dostávajú často prednosť práve extenzívne zelené strechy.

Ak chceme dosiahnuť maximálny efekt v podobe zníženia nákladov na energie, mali by sme sa pri výbere konkrétnej zelenej strechy zamerať na jej tepelnoizolačné vlastnosti a schopnosť absorpcie a retencie vody, ktorá najefektívnejšie zaisťuje funkciu tepelnej zotrvačnosti.

Z tohto pohľadu je potešiteľné, že na trhu už existujú systémy zelených striech, ktoré majú hrúbku menej ako 120 mm a hmotnosť iba 15 až 20 kg/m² a sú pritom schopné zadržať 17 až 60 l vody na m² svojej plochy. Takéto riešenie je teda vhodné aj na väčšinu existujúcich stavieb a poskytuje možnosť inštalovať zelenú strechu aj na novostavby bez neprimeraného zvyšovania nárokov na statiku stavby.

Kritériá výberu zelenej strechy

•   nízka objemová hmotnosť
•   bezúdržbovosť
•   vysoká schopnosť absorpcie a retencie vody
•   tepelnoizolačné vlastnosti

Literatúra
1.   Pecho, J. – Ač, A.: Vplyv klimatických zmien na bývanie a užívanie budov. SKGBC, 2016.
2.   http://www.knaufinsulation.sk/urbanscape.
3.   Knauf Insulation: Validation of the Urbanscape Performance Evaluation Tool. 2011.
4.   Castleton, H. F. – Stovin, V. – Beck, S. B. M. – Davison, J. B.: Green roofs; building energy savings and the potential for retrofit. Energy and Buildings 42, 2010.
5.   Sailor, D. J. – Elley, T. B. – Gibson, M.: Exploring the Building Energy Impacts of Green Roof Design Decisions – A Modeling Study of Buildings in 4 Distinct Climates.
6.   Jaffal, I. – Ouldboukhitine, S.-E. – Belarbi, R.: A comprehensive study of the impact of green roofs on building energy performance. Renewable Energy 43. 2012.