Fyzikální vlastnosti izolace ze slaměných balíků a jejich úprava pro pasivní domy

Sláma jako stavební materiál má velmi dlouhou tradici. Ve stěnách ve formě provazců omazaných hlínou nebo jako přídavek do hliněných cihel, na střeše coby krytina. Ve formě balíků se začala používat coby nosný materiál (na nosnosti se podílí omítky) v devatenáctém krátce po zavedení lisů v Nebrasce a jinde v USA. Nezávisle se z balíků stavěly domy, coby východisko z nouze, na Ukrajině a nejspíš i jinde.


Domy, u nichž tvoří většinu hmoty vnějších zdí balíky slámy, nejsou ale kvůli tomu nijak substandardní, právě naopak. Sláma totiž výborně tepelně izoluje. V dnešní době se balíky většinou vkládají do nosné dřevěné konstrukce, moderním trendem jsou nosné zdi z obřích balíků (s minimem otvorů, až na velkoryse prosklenou jižní stěnu).


Stlačená sláma s objemovou hmotností nad 70 kg/m3 izoluje téměř stejně jako jiné dobré izolační materiály, obvykle udávaný materiálový koeficient slámy je λ = 0,044 W/(m.K). To je dáno tím, že většinu objemu tvoří vzduch, který je rozdělen na malé komůrky, čímž je znemožněn zářivý tok energie na vzdálenosti přes jeden milimetr, a také je velmi potlačeno proudění vzduchu. Tepelná vodivost vzduchu je malá a ani tepelná vodivost vláken není vysoká, ty navíc tvoří jen malou část objemu. U minerálních izolací je sice vodivost vláken vyšší, objemový podíl ale bývá menší. Lépe izolují materiály s jemnější strukturou, kde je volná dráha pro záření ještě menší; přitom je důležité, aby byl materiál pro záření s vlnovými délkami nad čtyři mikrometry co možná nepropustný (poměrně propustný je polyethylen a polystyren, který se dnes už zlepšuje přidáváním vloček grafitu nebo hliníku, je pak na pohled stříbřitý).


Proudění vzduchu se v nějaké míře vyskytuje ve všech prodyšných materiálech. Při malých rozdílech teplot a tenkých vrstvách tepelný tok téměř nezvyšuje, v zimě a při tlustých vrstvách to ale už nemusí být pravda. Je to jako u oken: dvě skla dva centimetry od sebe izolují lépe, než kdyby byla jeden centimetr od sebe, ale vzdálit je na dvacet centimetrů už moc nepomůže.


Základním opatřením, které vliv proudění vzduchu sníží, je opatření izolační vrstvy málo prodyšným povrchem. Ten má zabránit vlivům poryvů větru, i „zkratu“ proudění oblastí, která mu neklade žádný odpor. Např. izolace volně položené na podlaze půdy nemají mít nikdy volný povrch, je na ně nutno položit alespoň nějakou fólii (např. libovolnou starou mírně děravou polyetylénovou, dírky jsou potřebné, aby se pod fólií nemohl držet vlhčí vzduch; jde-li o papír, ten děravý být nemusí) a přitížit ji tak, aby byla pod ní nebyly žádné kapsy tlustší než několik milimetrů.


Pak zbývá už jen tepelná konvekce, samovolné proudění uvnitř samotného prodyšného izolačního materiálu, vyvolané různými hustotami vzduchu na chladné a teplé straně. To se vyskytuje, když je nějaká teplá oblast níže než sousední chladná.


Kupodivu nejmenší problém nastává, když jde o vodorovnou vrstvu nad teplou místností. Tehdy totiž v homogenní izolační vrstvě může vzniknout stabilní zvrstvení, v němž teplota nahoru klesá. Aby vzduch neproudil, k tomu je potřeba, aby tzv. modifikované Rayleighovo číslo pro takovou situaci bylo menší než 40. S využitím balíků slámy je to snadné docílit, když se použijí dvě vrstvy (tedy tloušťka 80 cm), které se téměř neprodyšně oddělí (opět libovolnou, pro difuzi prostupnou či zprostupněnou fólií).


Ve stěnách a v šikmých vrstvách ale taková stabilní situace nastat nemůže, proudění tam probíhá vždy, je-li venku a uvnitř různá teplota. Tomu nelze zabránit a ani to není potřeba. Jde jen o to, aby zvýšení tepelného toku vrstvou, které je tím působeno, bylo zanedbatelné.


Vliv proudění na tepelný tok se kvantitativně vyjadřuje tzv. Nusseltovým číslem. Je-li rovno jedné, je to případ, kdy se proudění nijak tepelně neprojevuje, tepelný tok se realizuje jen zářením a vedením ve vzduchu a vedením ve vláknech. Je-li rovno dvěma, pak to znamená, že proudění snížilo tepelný odpor izolační vrstvy na polovinu. Jak ukazují americká a dánská měření, a jak také vyplývá z teorie, to je právě případ slaměných balíků v situaci, kdy je venku mráz.


Nejde-li o to, dosáhnout parametrů stěny, které se považují za potřebné pro pasivní dům, tj. hodnoty U = 0,15 W/m2K nebo menší, není to žádný velký problém. 40 cm slámy bude mít i s konvekcí „slušnou“ hodnotu U menší než 0,25 W/m2K, a při venkovních teplotách nad pět stupňů bude klesat k oné žádoucí hranici 0,12 W/m2K.


Pokud ale jde o to, aby i tak prodyšný izolační materiál, jako je sláma, izoloval skvěle, srovnatelně s komerčními tepelně izolačními materiály i v nejhorších podmínkách, tj. když je venku zvláště zima, pak je potřeba konvekci účinně potlačit. Samozřejmě, pokud by to nebylo moc drahé a pracné, stojí za to potlačit ji v každé aplikaci.


K tomu se nabízejí dvě základní možnosti. Zdánlivě nejsnazší je snížit nějak prodyšnost slámy. Bohužel, bylo by potřeba ji snížit desetkrát, a to se ukazuje jako nerealizovatelné. Druhou možností je rozdělit vrstvu slámy tak, aby se proudění odehrávalo v menších buňkách a jeho tepelný vliv se tím dostatečně snížil.


Ukazuje se, že tato cesta je realistická, i když nejspíše znamená zdražení takto upravených balíků na třetinu ceny komerčních izolačních materiálů. V balících lze vytvořit injektáží dvě přepážky napříč tepelného toku, které proudění rozdělí z jedné buňky do tří. Tehdy Nusseltovo číslo nepřesáhne 1,1, tedy zhoršení tepelných vlastností slámy deset procent. Při tloušťce 40 cm bude U = 0,12 W/m2K, což je zcela vyhovující.


Pro injektáž lze užít různé materiály (polyuretanovou pěnu, jíl atd.), zvláště snadná je injektáž sádry, která má malou viskozitu. Používáme pro ni „hřeben“ z dutých jehel. Jehly mají vnější průměr 4 mm a lze je do balíku zanořit až 25 cm hluboko, jsou v rozteči 10 mm a je jich celkem 20, tj. hřeben má délku 20 cm. Jedna přepážka v balíku, tlustá jeden centimetr, vyžaduje tedy šest injektáží, dvě přepážky dvanáct. Použití delšího hřebene naráží na problém, že pro posun každé jehly v balíku je potřeba až 20 N, takže při šedesáti jehlách by to vyžadovalo komplikované zařízení. I takové je ale myslitelné. Lze si dokonce přestavit výrobní linku, kde se kompletní injektáž balíku odehraje v jedné operaci.


Minerální přepážky zvýší hmotnost standardního balíku na dvojnásobek, což ještě umožňuje, aby se s ním i nadále manipulovalo ručně. Výhodou může být vyšší nosnost balíku (je-li užit jako nosný prvek), dalším přínosem je velké zvýšení požární odolnosti takové stěny.


Další vývoj injektážních postupů by mohl vést k tomu, že se z balíků opatřených dvěma, tentokrát

tlustými minerálními přepážkami, stanou přesné nosné zdící prvky, vlastně první svého druhu: jediné „cihly“, které po omítnutí budou plně vyhovovat parametrům kladeným na pasivní domy.


Alternativou injektáže hotových balíků je naopak sestavování tříkomorového souvrství, kde je sláma kombinovaná s jinými materiály, minerálními nebo dřevěnými. Tak lze v principu sestavovat dílce velikosti až celých stěn, podobně, jako tomu již bylo v případě několika pasivních domů jižně od Vídně (tam ovšem byly použity balíky bez vnitřních přepážek).


Více informací, vč. vzorců pro modifikované Rayleighovo číslo a mnohých hypertextových odkazů, viz příspěvky autora v březnovém a dubnovém archivu 2005 konference http://amper.ped.muni.cz/strawbale. České shrnutí viz též priloha.htm.