Wymiana ciepła w dachach

W ostatnich latach pojawiło się dużo nowych materiałów budowlanych, co spowodowało zwiększenie liczby informacji, jakie trzeba przyswoić, aby dobrze funkcjonować na rynku. Producenci tych nowości prezentując je i zachęcając do stosowania podają najważniejsze ich parametry z intencją wykazania przewagi nad tymi już stosowanymi.

Tekst KRZYSZTOF PATOKA

Fot. Procesy wymiany ciepła przez dach mają bardzo duży wpływ na technikę dachową. Między innymi dlatego, że są ściśle związane ze zjawiskami dotyczącymi przemian stanu skupienia wody i przemieszczania się oraz gromadzenia się wilgoci w dachach. Ten związek zagadnień cieplno-wilgotnościowych z techniką dachową jest bardzo ważny i warto go poznać nawet w podstawowym zakresie. Do tego potrzebna jest fundamentalna wiedza dotycząca najważniejszych i często stosowanych pojęć i nazw

Do produktów, które są nowe, ale już popularne należą termoizolacje piankowe wytwarzane na bazie poliuretanów (w skrócie PUR). Część z nich jest montowana na zasadzie natryskiwania, a część w postaci płyt wykonanych ze zmodyfikowanego PUR nazywanego PIR (poliizocyjanurat). Wszystkie płyty PIR są wykonane fabrycznie z pian zamkniętokomórkowych (oznaczanych ZK), a większość pian natryskowych – z PUR otwartokomórkowych (oznaczanych OK).

Chociaż dekarze nie są odpowiedzialni za dobór materiałów, jakie wbudowują, to jednak często muszą je oceniać i wybierać, bo nie robią tego projektanci. Z tego powodu dekarze powinni znać używane w porównaniach parametry. Tym bardziej, że w wielu tych porównaniach stosuje się uproszczenia, które mogą spowodować nieporozumienia.

W przypadku termoizolacji, najczęściej używa się dwóch podobnych w nazwie parametrów:
• współczynnika przewodzenia ciepła oznaczanego λ (lambda) o wymiarze W/(mK);
• współczynnika przenikania ciepła oznaczanego symbolem U o wymiarze W/(m²·K).

W celu uniknięcia pomyłek najlepiej jest zapamiętać, że:
• współczynnik przewodzenia ciepła λ określa cechę materiału, inaczej zdolność konkretnej substancji do przewodzenia ciepła (na przykład cegły, wełny termoizolacyjnej itp.);
• współczynnik przenikania ciepła U określa zdolność przenikania ciepła przez przegrody termiczne, w tym budowlane (na przykład ściany i dachy).

Tabela 1

Ułatwieniem pomagającym w uniknięciu pomyłek jest zastosowanie innej nazwy dla współczynnika λ (lambda). Można go również określić jako: przewodność cieplna (właściwa), przewodnictwo cieplne (właściwe), współczynnik przewodzenia ciepła, współczynnik przewodności cieplnej, współczynnik przewodnictwa cieplnego. Ja używam najchętniej tych dwóch ostatnich, ponieważ w zestawieniu ze współczynnikiem przenikania ciepła U można skojarzyć, że λ (lambda) to przewodność (lub przewodnictwo) cieplne, a U to przenikanie (przez coś – przez przegrodę) ciepła. Takie rozróżnienie również bardzo pomaga w zrozumieniu zjawisk dotyczących przepływu ciepła.

Zależność między tymi współczynnikami wyraża się wzorem:
U = λ/d
gdzie: λ – przewodność cieplna, d – grubość przegrody (materiału).

Tę zależność można wyjaśnić w ten sposób, że przenikanie ciepła U przez materiał zależy od jego grubości. Im jest on grubszy, tym lepiej izoluje przed przepływem ciepła. Ten wzór jest często wykorzystywany do prostego porównywania materiałów, ponieważ współczynnik U jest podawany w przepisach w celu określenia minimalnej izolacyjności konkretnych przegród [1]. Takie zastosowanie tej zależności (tego wzoru) jest prawdziwe, jeżeli mamy do czynienia z bardzo prostą przegrodą wykonaną z jednego materiału. Jeśli natomiast przegroda ma skomplikowaną budowę i składa się z wielu materiałów, to jej współczynnik U wymaga już złożonych obliczeń i użycie takiego prostego przelicznika bywa powodem powstawania błędów.

Doskonałym tego przykładem są dachy pochyłe z pokryciem leżącym na więźbie dachowej i z poddaszem mieszkalnym (rys.). Gdybyśmy przeliczyli modele odpowiednie dla dachów o różnym rozstawie krokwi podanym na rys., to przy tej samej termoizolacji (tym samym λ), otrzymalibyśmy różne wyniki o takiej zależności jak podana na rysunku. To znaczy: dach o większym rozstawie krokwi będzie miał lepszą izolacyjność (mniejsze U100) niż dach o mniejszym rozstawie (większe U80), ponieważ w tym o mniejszym rozstawie będzie więcej drewna, które jest lepszym przewodnikiem ciepła w porównaniu do termoizolacji (drewno ma dużo większe λ niż termoizolacje). Z tego powodu dach o większym udziale drewna w swojej objętości będzie mniej izolacyjny.

Wszyscy projektanci, którzy są zobowiązani przepisami do obliczania współczynników przenikania ciepła (U) w przegrodach budowlanych projektowanych budynków, posługując się metodą podaną w obligatoryjnej normie PN-EN ISO 6946 [1], określają ten współczynnik dla najprostszego, modelowego schematu projektowanej przegrody takiego jak na rys.
Obliczony w ten sposób współczynnik U dla dachu musi mieć wielkość mniejszą lub równą tej określonej w przepisach, w WT 2013 [2] (tabela 2). Zgodnie z tymi przepisami od początku 2021 roku dachy nad pomieszczeniami mieszkalnymi (temperatura ≥ 16°C) będą musiały mieć Umax = 0,15 W/(m²K) co oznacza, że gdyby dach był ocieplony wełną mineralną według schematu z rys., to jej grubość musiałby wynosić 35-40 cm. Od stycznia 2017 roku obowiązuje współczynnik Umax = 0,18 W/(m²K), co odpowiada grubości wełny około 30 cm.

Tabela 2. Zalecane wielkości współczynnika przenikania ciepła U dla dachów według WT 2013 [2]

Jak z tego wynika, od 1 stycznia przyszłego roku wymagana za pomocą współczynnika U grubość termoizolacji z materiałów takich jak wełna mineralna drzewna i pianka natryskowa (PUR OK), będzie musiała wynosić ponad 35 cm (w dachach z poddaszem mieszkalnym). To spowoduje konkretne problemy konstrukcyjne, ponieważ ułożenie takiej grubości będzie wymagało dodatkowych warstw termoizolacji i podtrzymujących je rusztów w postaci listew lub profili.

W związku z tym, wszelkie termoizolacje o zdecydowanie mniejszej przewodności cieplnej będą chętniej stosowane, ponieważ budowa takich rusztów kosztuje i pogrubia dach. Te argumenty działają już od dawna i dlatego termoizolacje ze sztywnych płyt PIR zdobywają sobie coraz większą popularność. Ich λ = 0,022-0,0 25 W/ (mK) powoduje, że od stycznia 2021 roku dachy ocieplone nimi zaczną być jeszcze bardziej atrakcyjne i konkurencyjne. Popatrzmy jak wyglądają takie handlowe porównania (tabela 3).

Tabela 3. Porównanie własności PIR i wełny mineralnej (skalnej lub szklanej)

Trzeba pamiętać, że zestawienie w tabeli 3 jest przygotowane dla prostej przegrody bez drewna i innych materiałów potrzebnych do jej zbudowania (wyliczenia według wzoru U = λ/d) po to, aby jedynie zorientować czytelników w skali porównywanych grubości. Takie zestawienie ma szczególny sens dla ociepleń nakrokwiowych, bo jest bardziej prawdziwe.
Ocieplenia nakrokwiowe są montowane jako jednolite płyty, jedynie podparte i dociśnięte elementami drewnianymi (więźbą i ołatowaniem). Dach z wełną mineralną najczęściej ma przekrój jak na rys. i wtedy tabela nie pokazuje prawdziwych jej grubości, które z powodu drewna muszą być większe.

Pamiętając o tym widzimy, że aby osiągnąć tę samą izolacyjność dachu wyrażoną współczynnikiem przenikania ciepła U = 0,18 W/(m²K) (aktualne wymagania WT2017) trzeba ułożyć wełnę mineralną o grubości 20 cm (według rys. – 30 cm) lub płyty PIR o grubości 12 cm (nakrokwiowo).

Natomiast od 2021 roku dla osiągnięcia U = 0,15 W/(m2K) trzeba będzie ułożyć wełnę mineralną o grubości 26 cm (według rys. – min. 35 cm) lub płyty PIR o grubości 15 cm (na przykład nakrokwiowo).

Istotną różnicę stanowi również ciężar izolacji – mianowicie warstwa wełny o grubości 20 cm (wersja uproszczona) waży 30 kg/m3, a o grubości 26 cm – 37 kg / m3. Natomiast odpowiadające im płyty PIR ważą odpowiednio 3,8 kg/m3 i 4,8 kg /m3. Jak widać różnica jest istotna i też warto brać ją pod uwagę.

CO JESZCZE WARTO WIEDZIEĆ O WYMIANIE CIEPŁA
W dachach zjawiska związane z wymianą ciepła są bardzo ważne, ponieważ decydują nie tylko o termoizolacyjności dachów i budynków, ale ściśle wiążą się z przemieszczaniem się wilgoci w dachach oraz z istotnymi mechanizmami pracy pokryć dachowych. Dlatego warto o nich wiedzieć więcej.

Wymiana ciepła między dwoma ciałami występuje wtedy, gdy istnieje różnica temperatur pomiędzy nimi. Ciało o temperaturze wyższej oddaje energię cieplną temu, które ma temperaturę niższą. Wymiana energii cieplnej może się odbyć na trzech zasadach:
• przewodzenia;
• konwekcji;
• promieniowania.

Rozróżnienie to wynika z odmienności mechanizmów przenoszenia energii, mających zastosowanie w przypadku każdej z wymienionych sytuacji. W praktyce bardzo rzadko jednak mamy do czynienia z którymkolwiek z tych modeli w czystej postaci. Zamiast tego można mówić raczej o działaniu dwóch lub trzech spośród wymienionych czynników łącznie w swoistej
kombinacji.

Przewodzenie ciepła – polega na przenoszeniu energii wewnątrz ośrodka materialnego lub z jednego ośrodka (ciała) do drugiego przy ich bezpośrednim zetknięciu się (stykaniu się). Przewodzenie w czystej postaci występuje tylko w ciałach stałych. W dachach wymiana ciepła na tej zasadzie ma raczej negatywne znaczenie, ponieważ jedną z podstawowych funkcji dachu jest izolowanie przed ucieczką i dopływem nadmiaru ciepła do budynku. Z tego powodu budując dachy dąży się do ograniczania przewodzenia ciepła przez dachy.

Konwekcja albo unoszenie ciepła to proces wymiany ciepła, w którym cząsteczki ciała przenoszącego ciepło zmieniają swoje położenie. Konwekcja występuje wyłącznie w płynach lub gazach i odbywa się wskutek mieszania się ich cząsteczek. Mieszanie to może być skutkiem naturalnego procesu wywołanego różnicą gęstości spowodowanej różnicą temperatur (konwekcja naturalna) lub może być sztucznie wywołana za pomocą wentylatorów lub pomp (konwekcja wymuszona). W dachach i budynkach mieszkalnych czynnikiem przenoszącym ciepło jest powietrze.

Promieniowanie polega na przenoszeniu energii cieplnej przez fale elektromagnetyczne, głównie w zakresie fal podczerwonych (cieplnych). Jest możliwe tylko wtedy, gdy ciało zatrzymuje promieniowanie cieplne, gdyż ośrodek, przez który fale się rozchodzą (próżnia lub gazy) przepuszcza je i nie nagrzewa się. Proces ten zachodzi wyłącznie pomiędzy powierzchniami ciał stałych lub cieczy. Promieniowanie – w zależności od rodzaju powierzchni materiału – może być w pewnej części pochłonięte, przepuszczone lub odbite.


Rys. Skala powiązań różnych zjawisk i technik we wszystkich dachach jest duża, ponieważ na dachy działa bardzo dużo różnych i zmiennych czynników. O wszystkim decyduje klimat regionu i przeznaczenie dachu oraz sposób rozwiązania problemów konstrukcyjnych, wynikających z podstawowych funkcji dachów. Jedną z nich jest izolowanie termiczne, które zależy od miejsca ułożenia i sposobu wykonania termoizolacji. Duże znaczenie dla trwałości i skuteczności dachu ma jego wentylacja osuszająca najważniejsze warstwy, w tym przede wszystkim termoizolację. Jednak warto zdać sobie sprawę z tego, że szczelina wentylacyjna jest granicą dwóch różnych warunków cieplno-wilgotnościowych: zewnętrznych (atmosferycznych) i wewnętrznych, wynikających z działania termoizolacji osłanianej MWK i paroizolacją. To rozdzielenie powoduje, że największa porcja energii, jaką otrzymuje każdy dach od Słońca, dociera do wnętrza dachu w bardzo różnych ilościach zależnych od pogody (symbol chmurki na rysunku) i pory roku. Jednocześnie warto wiedzieć, że głównym napędem powietrza wentylującego, przepływającego przez szczelinę utworzoną przez kontrłatę jest właśnie energia promieniowania słonecznego. Promieniowanie należy do jednego z trzech sposobów przekazywania ciepła. Jednak to, co dzieje się w dachu zależy od wszystkich trzech sposobów opisanych w tym tekście. W szczelinie wentylacyjnej dominuje konwekcja. W termoizolacji zaś wszystkie trzy rodzaje wymiany, ale proporcje ich działania zależą od rodzaju termoizolacji
RYS.(2): KRZYSZTOF PATOKA

Matowe, porowate powierzchnie znacznie lepiej pochłaniają promieniowanie cieplne niż powierzchnie gładkie lub polerowane. W dachach ważne jest to, że głównym dla nich źródłem ciepła jest promieniowanie słoneczne, które jest pochłaniane przez pokrycie w stopniu zależnym od ilości odbitego od pokrycia promieniowania. To zaś zależy głównie od koloru tego pokrycia oraz jego faktury (porowatości). Ciepło padające w postaci promieniowania może być jeszcze pochłaniane przez wodę lub śnieg leżące na pokryciu. Woda może być na tym pokryciu w różnej ilości i formie. Mam na uwadze istotną dla działania dachów
formę skroplin w postaci rosy utrzymującej się nawet na pokryciach dachów stromych.

Dach jest przegrodą budowlaną, która spełnia jednocześnie wiele funkcji. Jedną z najważniejszych jest izolowanie termiczne osłanianego budynku. W naszym klimacie termoizolowanie kojarzy się wszystkim z koniecznością ochrony budynku przed stratami ciepła w okresie zimy, ale jest ono równie ważne w okresie letnim. W ostatnich dziesięcioleciach coraz częściej występują bardzo ciepłe okresy, w których temperatury w ciągu dnia wahają się między 25-35ºC. W takich warunkach domy szybko się nagrzewają i temperatury panujące w pomieszczeniach są wysokie. Szczególnie dotyczy to poddaszy mieszkalnych. W takie upalne dni okazuje się, że dobra termoizolacja dachu przydaje się nie tylko zimą, ponieważ gdy jest nieskuteczna mieszkańcy poddasza muszą ponosić dodatkowe koszty na klimatyzację.

Z tego zestawienia podstawowych informacji jasno wynika, że proces wymiany ciepła przez dach jest złożony (rys.) i ma bardzo duży wpływ na technikę dachową. Powoduje, że dachy należą do trudniejszych części budynków i wymagają od projektantów i wykonawców dobrej orientacji w tych zagadnieniach.

Literatura:
• [1] PN-EN ISO 6946:2008 ; „Komponenty Budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
• [2] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU. Z 2013 r, poz. 926).



KRZYSZTOF PATOKA
ekspert z wieloletnim doświadczeniem współpracujący z Polskim
Stowarzyszeniem Dekarzy; rzeczoznawca SITPMB przy NOT

Napisz komentarz