Przepływ wilgoci w przegrodzie dachowej

Admin9 września 2020

1 1 282 8 min. czytania

W poprzednim numerze „Naszego Dekarza” zamieściliśmy artykuł poświęcony wymianie ciepła przez przegrodę dachową. Dla dekarzy przepływ ciepła jest bardzo ważny głównie z powodu często towarzyszącemu mu przepływowi wilgoci, ponieważ woda – występując w dachach we wszystkich stanach skupienia – stale stwarza wiele problemów i zagrożeń dla dachu.

Tekst KRZYSZTOF PATOKA

Najważniejsze jest to, że te dwa zjawiska są ze sobą ściśle powiązane. Mianowicie: przepływ wilgoci w przegrodach budowlanych ma zawsze ten sam kierunek co przepływ ciepła (rys.1). Dla dachów ma to bardzo duże znaczenie, ponieważ w skali roku dużo częściej występuje zjawisko przepływu ciepła przez przegrody budowlane z wnętrza budynku na zewnątrz. Zimą, jesienią i wiosną przez większość dnia i nocy ciepło przepływa wyłącznie na zewnątrz. Tylko latem zdarzają się dni i sporadycznie noce, w których ciepło przepływa w stronę budynku.

Dodatkowo, bez względu na porę roku, ciepłe wewnętrzne powietrze (a wraz z nim para wodna) zawsze unosi się w stronę dachu. W związku z tym pod dachem jest zawsze cieplej niż przy podłodze. Przez zdecydowaną większość roku dachy są więc bardzo obciążone przepływem wilgoci z wnętrza ku atmosferze. Sam przepływ pary wodnej nie stwarza zagrożenia, ale przez prawie okrągły rok docierająca do górnych, zimnych warstw dachu para wodna ochładza się i tworzy skupiska skroplin o wielkości trudnej do określenia, zależnej od ilości pary i spadku temperatury. Przy dobrze działającej wentylacji pokrycia skropliny odparowują przez MWK, gdy zostaną podgrzane i ponownie zamienią się w parę wodną.

Opisane zjawisko zaowocowało specyficzną budową dachów. Polega ona tym, że od strony poddasza lub wewnętrznej strony stropu zawsze układa się materiały ograniczające przepływ pary wodnej w celu zabezpieczenia dachu przed jej nadmiarem napływającym z domu.

Natomiast od strony zewnętrznej dachu stosuje się materiały wypuszczające parę wodną (dyfuzyjne) do przestrzeni wentylującej pokrycie. Taki układ ogranicza dopływ pary wodnej i umożliwia jej odpływ z przegrody. Dlatego bardzo ważnym etapem budowy dachu jest dobór materiałów o odpowiednich właściwościach.

Powstawanie skroplin zależy więc od kierunków i wielkości przepływów ciepła. Dlatego warto przypomnieć, że wymiana ciepła pomiędzy dwoma ciałami występuje wtedy, gdy istnieje różnica temperatur pomiędzy nimi. Wymiana ciepła może się odbywać na trzech zasadach: przewodzenia, konwekcji i promieniowania. W praktyce bardzo rzadko spotyka się te sposoby w czystej postaci. Realnie występują one w pewnych kombinacjach dwóch lub trzech.

W procesach przemieszczania się wilgoci w dachach największe znaczenie ma wymiana przez przewodzenie i konwekcję. Konwekcja (inaczej unoszenie ciepła) to proces wymiany ciepła, w którym cząsteczki ciała przenoszącego ciepło zmieniają swoje położenie. Konwekcja dachowa prawie wyłącznie występuje dzięki ruchom powietrza, które są skutkiem naturalnego procesu wywołanego różnicą gęstości spowodowanej różnicą temperatur.

Różnica gęstości powoduje wypychanie ciepłego powietrza przez zimne (na przykład ochłodzone) i takie procesy nazywane są konwekcją naturalną. Powietrze jest mieszaniną gazów i w jego skład zawsze wchodzi para wodna. Z powodu powszechnej obecności powietrza zawierającego parę wodną, procesy związane z jej przemianami decydują o sposobie budowy dachów. Nie bez znaczenia jest przy tym klimat, szczególnie zmienny polski, który decyduje o temperaturach i wilgotności powietrza po obu stronach przegrody dachowej.

Resublimację – zamianę pary wodnej w lód – można zaobserwować zimą na cienkich materiałach budowlanych odgraniczających ciepłe i wilgotne ośrodki od zimnych (o temperaturze poniżej 0*C) FOT.: KRZYSZTOF PATOKA

Ze wszystkich przemian fazowych wody, największy wpływ na dach ma parowanie i skraplanie, a w mniejszym stopniu – przemiany wody ze stanu gazowego w stały (nazywana resublimacją – fot.1) i odwrotnie – ze stanu stałego w gazowy (sublimacja).

Ta ostania w zasadzie występuje tylko na pokryciach po ich stronie zewnętrznej i wewnętrznej. Ważne przy tym jest to, że woda występuje w trzech stanach skupienia: lotnym (para wodna), ciekłym i stałym (lód lub śnieg). Ma to znaczenie dla techniki dachowej w bardzo specyficzny sposób. Woda może bowiem występować jednocześnie na powierzchni pokrycia jako ciecz (deszcz) lub ciało stałe (lód, szron i śnieg), a pod pokryciem i wewnątrz dachu (w konstrukcji i w termoizolacji) jako gaz, czyli para wodna.

Są to najtrudniejsze dla dachów sytuacje, ponieważ dodatkowo występują jeszcze inne zjawiska związane z przepływem ciepła, na przykład wynikające z rozszerzalności termicznej materiałów pokryciowych. Najczęściej spotykanym i utrudniającym pracę dekarzom zjawiskiem są skropliny pary wodnej, ponieważ zacieki powstające z gromadzących się w jednym miejscu skroplin są nadzwyczaj często interpretowane przez zleceniodawców jako przecieki.

W okresach o wzmożonej wilgotności powietrza we wznoszonych budynkach, na dachach codziennie występują znaczne spadki temperatur i z tego powodu na wszystkich cienkich materiałach dachowych pojawiają się skropliny. Najczęściej można je obejrzeć pod pokryciami blaszanymi i na membranach wstępnego krycia (MWK) w dachach jeszcze bez termoizolacji albo z termoizolacją, ale bez paroizolacji. Membrany są cienkie, a ich temperatura jest bliższa powietrzu zewnętrznemu niż wewnętrznemu. Dlatego para wodna zamienia się na ich wewnętrznej powierzchni w wodę w skali zależnej od różnicy temperatur i wilgotności powietrza. Proces ten zachodzi niezależnie od paroprzepuszczalności tych materiałów. Po prostu para wodna zamienia się w skropliny zanim przejdzie przez membranę.

JAK POWSTAJĄ SKROPLINY
Powstawanie skroplin wynika z cech powietrza, które jest mieszaniną gazów w tym pary wodnej. Przy czym, powietrze może pomieścić tym więcej pary wodnej, im wyższą ma temperaturę. W każdej temperaturze powietrze może maksymalnie zawierać określoną (znaną) ilość pary wodnej.

Na przykład: w powietrzu o objętości 1 m3 w temperaturze 20°C może znajdować się maksymalnie 17,3 g wody w postaci pary, a w 22°C – 19,4 g (tabela). „Maksymalnie” oznacza stan 100% wilgotności względnej. Podane ilości odpowiadają stanowi powietrza, w którym jest ono maksymalnie nasycone parą wodną. Jeżeli powietrze o pewnej temperaturze zawiera mniej pary wodnej, to możemy jego wilgotność określić jako procentowy stosunek realnej zawartości pary do maksymalnej ilości, jaka może się w nim zmieścić w tej temperaturze.
Ta proporcja wyrażona w procentach definiuje wilgotność nazywaną wilgotnością względną (oznaczaną często symbolem „RH”).

Wykres z rys. 2 pokazuje te zależności na kolejnych krzywych, odpowiadających stanom powietrza o różnym nasyceniu parą wodną (skoki co 10%). Wartości procentowe oznaczają stopień wilgotności względnej. Krzywa znajdująca się najwyżej wykresu oznaczona liczbą 100% jest nazywana krzywą nasycenia.

Proces skraplania zachodzi wtedy, gdy powietrze o określonej i stałej zawartości pary wodnej (w g/m3) zostanie dość szybko ochłodzone. Stała porcja pary będzie w trakcie ochładzania stanowiła coraz większy procent maksymalnej ilości pary, jaka może się zmieścić w powietrzu aż po zejściu do takiej temperatury, w której ta porcja będzie stanowiła 100% pojemności powietrza.

Przykład z okresu jesiennego. Powietrze na poddaszu nowo wznoszonego budynku ma temperaturę około 14°C (w punkcie A na rys. 2) i wilgotność względną około 80%. To oznacza, że w 1 m3 powietrza jest około 9,4 g pary wodnej. W trakcie nocy powietrze na poddaszu ochładza się, ponieważ schładza się dach. Nad ranem pod membraną powietrze osiąga 0°C. Parametry powietrza na wykresie określa punkt C. W trakcie ochładzania się powietrza ilość pary wodnej zawartej w nim jest stała i wynosi około 9,4 g/m3. Schładzanie przebiega bez żadnych efektów dotąd aż powietrze osiągnie parametry określone dla punktu B, w którym jego nasycenie parą osiągnie wartość maksymalną (100%).

Na odcinku AB na wykresie z rys. 2 temperatura powietrza obniża się z wartości A (14°C) do wartości B (10°C) i w trakcie schładzania przechodzi stopniowo w stan coraz wyższej wilgotności względnej. W punkcie B, po ochłodzeniu, zawierając wciąż tę samą ilość pary, powietrze dochodzi do 100% wilgotności względnej. Przy dalszym ochładzaniu z powietrza musi się oddzielić taka jej ilość, aby to co pozostanie, mogło się w tym powietrzu zmieścić. Proces ten pokazuje strzałka czerwona na rys. 2.

Spadek temperatury (strzałka żółta) 1 m3 powietrza z 10°C do 0°C (punkt C) oznacza konieczność wytrącenia się około 4,5 g pary wodnej. Wynika to z różnicy maksymalnej zawartości pary wodnej w powietrzu o tych temperaturach (tabela).

Nominalna ilość wytrąconej wody (skropliny) z 1 m3 powietrza jest mała (4,6 g). Jednak powierzchnię schłodzonej membrany stale owiewa przepływające na poddaszu powietrze, gdyż po ochłodzeniu i oddaniu pary wodnej opada ono, wypychając ku górze cieplejsze i bardziej wilgotne powietrze napływające z wnętrza. (Ciepłe powietrze jest lżejsze od zimnego.) Ten ciągły ruch jest również wspomagany przez wymianę powietrza z atmosferą.

W ten sposób wokół membrany na poddaszu przepływa dziennie bardzo dużo schładzanego powietrza. Wytrącona z niego wilgoć osadza się na spodzie membrany w ilościach zależnych od różnicy temperatur, wilgotności i ilości powietrza. Tak powstają skropliny również na deskowaniu przykrytym papą z tą różnicą, że na deskach nie widać skroplin, gdyż są pochłaniane przez drewno. Z tego powodu pojawia się istotne niebezpieczeństwo: trudno ocenić stopień zawilgocenia dachu.

Bardzo często mocno zawilgocone deski są zamykane układaną na styk z nimi termoizolacją i paroizolacją, co zauważają mieszkańcy dopiero po pewnym czasie (kilku miesięcy lub kilku lat), gdy skutki objawiają się zagrzybieniem lub uszkodzeniami konstrukcji dachu.

WAŻNE PARAMETRY I ICH ZNACZENIE
Współcześnie często używane są sformułowania: „materiały dyfuzyjne”, „dyfuzyjność”, „równoważna dyfuzyjnie grubość powietrza” (Sd). W środowisku dekarskim są one ściśle kojarzone z paroprzepuszczalnością materiałów dachowych, co nie jest do końca zgodne z definicją dyfuzji.
Dyfuzja dotyczy również przenikania pary wodnej, ale nie jest jedynym i najważniejszym zjawiskiem powodującym paroprzepuszczalność takich materiałów jak folie i membrany. Po prostu wykorzystuje się tę nazwę dla określenia wszystkich zjawisk dotyczących przepływu pary wodnej przez materiały i przegrody budowlane (rys. 3).

Dlatego warto wyjaśnić parametr „równoważna dyfuzyjnie grubość powietrza” oznaczany jako Sd, stosowany do określania zdolności przepuszczania pary wodnej przez takie materiały jak: MWK, FWK, paroizolacje i farby. Przez farby i wiele paroizolacji przepuszczanie pary zachodzi głównie dzięki zjawisku dyfuzji.

Natomiast przez folie niskoparoprzepuszczalne (FWK) i wysokoparoprzepuszczalne membrany wstępnego krycia (MWK) para wodna przechodzi przede wszystkim dzięki zjawisku efuzji.

Przyjęty system określania możliwości przenikania pary wodnej przez materiały budowlane za pomocą parametru Sd wynika z przyczyn praktycznych: zasady przechodzenia pary są różne, ale skutki ilościowe działania obu zjawisk można określić za pomocą tych samych parametrów. Zjawiska te są porównywalne i prowadzą do tego samego efektu.

Zrozumienie różnicy między dyfuzją a efuzją ma jednak duże znaczenie dla dobrego rozumienia procesów związanych z przenikaniem i skraplaniem się pary wodnej w materiałach tworzących współczesne dachy.
Tak więc dyfuzja polegająca na samorzutnym mieszaniu się cząsteczek i atomów różnych substancji. zachodzi pod wpływem ich ruchów cieplnych.

Efektem działania dyfuzji w gazach i cieczach jest wyrównywanie się stężeń wszystkich składników w całej ich objętości. Najszybciej zachodzi ona w gazach.

Z kolei efuzja polega na przepływie gazów lub cieczy przez bardzo małe otwory przegrody (materiały porowate) rozdzielającej ośrodki o różnym ciśnieniu. Wielkość otworów w stosunku do wielkości cząsteczek (molekuł) ma znaczący wpływ na wydajność objętościową przepływu przez przegrodę.

W praktyce oznacza to, że para wodna przenikająca materiały, takie jak folie lub powłoki (farby) przenika je, samoistnie mieszając się z ich molekułami (cząsteczkami) na zasadzie dyfuzji. Jej naturalne dążenie do wyrównania stężenia po obu stronach prowadzi do przenikania cząsteczek pary przez takie przegrody.

Intensywność procesu dyfuzji zależy od temperatury, w jakiej się ona odbywa, a wyrównanie stężeń nie oznacza zakończenia dyfuzji. Proces mieszania się cząsteczek zachodzi bez przerwy.

Procesy związane z działaniem efuzji zależą od różnicy ciśnień. W takich materiałach jak porowate (z małymi otworami) membrany oznacza to, że gdy maleje różnica temperatur, maleje różnica ciśnień i wydajność objętościowa przepływu pary wodnej (gazu).

Ilość porów (bardzo małych otworów) ma dla tej wydajności duże
znaczenie, a ich wielkość musi być tak dobrana, aby przepływ wody (cieczy) nie był możliwy.

Wielkość porów w membranach jest tak dobrana, aby siły lepkości wody blokowały jej przepływ przez nie, a jednocześnie przenikała przez nie para wodna.

Zasada ta jest podstawą działania wszystkich membran wstępnego krycia bez względu na technologię ich wytwarzania. Dzięki takiemu wykonaniu MWK przepuszczają parę wodną, ale nie przepuszczają wody.

Jednak w niskich temperaturach, gdy para wodna zamienia się w wodę jej przenikanie przez MWK (i FWK) zanika w takim stopniu, w jakim zmniejsza się ilość pary wodnej.