Paroprzepuszczalność czy dyfuzja, czyli jak określać wysokoparoprzepuszczalność MWK

„Paroprzepuszczalność” to parametr wyjątkowo nieprecyzyjny. Według zasad obowiązujących w UE nie powinno się go stosować, ponieważ wielkość nominalna pary przepuszczanej przez badane materiały zależy od warunków badania (tabele 1–2). Przykładowo badania wykonane za pomocą analizatora określającego przepuszczanie pary wodnej wykazały, że w zależności od temperatury badania i wilgotności względnej powietrza przepuszczalność MWK o ciężarze powierzchniowym 115 g/m² wynosi:

• 2000 (g/m²) na 24 h – przy temp. 23°C i wilgotności względnej powietrza 85%,
• 3300 (g/m²) na 24 h – przy temp. 38°C i wilgotności względnej powietrza 90%.

Obecnie w UE membrany wstępnego krycia produkuje się według normy PN-EN 13859-1:2008 [3], która nakazuje wykonanie badania własności dyfuzyjnych (decydujących o ilości przepuszczanej pary wodnej) według normy PN-EN 1931:2002 [4]. Badanie odbywa się dwukrotnie: przed sztucznym starzeniem membrany i po nim (według norm: PN-EN 1297:2006 [5] i PN-EN 1296:2002 [6] ze zmianami z normy PN-EN 13859 -1:2008 [3] zał. C).

Istota problemu

Ilość pary wodnej przepuszczanej przez MWK oraz inne materiały zależy od warunków panujących wokół: od temperatury i wilgotności względnej oraz od różnicy ciśnienia między warstwami powietrza rozdzielonymi przez membranę. Najczęściej membrana układana jest na termoizolacji (a w wełnie zamknięte jest powietrze) lub oddziela poddasze od atmosfery. W związku z tym wówczas, gdy obowiązywał jeszcze wycofany współczynnik ((g/m²) na 24 h), określanie paroprzepuszczalności było objęte normami ustalającymi warunki badania. W różnych krajach obowiązywały jednak różne normy, w których jako warunki znamionowe przyjmowano odmienne wielkości temperatury, wilgotności i różnicy ciśnienia.

Posłużmy się wymienionym przykładem membrany o bardzo wysokiej paroprzepuszczalności i ciężarze powierzchniowym 115 g/m²: wskutek różnic w sposobie badania ten sam materiał uzyskał bardzo różną wartość paroprzepuszczalności: 2000 (g/m²) na 24 h oraz 3300 (g/m²) na 24 h. Jeszcze niedawno wiele firm handlowych i mniejszych producentów wykorzystywało te zależności, by w ulotkach zawyżać parametry oferowanych produktów – podawano paroprzepuszczalność produkowanych membran w zawyżonej temperaturze. Przykładowo przy temp. 38°C i 90% wilgotności względnej zamiast – jak było przyjęte – 23°C i 85%.

Proceder ten stosowano przez wiele lat, a jego początki sięgają czasów, gdy w większości na dachach stosowano niskoparoprzepuszczalne FWK (folie wstępnego krycia). Ten sam produkt badany w różnych krajach miał różną paroprzepuszczalność (tabela 1). Różnicę wykorzystywano do manipulowania danymi – sprzedawano gorszy produkt jako lepszy. Niestety zdarza się to do dzisiaj.

Obecnie w UE uwzględniono problemy przy określaniu paroprzepuszczalności, dlatego stosowane są inne, bardziej obiektywne parametry, określone w normie PN-EN 1931:2002 [4]. Najpopularniejszym z nich jest ekwiwalentna (równoważna) dyfuzyjnie grubość powietrza S_d [m] materiału.

Zjawiska dyfuzji i efuzji

Często używane sformułowania „materiały dyfuzyjne”, „dyfuzyjność”, „równoważna dyfuzyjnie grubość powietrza” sprawiły, że w środowiskach budowlanych zaczęto kojarzyć dyfuzję z paroprzepuszczalnością materiałów budowlanych, co nie jest zgodne z definicjami tych zjawisk. Owszem, dyfuzja dotyczy również przenikania pary wodnej, ale nie jest ani jedynym, ani najważniejszym zjawiskiem powodującym paroprzepuszczalność materiałów takich jak FWK i MWK.

W wypadku farb i wielu paroizolacji przepuszczanie pary zachodzi głównie dzięki zjawisku dyfuzji. Natomiast przez folie i membrany wstępnego krycia para wodna przechodzi przede wszystkim dzięki zjawisku efuzji.

Przyjęty system określania możliwości przenikania pary wodnej przez materiały budowlane za pomocą parametrów z przymiotnikiem „dyfuzyjny” wynika z przyczyn praktycznych: wprawdzie 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. Uchwycenie różnicy między dyfuzją a efuzją jest niezbędne do zrozumienia procesów związanych z przenikaniem i skraplaniem się pary wodnej w materiałach stosowanych obecnie na dachach (rys. 2).

Dyfuzja polega zatem na samorzutnym mieszaniu się cząsteczek różnych substancji i zachodzi pod wpływem ich ruchów cieplnych. Efektem działania dyfuzji w gazach i cieczach jest wyrównywanie się stężeń wszystkich składników w całej ich objętości. Efuzja polega natomiast na przepływie gazów lub cieczy przez bardzo małe otwory (materiały porowate) przegrody rozdzielającej ośrodki o różnym ciśnieniu cząstkowym. Wielkość otworów w stosunku do wielkości cząsteczek (molekuł) ma znaczący wpływ na wydajność objętościową przepływu pary przez przegrodę.

W praktyce w odniesieniu do materiałów stosowanych w dachach oznacza to, że para wodna przenikająca materiały takie jak folie lub powłoki (farby) przechodzi przez nie i miesza się z ich molekułami (cząsteczkami) na zasadzie dyfuzji. Naturalne dążenie do ­wyrównania stężenia wszystkich składników prowadzi do przenikania cząsteczek pary przez takie przegrody. Intensywność procesu dyfuzji zależy od temperatury, w jakiej się on odbywa, a wyrównanie stężeń nie oznacza zakończenia dyfuzji. Proces mieszania się cząsteczek zachodzi bez przerwy.

Procesy związane z działaniem efuzji zależą od różnicy ciśnień cząstkowych. W przypadku takich materiałów jak membrany (z porami) oznacza to, że gdy maleje różnica temperatur, maleje różnica ciśnień i wydajność objętościowa przepływu pary wodnej (gazu). Duże znaczenie ma ilość porów (bardzo małych otworów), a ich wielkość musi być tak dobrana, by przepływ wody nie był możliwy.

Warto dodać, że otwory te nie mogą przepuszczać innych składników powietrza w dużych ilościach, tak aby membrany stanowiły warstwę o określonej, bardzo ograniczonej przenikalności powietrza (membrany muszą spełniać warunki normy PN-EN 12114:2003 [7]).

Zasada ta jest podstawą działania większości membran wstępnego krycia (w wielu technologiach ich wytwarzania). Dzięki takiemu wykonaniu porów MWK przepuszczają parę wodną, ale nie przepuszczają wody. W wielowarstwowych membranach warstwa funkcyjna zawierająca te pory nazywana jest filmem i najczęściej znajduje się między włókninami osłonowymi.

Aktualne badania i definicje

W obecnie obowiązujących normach europejskich dotyczących zjawisk dyfuzji i paroprzepuszczalności większość współczynników jest precyzyjnie określona wzorami i zależnościami. Jest ich bardzo dużo, a ich nazwy mogą się mylić. Ta mnogość wynika z różnorodności zalecanych badań zależnych od potrzeb danego działu techniki. W dodatku w różnych krajach obowiązują różne sposoby prowadzenia wyliczeń oraz stosowania różnych jednostek. Wynika to z tradycji, metod obliczeniowych i klimatu danego państwa.

Przykładowo opór dyfuzyjny definiowany jest jako stosunek różnicy ciśnienia cząstkowego pary wodnej po dwu stronach badanego materiału do gęstości przenikającej pary wodnej. Bardziej odpowiednią nazwą tego parametru byłby: „opór przeciw przenikaniu pary wodnej” lub „opór przeciw dyfuzji pary wodnej”, dlatego czasami mówi się „opór (dla) pary wodnej”. Problemem są także różne jednostki, a mianowicie: (m²xhxPa)mg, (m²xhxhPa)/mg, (m²xhxPa)/g, (m²xhxhPa)/g, a także (MNxs)/g. Ostatnie wymienione miano jest bardzo często stosowane w krajach anglosaskich. Jeżeli MWK lub inne elastyczne materiały wodochronne (folie) mają tak określone własności dyfuzyjne, należy przeliczyć tak przedstawiony opór dyfuzyjny na równoważną dyfuzyjnie grubość powietrza (Sd) lub na współczynnik oporu dyfuzyjnego pary wodnej (m).

W normie PN-EN 1931:2002 [4] nie definiuje się pojęcia oporu dyfuzyjnego, chociaż parametr ten jest często wykorzystywany.

Natomiast w p. 3 tej normy zdefiniowano takie parametry, jak:

• gęstość strumienia pary wodnej g [kg/(m²xs)],
• przepuszczalność pary wodnej wp [kg/(m²xsxPa)],
• współczynnik przepuszczania pary wodnej – [–] [kg/(mxsxPa)],
• współczynnik oporu dyfuzyjnego pary wodnej m [–],
• grubość warstwy powietrza równoważna dyfuzji pary wodnej S_d [m].

W p. 9 tej normy określono i wyliczono także inne ważne parametry, m.in. współczynnik przewodzenia pary wodnej powietrza, zależny od ciśnienia atmosferycznego i temperatury – λma = [kg/(mxsxPa)].

W p. 9.1 normy wyliczono współczynnik przewodzenia pary wodnej powietrza:λma = 1,97762×10–7/p (w temp. 23°C)gdzie:p – średnie ciśnienie atmosferyczne w czasie badania [hPa], zależne od miejsca i warunków atmosferycznych.

W wypadku MWK i wielu innych materiałów laminowanych z kilku warstw oznacza się nie m, ale Sd, ponieważ nie są to materiały jednorodne.

Warto przytoczyć sposób przeliczania oporu dyfuzyjnego (Z) na współczynnik oporu dyfuzyjnego pary wodnej (m) oraz na równoważną dyfuzyjnie grubość powietrza (Sd). Wykorzystuje się do tych przeliczeń współczynnik przewodzenia pary wodnej powietrza – określa się jego wielkość (w stanie suchym powietrza):λpow. = 0,2 mxg/MNxsPo podstawieniu λpow. do wzoru:µ = (Zxλpow.)/dgdzie: d – grubość materiału, można przeliczyć opór dyfuzyjny Z = (MNxs)/g na współczynnik oporu dyfuzyjnego lub na – częściej podawaną – równoważną dyfuzyjnie grubość powietrza:Sd = µxda więc:Sd = Zxλpow.

Jeśli zatem dany produkt (MWK) ma Z = 0,09 (MNxs)/g (według normy BS3177:1959 [8]), to Sd = 0,09 (MNxs)/gx0,2 mxg/MNxs = 0,018 m. Taka wartość (z dopiskiem „z wyliczenia”) podawana jest w ulotkach informacyjnych. Jednocześnie paroprzepuszczalność tego wyrobu wynosi 2409 (g/m²) na 24 h (według normy BS3177:1959 [8]).

Wnioski

Warto zauważyć, że wszystkie podawane w normach europejskich parametry są wykorzystywane w programach komputerowych wyliczających efekty działania procesów cieplno-wilgotnościowych zachodzących w przegrodach budowlanych. Niektóre programy są zalecane w normach, np. w normie DIN 4108-3:2001-07 [9] podane są dwa programy komputerowe do wyliczania takich procesów, a norma tylko określa klimatyczne warunki brzegowe, jakie trzeba wprowadzić (oprócz parametrów budynku i materiałów użytych do jego budowy), aby uzyskać dane określające wielkość przestrzeni wentylacyjnych w dachu.

Norma ta nie jest jednak przydatna w Polsce, ponieważ żadna instytucja nie określa warunków brzegowych odpowiednich dla naszego klimatu. Problemem jest również wyliczenie granicy określonej parametrem równoważnej dyfuzyjnie grubości powietrza (Sd), dzielącej elastyczne wyroby wodochronne na te mogące być układane na styk z termoizolacją w przegrodach budowlanych (MWK), oraz na takie, które muszą być oddzielone szczeliną wentylacyjną od termoizolacji (FWK). Ten podział jest ważny ze względu na różnice klimatyczne występujące w różnych krajach.

Konsekwencją braku takich wytycznych uwzględniających uwarunkowania klimatyczne jest stosowanie nieodpowiednich materiałów w przegrodach budowlanych i blokowanie rozwoju wielu nowych technologii korzystających z wysoce wyspecjalizowanych materiałów budowlanych.

Literatura

1. DIN 53122-1:2001, „Determination of water vapour transmission rate of plastic film, rubber sheeting, paper, board and other sheet materials by gravimetry”.
2. NF H00-030-2001, „Sheet materials. Determination of water vapour transmission rate. Gravimetric dish method”.
3. PN-EN 13859-1:2008, „Elastyczne wyroby wodochronne. Wyroby podkładowe do nieciągłych pokryć dachowych”.
4. PN-EN 1931:2002, „Elastyczne wyroby wodochronne. Wyroby asfaltowe, z tworzyw sztucznych i kauczuku do izolacji wodochronnej dachów. Określanie przenikania pary wodnej”.
5. PN-EN 1297:2006, „Elastyczne wyroby wodochronne. Wyroby asfaltowe, z tworzyw sztucznych i kauczuku do pokryć dachowych. Metoda sztucznego starzenia przez długotrwałą ekspozycję na łączne działanie promieniowania UV, podwyższonej temperatury i wody”.
6. PN-EN 1296:2002, „Elastyczne wyroby wodochronne. Wyroby asfaltowe, z tworzyw sztucznych i kauczuku do pokryć dachowych. Metoda sztucznego starzenia przez długotrwałe działanie podwyższonej temperatury”.
7. PN-EN 12114:2003, „Właściwości cieplne budynków. Przepuszczalność powietrza komponentów budowlanych i elementów budynków. Laboratoryjna metoda badania”.
8. BS 3177:1959, „Method for determining the permeability to water vapour of flexible sheet materials used for packing”.
9. DIN 4108-3:2001-07, „Wärmeschutz und Energie. Einsparung in Gebäuden”.
10. A. Bobociński, „Interpretacja przepisów o paroprzepuszczalności wyrobów”, „Materiały Budowlane”, nr 3/2001, s. 82–87.
11. PN-EN ISO 12572:2004, „Cieplno-wilgotnościowe właściwości użytkowe materiałów i wyrobów budowlanych. Określanie właściwości związanych z transportem pary wodnej”.
12. PN-EN ISO 10456:2009, „Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe i procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!