Promieniowanie ciepła a skuteczność odblaskowych materiałów dachowych

Większość przepływów (przejmowania) ciepła w budynkach odbywa się wskutek konwekcji i przewodzenia. Skala trzeciego sposobu, czyli promieniowania, zależy od systemu ogrzewania.

W budynkach ogrzewanych tradycyjnie za pomocą centralnego ogrzewania (pieca i grzejników) przeważa konwekcja, w wyniku promieniowania wymieniana jest zaś bardzo mała (pomijalna) ilość energii.

Za pośrednictwem promieniowania przekazywane są duże ilości ciepła wówczas, gdy budynek lub jego pomieszczenia ogrzewane są promiennikami elektrycznymi lub gazowymi. Także kominki (zwłaszcza otwarte) wytwarzają istotną ilość promieniowania cieplnego. 

Najwięcej promieniowania emituje Słońce. Ilość ciepła docierająca do budynków zależy od strefy klimatycznej i regionu. W niektórych miejscach nie ma potrzeby ogrzewania obiektów, ponieważ wystarcza energia słoneczna.

W budynkach znajdujących się w tych strefach zużywa się za to dużo energii na chłodzenie pomieszczeń. W wielu miejscach konieczne jest jednak zarówno ogrzewanie budynków zimą, jak i schładzanie ich latem, co wymaga dużych wydatków energii.

Zjawisko promieniowania cieplnego

Wymianę ciepła wskutek promieniowania obrazuje prawo Stefana–Boltzmanna: ilość energii wypromieniowanej przez ciało doskonale czarne jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury bezwzględnej tego ciała.

Chociaż ciało doskonale czarne to tylko model myślowy, zależność ilości wypromieniowanej energii od temperatury jest bardzo istotna. W rzeczywistości promieniowanie ciepła w znaczącej ilości jest możliwe tylko przez ciała bardzo mocno rozgrzane. Promieniowanie termiczne jako ilościowo ważne emitują ciała rozgrzane do temperatury wyższej niż 500°C [1].

Promieniowanie cieplne to rodzaj drgań elektromagnetycznych. Podlega zatem tym samym prawom ogólnym: prawu odbicia, załamania, polaryzacji i pochłaniania. Promieniowanie padające na pewne ciało może zostać przez nie pochłonięte, przepuszczone lub odbite (rys. 1).

Energia, która zostanie pochłonięta, zwiększa poziom energii wewnętrznej ciała napromieniowanego i powoduje wzrost emisji promieniowania przez to ciało. Większość ciał stałych i cieczy jest praktycznie nieprzepuszczalna dla promieniowania cieplnego [2]. Promieniowanie ogrzewa ośrodki, na które oddziałuje, i traci większość energii, kiedy przez nie przechodzi.

Oznacza to, że gdy promieniowanie wysłane przez promiennik ciepła dociera do przeciwległej ściany pomieszczenia na wprost promiennika, to znacząca część energii tego promieniowania zostaje w powietrzu, a reszta ogrzewa farbę i mur lub płyty gipsowo-kartonowe. Przy tym duża część tego, co pozostało po ogrzanym powietrzu, zostaje zebrana przez powłokę farby.

Jeżeli farba ma takie własności, że jest w stanie wyemitować jakąś znaczącą część promieniowania, które otrzymała, to jego resztki zostają w podkładzie. Podkłady te są materiałami porowatymi, z zasady pochłaniającymi promieniowanie.

W związku z tym stosowanie materiałów odblaskowych na ścianie za promiennikiem ma sens, chociaż odbiją one niewiele energii, ponieważ promienniki są tak skonstruowane, aby emitowały energię kierunkowo. Tak usytuowany materiał odblaskowy (folia aluminiowa na styropianie) odbija resztki tego, co wytwarza promiennik.

Ta sama folia umieszczona za płytą gipsowo-kartonową stanowiącą wykończenie pomieszczeń mieszkalnych na poddaszu odbija promieniowanie, ale tylko w niewielkim stopniu, niemającym znaczenia w bilansie energetycznym dachu i budynku.

Jeśli przeanalizuje się zdjęcia wykonane kamerą termowizyjną, może wydać się, że stwierdzenie to jest nieprawdziwe. W tym jednak wypadku to niewątpliwie pożyteczne urządzenie może wprowadzać w błąd.

Kupujący widzą lustrzane odbicia na foliach odblaskowych i utożsamiają je z odbijaniem promieniowania cieplnego, które ma inne długości (częstotliwości) i może przez folie w dużo większym stopniu przenikać, niż się odbijać.

Zjawisko odbijania zachodzi na foliach z gładkiego metalu, a folie odblaskowe stosowane w budownictwie są w zdecydowanej większości wykonane z aluminium napylonego na tworzywa. Różnica we własnościach tych dwóch rodzajów folii jest ogromna, choć wyglądają podobnie.

Przykład obliczeniowy

W określeniu skuteczność folii odblaskowej umieszczonej za płytą gipsowo-kartonową na poddaszu ogrzewanym promiennikiem może pomóc następujący rachunek szacunkowy:

• zakładamy, że promiennik wytwarza określoną ilość energii w jednostce czasu, oznaczoną jako E_c;
• po przejściu przez jeden ośrodek zostaje w nim 90% energii przekazanej w formie promieniowania, a 10% emitowane jest dalej.

Taki stosunek (90% do 10%) jest adekwatnym modelem realnych zjawisk, chociaż każdy z produktów ma inne właściwości (różne wartości współczynnika absorpcji i emisyjności), ponieważ i tak większość materiałów budowlanych pochłania promieniowanie.

Po przejściu przez powietrze wypełniające ogrzewane pomieszczenie energia docierająca do ściany wynosi 0,1 E_c. Ta ilość dzieli się po przejściu przez farbę. Z farby emitowane jest 0,1×(0,1 E_c) = 0,01 E_c.

To, co pozostało, przechodzi przez płytę gipsowo-kartonową i płyta emituje znów 10% tego, co otrzymała. Do powietrza za płytą dociera więc 0,1×(0,01 E_c) = 0,001 E_c. Po przejściu powietrza promieniowanie dociera do odblaskowej folii w ilości 0,1×(0,001 E_c) = 0,0001 E_c.

Nie jest to jednak ilość energii odbijanej i docierającej z powrotem do powietrza znajdującego się między folią a płytą gipsowo­‑kartonową, ponieważ folia część promieniowania pochłania, część przepuszcza, a to, co zostaje – odbija (rys. 1).

W przypadku folii aluminiowej (z metalową cienką blaszką) można zakładać maksymalne odbicie (ok. 90%). Jednak gdy zastosowana folia ma tylko napylone aluminium, może odbić maks. 10–30% docierających promieni cieplnych. Resztę pochłania i przepuszcza dalej.

Można zatem oszacować, że dobra folia odblaskowa odbije do wewnątrz, do płyty gipsowo-kartonowej 9 stutysięcznych części energii wysłanej z promiennika (9/100 000 Ec), a gorsza – maks. 3 stutysięczne części energii (3/100 000 Ec). Co oznacza ten wynik?

Przy założeniu błędu szacunkowego nawet na poziomie 40% w takim układzie materiałowym rodzaj folii nie jest już ważny, ponieważ różnica między 9/100 000 Ec a 3/100 000 Ec jest niewielka.

Taka ilość energii wpłynie jedynie na nieznaczny wzrost temperatury wewnętrznych warstw przegrody (dachu lub ścianki), co nie ma większego znaczenia dla izolacyjności przegrody. O stratach energii decyduje bowiem różnica temperatury między wnętrzem i atmosferą oraz izolacyjność termiczna zastosowanych materiałów.

Trzeba zauważyć, że o zasadności stosowania folii odblaskowych wewnątrz przegród budowlanych decyduje również ilość energii promieniowania (w naszych szacunkach wielkość Ec) wyemitowana przez źródło.

Zdecydowana większość pomieszczeń mieszkalnych jest ogrzewana konwekcyjnie i ilość energii w postaci promieniowania wytwarzana przez grzejniki jest bardzo mała. Folia odbija 1/10 000 tego promieniowania, są to więc ilości pomijalne.

Po co zatem produkuje się folie odblaskowe z napylonym aluminium? Po to, aby proszek metalu uszczelnił i zwiększył opór dyfuzyjny folii wykonanej najczęściej z PE, nie zaś po to, aby folia coś odbijała.

Przedstawiony model przepływu energii w formie promieniowania jest bardzo uproszczony (podział: pochłania 90% i emituje 10%), ale jednocześnie bardzo bliski realnym procesom. Zjawiska pochłaniania i odbicia zależą w znacznej mierze od charakteru powierzchni, przy czym decydujące znaczenie ma jej gładkość i kolor. Dodatkowo działanie wewnętrznych warstw odblaskowych zależy od materiałów przegradzających je od źródła promieniowania cieplnego.

Mechanizm działania kamer termowizyjnych

Jednym z powodów popularności odblaskowych paroizolacji stosowanych w przegrodach dachowych i ściennych są skojarzenia związane z promieniowaniem cieplnym wykorzystywanym w kamerach termowizyjnych.

Drugim czynnikiem jest stosowanie folii odblaskowych w technice kosmicznej. W próżni kosmicznej panują jednak specyficzne warunki – wszelkie promieniowania odbijają się od powierzchni odblaskowych bez ograniczeń spowodowanych przez różnego rodzaju przegrody.

Kamery termowizyjne umożliwiają lokalizowanie różnych wad w budynkach, głównie miejsc występowania mostków termicznych. Ich działanie polega na pomiarze promieniowania podczerwonego (cieplnego) i zobrazowaniu tej energii.

Jest to możliwe, gdyż każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego jest źródłem promieniowania w paśmie podczerwieni, którego intensywność zależy od temperatury (bezwzględnej) i cech powierzchni ciała.

Kamery wykorzystują to, że promieniowanie jest funkcją temperatury powierzchni obiektu, dokonują obliczeń, a następnie przekazują obraz. Zawdzięczamy to technice i materiałom czułym na bardzo małe ilości energii promieniowania cieplnego, np. w czujnikach typu bolometr metalowy próg czułości wynosi 6/1011 W, a w bolometrach półprzewodnikowych 1/1010 W. Są to niewyobrażalnie małe ilości energii.

Aby dokładnie określić temperaturę badanego ciała, w systemach termowizyjnych stosuje się wewnętrzne źródła odniesienia, z precyzyjnie określoną temperaturą i właściwościami emisyjnymi ustalanymi w czasie kalibracji urządzenia.

Aby określić temperaturę badanego obiektu, trzeba wprowadzić temperaturę powietrza i uwzględnić jego wilgotność. Sygnał analogowy z dekodera (czujnika) jest wzmacniany i podawany na przetwornik analogowo-cyfrowy.

Postać cyfrowa obrabiana jest w komputerze kamery, gdzie (na podstawie wzorów matematycznych) obliczana jest temperatura odpowiadająca zarejestrowanemu promieniowaniu oraz przyporządkowywana jest odpowiednia skala barw. Dodatkowe oprogramowanie umożliwia przeprowadzenie wielu specjalistycznych analiz temperatury badanego obiektu.

Kamera podaje więc temperaturę dzięki wykorzystaniu zjawiska związanego z promieniowaniem podczerwonym, ale nie pokazuje skali tego promieniowania w budynkach. Mylące skojarzenie polega na łączeniu promieniowania z pokazywanymi temperaturami, od których zależą straty ciepła. Straty te polegają natomiast wyłącznie na przewodzeniu ciepła w materiałach, a widoczne dzięki ­kamerom przepływy w postaci promieniowania cieplnego są bardzo małe w porównaniu ze stratami ciepła przenoszonego wskutek przewodzenia.

Promieniowanie pokrycia

To samo promieniowanie cieplne oddziałuje na zupełnie inną skalę po zewnętrznej stronie dachu, gdzie podstawowe znaczenie ma promieniowanie słoneczne zawierające bardzo duże ilości promieniowania cieplnego.

Pokrycia odblaskowe stosuje się dużo częściej na dachach płaskich niż na pochyłych. Dotyczy to zwłaszcza regionów usytuowanych bliżej równika. Tam warto odbijać promieniowanie cieplne emitowane przez Słońce, ponieważ pomieszczenia znajdujące się pod tymi dachami wymagają chłodzenia.

Na polskich dachach płaskich nie stosuje się natomiast pokryć odblaskowych. W naszym klimacie porównywalny efekt ograniczenia wpływu promieniowania słonecznego na temperaturę pod izolowanym termicznie dachem można uzyskać w wyniku dociążenia dachu żwirem lub ziemią.

Uzyskuje się dzięki temu inne korzyści, jak osłona hydroizolacji przed promieniowaniem UV, stabilizacja temperatury przez cały rok czy zrównoważony odpływ wody. Dachy w Polsce są przy tym izolowane termicznie ze względu na znaczny spadek temperatury zimą. Jeżeli izolacja jest poprawnie wykonana, ilość docierającego ciepła słonecznego latem jest również skutecznie ograniczona.

Jak wiadomo, zjawisko odbijania promieniowania cieplnego zależy głównie od powierzchni, jej gładkości i koloru. W dachach pochyłych różnice między temperaturą powierzchni gładkich i srebrzystych a ciemnych i porowatych przy tym samym nasłonecznieniu są znaczne i przewyższają 40°C [3]. Czy takie nagrzewanie się pokrycia jest korzystne dla dachu?

Ciemne i porowate pokrycia są na pewno bardziej obciążone ruchami termicznymi, co może wpływać na ich trwałość, jednak dla stanu całego dachu promieniowanie cieplne nie musi być wyłącznie szkodliwe. Można to wykazać, analizując przydatność metalizowanych wysokoparoprzepuszczalnych membran wstępnego krycia (MWK).

Skuteczność metalizowanych MWK

Od wielu lat kilka firm z zachodniej Europy promuje w Polsce metalizowane wysokoparoprzepuszczalne membrany wstępnego krycia. Ilość promieniowania, jaka może zostać odbita od takich membran, zależy od rodzaju pokrycia znajdującego się nad MWK. Dachówki ceramiczne i betonowe mają większą pojemność i bezwładność termiczną, dłużej się nagrzewają i dłużej chłodzą.

Z tego powodu w naszych warunkach nie nagrzewają się powyżej 80–90°C. Ich najwyższa temperatura nie może być większa również z powodu funkcjonującej pod nimi wentylacji, czyli z powodu ruchu powietrza, który znacząco obniża temperaturę każdego pokrycia i każdej MWK.

Im większa różnica temperatury powietrza atmosferycznego i temperatury pokrycia, tym szybciej przepływa powietrze, ponieważ wzrasta ciąg termiczny. Ten efekt bardzo skutecznie obniża temperaturę dachu wentylowanego w czasie upałów.

Pokrycia dachówkowe, nawet w razie wadliwie wykonanej przestrzeni pod nimi, dobrze się wentylują, gdyż mają dużo szczelin między poszczególnymi dachówkami. Bardzo popularne w Polsce pokrycia blaszane nie mają tej zalety i każdy błąd w wykonaniu szczeliny wentylacyjnej blokuje przepływ powietrza.

Ma to jednak niewielki wpływ na promieniowanie docierające do MWK, ponieważ maksymalna temperatura pod blachami niewentylowanymi układanymi na łatach i kontrłatach sięga 120°C. Wielkość emisji promieniowania termicznego przez pokrycie metalowe w odniesieniu do obu temperatur: 120°C (gdy nie ma wentylacji) i 80°C (z wentylacją) jest znikoma. Zauważalne ilości emitują ciała rozgrzane do temperatury powyżej 500°C [1].

Jak wcześniej wykazano, działanie wewnętrznych warstw odblaskowych w dachu zależy od materiałów przegradzających je od źródła promieniowania cieplnego. Słońce jest potężnym źródłem promieniowania, ale nie na tyle, aby ogrzewane przez nie pokrycia w naszej strefie klimatycznej emitowały znaczące jego ilości.

Duże znaczenie ma obecność lub brak warstwy powietrznej. Najważniejsze jednak jest to, że w dachach wentylowanych nawet mała chwilowa ilość promieniowania od pokrycia nie szkodzi, lecz pomaga.

Nasz klimat jest wyjątkowo zmienny i raczej wilgotny niż gorący. Z tego powodu dużo większym zagrożeniem dla polskich dachów jest wilgoć niż nadmiar energii cieplnej. W dachu z metalizowaną membraną strata jest oczywista: pozbywamy się ciepła niezbędnego do zamiany wilgoci i skroplin w parę wodną.

Warto przypomnieć, że MWK przepuszczają parę wodną, aby jednak para powstała, muszą zaistnieć odpowiednie warunki – dach musi otrzymać określoną ilość ciepła do odparowania wilgoci zgromadzonej w wełnie mineralnej i w konstrukcji.

Dach podlega ciągłym zmianom temperatury i wilgotności (rys. 2). Z tego powodu w termoizolacji, w jej strefie zewnętrznej, wciąż pojawiają się skropliny. Mogą się one zamienić w parę wodną tylko po otrzymaniu energii. MWK nie przepuszczają pary wodnej długofalowo, ponieważ często się ona skrapla. Cykle zmian zależą od dobowych zmian temperatury i pory roku.

Warto przypomnieć, że dachy wentylowane lub z pokryciem wentylowanym i MWK wysychają najintensywniej zimą, kiedy temperatura jest niska, a Słońce rozgrzewa pokrycie i podnosi się temperatura powietrza nad MWK. Przy temperaturze powietrza wchodzącego pod pokrycie wynoszącej –10°C nasłonecznione pokrycie ma ok. 60°C.

Ogrzewające się powietrze znacząco zwiększa prędkość przepływu. Bez takiego ciepła zewnętrzna warstwa termoizolacji nie mogłaby się rozgrzać i wilgoć intensywnie napływająca z ogrzewanego wnętrza gromadziłaby się w termoizolacji w postaci skroplin.

O ilości potrzebnego ciepła decyduje stopień zawilgocenia dachu. Wysychanie nowo wybudowanych dachów zajmuje 3–4 lata. W tym czasie pokrycia wymagają większej ilości energii dostarczanej w okresach zimna (okresach grzewczych). Im więcej energii (również z zewnątrz) otrzyma dach, tym szybciej wysycha.

Nawet tak mała porcja energii cieplnej, jaka dociera do dachu na zasadzie promieniowania od rozgrzanego pokrycia, jest bardzo potrzebna i nie wolno jej tracić. Jednocześnie każdy dobrze wykonany dach w Polsce jest tak izolowany, aby zimą na poddaszu było ciepło, a latem – chłodno.

Jeżeli termoizolacja ma dobrze osłaniać przed stratami zimą, to jednocześnie dobrze chroni przed przegrzaniem latem. Jeśli więc termoizolacja ma odpowiednią grubość, odbite promieniowanie przez metalizowaną membranę ma bardzo mały wpływ na temperaturę w pomieszczeniach pod dachem. Im termoizolacja jest grubsza, tym ten wpływ jest mniejszy.

Można zatem stwierdzić, że w polskim klimacie odbijanie promieniowania przez metalizowane MWK szkodzi dachom, choć nieznacznie. Zauważalne szkody dotyczą sfery finansowej: w cenie produktów metalizowanych można kupić grubsze (więc bardziej trwałe) tradycyjne membrany [4].

Przykłady złego zastosowania

Na fot. 1–2 przedstawiono skutki stosowania błędnych kryteriów oceny materiałów budowlanych. Pokazane paroizolacje odblaskowe wybrano prawdopodobnie ze względu na odbijanie ciepła. Brak wiedzy na temat przyczyn napylania folii spowodował, że zignorowano podstawowe przeznaczenie wyrobu.

Paroizolacje muszą być układane szczelnie, tak aby mogły skutecznie ograniczać dopływ pary wodnej do przegrody oraz zapobiegać powstawaniu przewiewów (niekontrolowanych przepływów powietrza). Ułożone nieszczelnie nie pełnią żadnych funkcji – są tylko zbędnym balastem w dachach.

Wnioski

Zdarza się, że producenci odblaskowych membran wstępnego krycia podają w folderach informację o znacznej (np. 60-proc.) oszczędności energii. Nie wiadomo jednak, o którą energię chodzi ani do czego odsyła dany procent (co stanowi 100%). Klient może więc zrozumieć, że oszczędność dotyczy wydatków na energię zużywaną na ogrzewanie.

Tego typu działania marketingowe są w ostatnich latach częste i bardzo szkodzą branży budowlanej [5]. Należy zatem rozważyć konieczność weryfikacji informacji zawartych w folderach handlowych.

Literatura

1. J. Wojas, „Promieniowanie termiczne i jego detekcja”, WNT, Warszawa 2008, s. 175.
2. B. Staniszewski, „Wymiana ciepła. Podstawy teoretyczne”, PWN, Warszawa 1980, s. 408.
3. E. Schunck, H.J. Oster, R. Bartel, K. Kiessl, „Atlas dachów. Dachy spadziste”, MDM Sp. z o.o., Cieszyn 2005, s. 86.
4. K. Patoka, „Dachy a promieniowanie ultrafioletowe”, „Izolacje”, nr 3/2013, s. 80–84.K. Patoka, „Wiarygodność eksponatów handlowych”, „Izolacje”, nr 6/2013, s. 78–81.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!