Zasady wentylacji dachów

Wentylowanie polega na wymianie powietrza. Jego celem jest stałe usuwanie wilgotnego powietrza i wprowadzanie bardziej suchego, które może pochłonąć parę wodną napływającą z wnętrza dachu. Ruch powietrza można wymusić mechanicznie lub wywołać przy wykorzystaniu naturalnych zjawisk.

Dach wentylowany

Dach wentylowany to konstrukcja, która zawiera zaprojektowaną do tego celu wewnętrzną przestrzeń rozdzielającą termoizolację od kompletnego pokrycia, przeznaczoną do swobodnego przepływu powietrza atmosferycznego osuszającego termoizolację i konstrukcję tego dachu. Przez kompletne pokrycie rozumie się wszystkie jego warstwy: pokrycie zasadnicze z uszczelnieniem (pokrycie wstępnym).

Przestrzeń wentylacyjna jest naczyniem dwustronnie otwartym, a jej poprawne działanie zależy od skuteczności wymiany przepływającego przez nią powietrza. Przepływ jest wywoływany przez różnicę ciśnienia i gęstości między powietrzem znajdującym się wewnątrz i tym na zewnątrz przestrzeni. Im powietrze jest cieplejsze, tym ma mniejszą gęstość. Z powodu małej wagi cząsteczek pary wodnej również jej zawartość zmniejsza gęstość powietrza, co powoduje, że wilgotne powietrze jest lżejsze od suchego. Wszystkie płyny i gazy o mniejszej gęstości są wypychane przez te o większej gęstości, dlatego cieplejsze powietrze jest unoszone do góry, a od dołu napływa zimniejsze. Jeżeli dodatkowo jest wilgotne, to tym bardziej jest wypychane, co ma znaczenie dla skuteczności działania wentylacji. Na tej zasadzie powstaje siła ciągu nazywanego termicznym. (RYS 1-2)

Różnicę ciśnienia wywołują wiatr i wysokość dachu, przy czym wpływ wysokości nie jest tak duży, ponieważ różnica ciśnienia atmosferycznego między najniższym miejscem przestrzeni wentylacyjnej (wlotem) a najwyższym (jej wylotem) w praktyce jest mała. Duże znaczenie w działaniu wentylacji dachów mają natomiast wiatry, które w zależności od typu dachu, jego kształtu i usytuowania (otoczenia) oraz wysokości budynku wywołują dodatkowy ruch powietrza w przestrzeniach wentylacyjnych.

Podana definicja określa typ konstrukcji dachu, w której projektant świadomie planuje otwartą przestrzeń przeznaczoną do naturalnego ruchu ­powietrza wentylującego. Taki sposób pozbywania się wilgoci jest bardzo skuteczny zarówno w dachach płaskich, jak i w skośnych, chociaż wydaje się, że warunki do przepływu powietrza są korzystniejsze w dachach skośnych, w których ciąg termiczny i wiatr mogą łatwiej wywołać ruchu powietrza.

W dachach płaskich, szczególnie tych dużych, trudniejsze jest zapewnienie przepływu powietrza z wykorzystaniem obu tych zjawisk jednocześnie. W związku z tym na dachach płaskich dużo częściej stosuje się rozwiązania nieuwzględniające przepływu powietrza wentylującego w żadnej z warstw. Takie konstrukcje nazywane są dachami jednopowłokowymi (lub ciepłymi niewentylowanymi), ponieważ zawierają szczelne materiały osłaniające termoizolację przed wnikaniem pary wodnej, a wszystkie ich warstwy stykają się ze sobą i tworzą jedną powłokę leżącą na elementach nośnych.

Z dotychczasowych rozważań wynika, że wentylowanie dachów odbywa się dzięki dwóm niezależnym czynnikom: ciągowi termicznemu i działaniu wiatru.

Ciąg termiczny

Ciąg termiczny wywołany wypychaniem lżejszego, bo cieplejszego powietrza przez zimne napływające z atmosfery zależy od ilości energii cieplnej, jaką otrzyma powietrze wentylujące we wnętrzu dachu. Latem głównym źródłem ciepła jest promieniowanie słoneczne, zimą zaś termoizolacja dachu, przez którą - z pominięciem budynków energooszczędnych i pasywnych - ucieka 20-25% energii cieplnej zużywanej w całym budynku. W naszym klimacie dość często te dwa źródła funkcjonują równocześnie, np. w lutym i marcu, kiedy jest dużo dni słonecznych, temperatura pod dachówką na kilka godzin może podnieść się do 70°C, podczas gdy powietrze atmosferyczne w tym samym czasie ma temperatury ujemne.

Podobnie jest z wieloma innymi pokryciami; pod blaszanymi takie chwilowe temperatury są najwyższe, choć na pewno utrzymują się krócej niż pod dachówkami. Wszystko zależy od pojemności cieplnej materiału pokrycia.

Z oczywistych powodów na wielkość sił wyporu termicznego mają wpływ kolory i faktury powierzchni pokrycia oraz ustawienie dachu względem stron świata. Połacie nasłonecznione i wyposażone w ciemne i matowe pokrycia będą się silniej nagrzewały niż jasne lub srebrzyste i usytuowane od strony północnej lub osłonięte wysokimi obiektami.

Wynika z tego, że ciąg termiczny jest istotnym napędem dla powietrza wentylującego, ponieważ w przestrzeniach wentylacyjnych zawsze występuje jakaś różnica temperatur. Nawet najmniejsze jej wartości wywołują przepływ: różnice temperatur w przedziale od 1 do 15 K (°C), jakie występują na wejściu i wyjściu przestrzeni wentylacyjnej, wywołują przepływy o prędkości od 0,05 do 0,3 m/s.

Niestety, ten rodzaj sił występuje wyraźnie tylko w dachach spadzistych, gdzie jest głównym motorem napędowym wentylacji. W dachach płaskich można jedynie wywołać ten efekt przez podniesienie wysokości wylotów z przestrzeni wentylacyjnej w stosunku do wlotów, nie zawsze jednak jest to możliwe i skuteczne.

Siły pochodzące od wiatru

Drugim ważnym czynnikiem wywołującym ruch w układach wentylacyjnych dachu jest ciśnienie wiatru. Jest on czynnikiem nieprzewidywalnym o bardzo dużej zmienności wszelkich parametrów z nim związanych, dlatego jego wpływ na funkcjonowanie wentylacji dachu można ocenić, rozpatrując jedynie podstawowe zależności.

Na przepływ powietrza wentylującego mają wpływ dwie podstawowe cechy wiatru: kierunek i prędkość, przy czym prędkość jest czynnikiem łatwiejszym do oceny. Wiadomo, że od niej zależą wielkości sił oddziałujących na dach, jakie powstają przy zetknięciu się przepływającego powietrza z budynkiem. Siły te działają w zależności od kształtu dachu i kierunku wiatru i wywierają parcie (nacisk) albo ssanie. Oprócz tego prędkość wiatru decyduje o szybkości wyparowywania wody - im jest większa, tym parowanie szybsze.

Siły, jakie powstają w kanałach wentylacyjnych dzięki działaniu wiatru, wymuszają przepływ powietrza wentylacyjnego w dwojaki sposób: wytwarzają nadciśnienie powodujące parcie albo podciśnienie wywołujące ssanie.

Najczęściej na stronie nawietrznej powstaje parcie (przy nachyleniu połaci powyżej 35°), a na zawietrznej ssanie (na górze połaci pod kalenicą). Decyduje o tym kierunek wiatru względem poszczególnych boków budynku. Rozkłady ciśnień są dość skomplikowane i zależą od kształtu budynku (i dachu) oraz kątów nachylenia połaci.

Obie wartości ciśnienia (dodatnia - parcie, ujemna - ssanie) wymuszają przepływ powietrza wentylującego we wszystkich połaciach w większości kierunków, jakie obiera wiatr. Trzeba jednak pamiętać, że w skrajnych wypadkach wiatr może spowodować odwrotny kierunek przepływu - z góry do dołu. Jest to niekorzystne, gdy zachodzi stale w tych samych miejscach dachu, ponieważ podczas opadów deszczu lub śniegu może wywołać duże zawilgocenie niektórych fragmentów dachu.

Bardzo ważnym elementem kształtu dachu w działaniu wiatru jest kąt nachylenia połaci dachowych, ponieważ decyduje on o wielkości oddziaływań oraz o tym, czy na dach działa parcie czy ssanie. Im dach ma mniejsze nachylenie, w tym większej liczba miejsc tego dachu występuje ssanie, a co ważne -tym większe są różnice między wielkościami siły ssącej. Rozkład tych sił ma znaczenie dla dachów z otwartą dla wentylacji kalenicą, czyli dla większości dachów pochyłych i tylko dla niektórych płaskich.

W przypadku dachów płaskich siły wiatru są w zasadzie jedynymi, jakie napędzają wentylację. Dlatego warunkiem działania wentylacji w takich konstrukcjach jest usytuowanie otworów wlotowo-wylotowych na przeciwległych ścianach zewnętrznych. Otwory te powinny być rozmieszczone w miarę równomiernie względem przestrzeni wentylacyjnej. To gwarantuje prawidłowy przepływ powietrza wentylującego całą powierzchnię dachu.

Wiatr jest czynnikiem bardzo zmiennym. Może w ogóle nie występować, może wiać z różnych stron i z różną siłą, a także, co gorsza, nieść ze sobą opady atmosferyczne. W polskim klimacie trzeba bardzo uważnie projektować i wykonywać dach z uwzględnieniem działania wiatru na układ wentylacji, w tym szczególnie uwzględnić podwiewanie śniegu. Wiatr potrafi przesypywać go pod powierzchnią pokrycia w różnych kierunkach, tworzyć zatory w każdym zagłębieniu i zasypywać każdą szparę. Ma to duże znaczenie w okresie topnienia śniegu, kiedy za kominami, oknami dachowymi i w przegrodach ukształtowanych przez łaty w koszu lub za dachówką wentylacyjną tworzą się czapy śniegowo-lodowe.

Takie działanie wiatru powoduje, że wyjątkowo starannie trzeba dobierać miejsca usytuowania wlotów oraz sposób zabezpieczenia ich przed gniazdowaniem ptaków i owadów. Ma to ścisły związek z wielkością wlotów; nie mogą być ani za małe, bo zdławi to ruch powietrza, ani za duże, ponieważ wiatr łatwo wniesie przez nie zbyt dużo opadów. Zaleganie śniegu na wlocie lub na wylocie wentylacji może na długo zablokować ruch powietrza, co spowoduje dodatkowo zagrożenie zawilgocenia dużych obszarów dachu.

Wyloty znajdują się zazwyczaj w najwyższym miejscu dachu i dlatego są bardzo czułe na zmienność wiatru oraz podwiewanie opadów. Z tego powodu trzeba bardzo starannie dobierać ich usytuowanie, kształty, wielkość i sposób uszczelnienia.

Różnice między pomocnym a szkodliwym działaniem wiatru mogą być bardzo subtelne i trudne do zauważenia. Wynika to ze złożoności zagadnień związanych z przepływem powietrza w kanałach wentylacyjnych. Ich kształt i faktura powierzchni decydują o tym, czy ruch powietrza jest stateczny, równomierny i uporządkowany (przepływ (ruch) laminarny), czy chaotyczny, przypadkowy i zaburzony (przepływ (ruch) turbulentny). Jest to szczególnie ważne w wąskich szczelinach wentylacyjnych.

Wiatr ma bardzo duży wpływ na rodzaj przepływu powietrza, a mianowicie przy wolnym przepływie ruch jest laminarny, przy szybkim zaś może być turbulentny, jeżeli przepływ odbywa się w kanale o zmiennych kształtach, z załamaniami lub otworami. Jest to bardzo ważne, ponieważ szczeliny pod wieloma pokryciami mają zmienną wysokość, a łaty utrzymujące większość pokryć stanowią ostre krawędzie, które powodują zawirowania.

Szorstkość powierzchni kanałów (np. w szczelinach nad papą) powoduje natomiast wzrost oporów przepływu i również może się przyczynić do powstania turbulencji. Jest to szczególnie prawdopodobne w niskich szczelinach.

W zbyt niskich szczelinach wentylacyjnych z powodu turbulencji silny wiatr zamiast wspomóc wentylację, może ją zatrzymać i dodatkowo przenieść w szczelinę deszcz lub śnieg. W związku z tym te kanały wentylacyjne, które są otoczone przez gładkie płaskie materiały (np. blachę trapezową), o małej liczbie załomów, dużo łatwiej się wentylują. Dodatkową ich zaletą jest to, że według istniejących reguł i zasad łatwiej można ustalić ich wysokość.

W analizie działania wiatru względem dachów nie można ominąć problematyki związanej z dachami otwartymi, czyli takimi, których konstrukcja umożliwia bezpośrednie dotarcie wiatru od spodu pokrycia. Typowymi dachami otwartymi są ganki i wiaty bez podbicia. Jednak ten typ konstrukcji często występuje jako fragment dachu sąsiadujący z konstrukcją zamk­niętą (dach zamknięty) i powoduje zmianę rozkładów ssania i parcia. Jest to szczególnie ważne w dachach uszczelnionych membranami (MWK) lub foliami (FWK), które z powodu ich elastyczności nie stanowią bariery dla działania ciśnienia (jak w odkurzaczu). W takich typach konstrukcji w miejscach, gdzie typowo występuje ssanie, może pojawić się parcie, i na odwrót.

Kąt nachylenia połaci dachu wentylowanego

Zostało wcześniej powiedziane, że dla funkcjonowania wentylacji dachu podstawowe znaczenie ma kąt nachylenia jego połaci. Bardzo wyraźne jest to, że przy bardzo niskich kątach nachylenia połaci (<  10°) ruch powietrza w szczelinie wentylacyjnej wywoływany jest tylko przez wiatr, a przy niskich nachyleniach (10-20°) ciąg termiczny działa w ograniczony sposób.

W bardzo stromych dachach rola parcia pochodzącego od wiatru jest natomiast znikoma, bo jego składowe działające w osi szczelin wentylacyjnych są małe. Jedynie siły ssące mogą pomóc w przemieszczaniu się powietrza, jednak ich działanie uzależnione jest od kierunku wiatru oraz sposobu wykonania wylotu szczeliny.

Z powodu dużej zmienności prędkości i kierunku wiatru siły te są czynnikiem zbyt niepewnym. Jednak działanie wiatru w takich dachach nie jest aż tak ważne, ponieważ ciąg termiczny jest w nich dominującym i wystarczającym napędem.

Wyznaczenie kątów granicznych rozdzielających zakresy nachylenia - te, w których przeważają siły pochodzące od wiatru, od tych, w których funkcjonują również sił wyporu termicznego - jest bardzo trudne, głównie z powodu wielu czynników mających wpływ na ich działanie.

Przy połaciach nisko nachylonych (10-20°), ale nie płaskich, ciąg termiczny będzie działał, jeżeli wysokość przestrzeni wentylacyjnej będzie dostatecznie duża. W wąskich i długich szczelinach opory przepływu zniwelują siły wyporu termicznego. Z tego powodu wysokość szczeliny powinna wyraźnie wzrastać w miarę obniżania spadku połaci dachu.

W dachach płaskich, które z powodu usytuowania nie mogą mieć otworów wentylacyjnych w przeciwległych ścianach, warto maksymalnie podnosić wysokość wylotów, wloty zaś sytuować jak najniżej, ponieważ siły wyporu termicznego będą wtedy lepiej działały, a wiatr też będzie skuteczny. W takich dachach trzeba maksymalizować kubaturę przestrzeni wentylacyjnej, ponieważ siły wyporu zależą od objętości podgrzanego powietrza.

Kąt nachylenia połaci ma również wpływ na intensywność podwiewania wszelkich opadów atmosferycznych w otwory wentylacyjne: wloty w okapie i wyloty na kalenicy. Im kąt nachylenia jest niższy, tym zjawiska te są groźniejsze, ponieważ otwory wentylacyjne przy niskich nachyleniach są bardziej wystające i wrażliwe na działania wiatru. Jednocześnie na bardziej płaskich połaciach łatwiej zalegają śnieg i lód, które zasłaniają otwory i zakłócają funkcjonowanie wentylacji dachu.

Cykle przepływu pary wodnej przez dach

Na przebieg procesu wentylowania dachu decydujący wpływ mają zmienne czynniki klimatyczne. Po zewnętrznej stronie dach podlega wahaniom dobowym, natomiast po stronie wewnętrznej - sezonowym.

Sezonowość ta wynika z zimowego okresu ogrzewania, kiedy warunki wewnątrz budynku są zazwyczaj bardzo stabilne i można stwierdzić, że stale panuje tam temperatura pokojowa - ok. 20°C, a wilgotność względna osiąga poziom 40-50%. Wtedy ciepło bardzo intensywnie przechodzi do termoizolacji i mimo jej działania przenika na zewnątrz dachu. Latem zaś jest odwrotnie: ciepło z zewnątrz (słoneczne) przechodzi do wnętrza. Wtedy termoizolacja chroni przed nadmiernym przegrzaniem dachu i budynku.

Wiadomo, że para wodna przechodzi od ośrodka ciepłego do zimnego i w związku z tym zimą przenika z wnętrza na zewnątrz, latem zaś odwrotnie. Jeżeli w dachu ułożona jest paroizolacja, to letni proces przenikania pary do pomieszczeń jest wstrzymany lub ograniczony. Jednak nawet w zamkniętej termoizolacji te zasadnicze kierunki przepływu pary funkcjonują bez względu na ilość wilgoci, jaka się w niej znajduje.

Wahania dobowe na zewnątrz polegają natomiast na tym, że w ciągu dnia powierzchnia dachu ogrzewana jest przez promienie słoneczne, w nocy zaś jest wychładzana na skutek wymiany ciepła z otoczeniem.

Ciepło zgromadzone w ciągu dnia przekazywane jest do środka przez przewodzenie cieplne i promieniowanie, a pewna jego część jest odbijana lub wypromieniowana na zewnątrz. Duża część tego ciepła ogrzewa powietrze w dachu, dzięki czemu może powstać ciąg termiczny w kanałach wentylujących. To ogrzane powietrze przechwytuje parę wodną, która rano znalazła się po zewnętrznej stronie termoizolacji.

W środku dnia zaczyna się proces odwrotny - para wewnątrz termoizolacji razem z ciepłem przechodzi do wnętrza, ponieważ dach zdążył się już nagrzać.

Jeszcze przed zachodem słońca zaczyna się proces wychładzania powierzchni dachu, który najczęściej trwa całą noc. Prowadzi on do kondensacji znacznej ilości pary wodnej z powietrza na zewnętrznej powierzchni dachu oraz pod pokryciem. Największe roszenie występuje rano, kiedy napływające powietrze jest już lekko ogrzane, ale dach jest najzimniejszy.

W dachach wentylowanych wilgoć może się również gromadzić w szczelinie wentylacyjnej, co może doprowadzić do zawilgocenia więźby i ocieplenia (RYS. 3).

Zjawisko to jest mniej groźne w dachach niewentylowanych z jedną szczeliną wentylacyjną pod pokryciem, w których zastosowano wysokoparoprzepuszczalne membrany wstępnego krycia (RYS. 4).

Podczas dnia podwyższona temperatura zewnętrzna powoduje przenikanie pary z wewnętrznych warstw dachu na zewnątrz przegrody i gdy dach jest wentylowany lub pokrycie wentylowane (z membraną wstępnego krycia), przepływające powietrze wyciąga wilgoć na zewnątrz. Procesy cieplno-wilgotnościowe przebiegające na powierzchni dachu wpływają więc na temperaturę i wilgotność całej konstrukcji.

Działanie wentylacji skutkuje tym, że zimowa wędrówka pary na zewnątrz, a letnia do wnętrza powoduje w bilansie rocznym wysychanie dachu. Nocny strumień przenikania jest zimą wyższy niż powodowane słońcem przenikanie odwrotne, więc zimą wilgoć przez dłuższy czas wędruje na zewnątrz. Latem odpowiednio zwiększa się przenikanie odwrotne, przy czym wilgoć w większej części przemieszcza się do wnętrza lub wysycha do wnętrza budynku, jeśli nie jest to zablokowane przez założoną od środka paroizolację (RYS. 5).

Para wodna wciąż zatem przemieszcza się w granicach termoizolacji i niewątpliwie w wielu dachach przy tej okazji się skrapla. Jest to możliwe, gdy spadki temperatury przekroczą punkt rosy, dlatego najlepiej jest, gdy para skrapla się jak najbliżej zewnętrznej warstwy termoizolacji i w jak najmniejszych ilościach. Temu służy wentylacja dachu. Ważne jest, aby bilans roczny wymiany ciepła i pary wodnej z otoczeniem powodował wysychanie dachu, a nie jego zawilgocenie.

Warunkiem dobrego działania wentylacji dachów jest odpowiedni dobór materiałów pod względem ich paroprzepuszczalności. Opór dyfuzyjny poszczególnych warstw w układzie dachu powinien się zmniejszać od środka na zewnątrz. Od środka powinny więc być instalowane materiały o dużym oporze dla pary (małej paroprzepuszczalności), po stronie zewnętrznej zaś - o małym oporze (dużej paroprzepuszczalności).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!