Wentylacja dachów – wprowadzenie

***

Artykuł rozpoczyna nowy cykl dotyczący wentylacji dachów i stropodachów, w którym oprócz podstawowych zasad wentylowania dachów, omówione zostaną problemy nowoczesnych materiałów foliowych stosowanych w konstrukcjach dachowych. Autor wyjaśnia, skąd pochodzą wilgoć i para wodna, a także mechanizm powstawania skroplin. Na ilustracjach pokazuje skutki złej wentylacji dachu lub jej braku.

Roof ventilation – introduction 

The article begins a new series on the ventilation of roofs and flat roofs, in which, in addition to the basic principles of ventilation roofs, the problems of modern materials will be discussed foil used in roof structures. The author explains where the moisture and water vapor come from, as well as the mechanism formation of condensation. The illustrations show the effects of poor ventilation roof or lack thereof.

***

Nietrudno się domyśleć, że o dużej skuteczności wentylowania jako metodzie suszenia, nie tylko dachów, ludzkość dowiedziała się dość wcześnie. Do dzisiaj wykorzystuje się naturalne przewietrzanie do suszenia pasz dla zwierząt (siana, zbóż), żywności (owoców, warzyw, mięsa) czy ubrań.

W budownictwie również nadal się je stosuje. Co więcej, celowe i przemyślane wentylowanie dachów nabrało obecnie większego znaczenia, głównie ze względu na przyspieszone tempo budowania. Z powodów ekonomicznych wyeliminowano przerwy technologiczne, co zwiększyło intensywność wydzielanej do wewnątrz wilgoci technologicznej i automatycznie ilość tej wilgoci docierającej do dachu. Wiadomo, że mokre materiały budowlane ulegają szybszej degradacji niż suche, a wilgotne termoizolacje tracą swoje podstawowe cechy i zwiększają straty cieplne w budynkach. To zaś jest powodem wzrostu zużycia energii. Dla energooszczędności całego budynku bardzo duże znaczenie ma dach i to nie tylko dlatego, że chroni przed opadami atmosferycznymi i pochodzącym od nich zawilgoceniem budynku.

Tak samo ważne jest, aby dach był odporny na stale obecną wilgoć wewnętrzną. Istnieje więc wiele ważnych powodów, dla których trzeba (i warto) utrzymywać dachy w stanie suchym.

Konieczność usuwania wilgoci z dachów wynika z tego, że są one bardziej narażone na działanie wilgoci niż inne części budynku. Dzieje się tak, ponieważ ciepłe powietrze, unosząc się do góry na skutek obniżenia swojej gęstości, wchłania parę wodną i przenosi ją do pomieszczeń znajdujących się na poddaszu (RYS. 1).

Przenoszenie pary do góry jest skutkiem właściwości powietrza: ciepłe powietrze mieści w sobie bowiem więcej pary niż zimne, co oznacza, że gdy się ogrzeje, jest w stanie wchłonąć więcej pary wodnej. Ciepłe i wilgotne powietrze jest lżejsze od zimnego i dlatego zawsze jest więcej wilgoci pod sufitem lub na poddaszu. Część pary wodnej wydostaje się z budynku przez system wentylacji razem z zużytym powietrzem, część natomiast wnika w dach. Dlatego w dachu często następuje kondensacja pary wodnej. Jej przyczyną są cykliczne spadki temperatur górnych warstw dachu (pokrycia i zewnętrznej strony termoizolacji), które dokonują się każdego dnia w sposób uzależniony od pory roku. To skroplenie się pary wodnej decyduje o tym, że proces przenoszenia pary wodnej do wnętrza dachu może być dla niego groźny, ponieważ skropliny się w nim gromadzą. Problemy zaczynają się wtedy, gdy dach nie może pozbyć się ich i stale gromadzi wodę w postaci wilgoci i pary.

Przeczytaj też: Zasady wentylacji dachów

Skąd pochodzą para wodna i wilgoć

Wilgoć pojawia się w budynku z wielu źródeł i ma różne postaci, pod którymi możemy ją zaobserwować. Są to:

1. para wodna występująca naturalnie w powietrzu oraz podyktowana działalnością człowieka,
2. wilgoć sorpcyjna, czyli wilgoć związana fizykochemicznie z materiałami budowlanymi, występująca na ich powierzchni,
3. skroplina, czyli woda w stanie ciekłym, która wytrąciła się w kontakcie z chłodną powierzchnią (np. elementów konstrukcyjnych).

Wszystkie trzy źródła wilgoci mogą pojawić się w budynku w różnym natężeniu, a zależy to od czasu eksploatacji budynku i jego stanu technicznego. Jednak największe zagrożenia wilgocią występują w trakcie budowy domu (wilgoć technologiczna) oraz w okresie, w którym ona wysycha. Jeżeli dom jest już wyschnięty, para wodna pochodzi tylko z aktywności domowników oraz z atmosfery. O jej ilości decyduje wiele zmiennych czynników, w tym stan techniczny dachu i fundamentów. Dużo zależy również od mieszkańców i sposobu wykorzystywania budynku. Jeżeli dom jest wykorzystywany tylko jako sypialnia dla małej rodziny, to w jego wnętrzu pary wodnej jest mało. Natomiast gdy zamieszkiwany jest przez rodzinę wielopokoleniową, to wilgoci może być dużo. Ale najgroźniejsze przypadki w domach już wyschniętych występują wówczas, gdy dach ma w swojej konstrukcji błędnie wykonane elementy lub źle dobrane materiały, a warunki eksploatacji zmieniły się na takie, które generują więcej pary wodnej. Wtedy mogą pojawić się zacieki i widoczne uszkodzenia materiałów. Najpoważniejsze zawilgocenia dachów powstają jednak w trakcie budowy, gdy występują bardzo mocne źródła wilgoci w postaci mokrych technologii budowlanych, czyli świeżo wykonanych murów, tynków i posadzek. Wysychanie murów jest wtedy ograniczone, gdyż powietrze jest stale nasycane parą wodną pochodzącą z wciąż prowadzonych we wnętrzu prac. Oprócz tego wysychanie jest utrudnione przez montowane obecnie szczelne okna i drzwi, które ograniczają wentylację pomieszczeń. Duże znaczenie ma również pora roku, w której wykonuje się mokre prace wykończeniowe.

Ze wszystkich wspomnianych powodów podczas budowy duża ilość pary wodnej unosi się do góry razem z naturalnym ruchem powietrza i osiada w dachu. Zjawisko to jest szczególnie niebezpieczne, gdy nastąpi zbieżność mokrych prac z trudnymi warunkami atmosferycznymi i spowoduje intensyfikację procesów przenikania i skraplania się pary w dachu. W związku z tym całkowite osuszenie następuje po długim czasie – w domach murowanych nawet po 3–4 latach. Dachy ociepla się najczęściej jesienią, równocześnie z mokrymi pracami wykończeniowymi lub zaraz po nich, wtedy gdy w pomieszczeniach panuje duża wilgotność. Z powodu naturalnej kolejności prac para wodna nasyca termoizolację jeszcze nieosłoniętą paroizolacją. Ułożenie paroizolacji w trakcie mokrych prac wykończeniowych zamyka parę w termoizolacji i jest powodem powstania dużej ilości skroplin w termoizolacji przy pierwszym schłodzeniu dachu. Zjawisko to ma bardzo poważne konsekwencje dla całego dachu i budynku. Jeżeli skropliny powstałe w czasie budowy nie opuszczą dachu w krótkim czasie, to nastąpi znaczne zwiększenie przenikania ciepła przez dach, a następnie rozpocznie się proces niszczenia materiałów konstrukcyjnych w tempie uzależnionym od stopnia zawilgocenia. Zjawiska te są bardzo groźne dla dachu, budynku oraz dla zdrowia mieszkańców (z powodu zagnieżdżania się pleśni), dlatego od dawna stosowane są techniki zapobiegające gromadzeniu się skroplin. Wiadomo, że najskuteczniejszym sposobem pozbycia się tak niebezpiecznej dla dachu wilgoci jest jego stałe wentylowanie.

Mechanizm powstawania skroplin

Każdy z nas styka się często ze zjawiskiem kondensacji pary wodnej. Na co dzień obserwujemy skraplanie się pary wodnej w naszym najbliższym otoczeniu: w postaci rosy na trawie, czy na lustrach łazienkowych. Niewielka różnica temperatur między lustrem a powietrzem w łazience powoduje powstanie na nim mgiełki kondensatu. Lustro jest chłodniejsze, bo rozgrzewa się wolniej niż powietrze zawierające dużą ilość pary. Warto się zastanowić, na czym polega to zjawisko, ponieważ identyczne procesy zachodzą niezauważalnie w dachu. Z tą różnicą, że skropliny na trawie czy lustrze odparowują samoistnie, w dachu natomiast pozostają. Dlatego trzeba się postarać, by się z niego wydostały. Powstawanie skroplin wynika z właściwości powietrza, które może pomieścić tym więcej pary wodnej, im wyższą ma temperaturę.

W każdej temperaturze powietrze może zawierać określoną i znaną ilość pary wodnej, np. w powietrzu o objętości 1 m³ w temperaturze 20°C może znajdować się 17,3 g wody w postaci pary (stan nasycenia – 100%), a w 22°C – 19,4 g. 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 skrótem „RH”). Stan maksymalnej zawartości pary w powietrzu nazywany jest 100-procentową wilgotnością względną lub stanem nasycenia parą wodną.

Bezwzględna ilość pary zawarta w powietrzu zależy od temperatury powietrza i jest tym większa, im wyższa jest jego temperatura. 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. Przy dalszym ochładzaniu z powietrza o omawianej porcji pary musi się oddzielić taka jej ilość, aby to, co pozostanie, mogło się w tym powietrzu zmieścić. Więc łatwo można zauważyć, że przy niższych temperaturach początkowych powietrza ochładzanego większe spadki temperatury skutkują mniejszą ilością skroplin, a przy wyższych większą. Ma to duże znaczenie praktyczne, i jest związane z temperaturą punktu rosy (lub po prostu punktem rosy). Punkt rosy to temperatura, do której musi się obniżyć aktualna (zastana) temperatura powietrza o określonej wilgotności względnej, aby powietrze osiągnęło stan nasycenia parą wodną. Poniżej temperatury punktu rosy z powietrza wykrapla się para i tworzy się rosa (na lub w elementach budowlanych), czyli wytrąca się z powietrza nadmiar pary wodnej.

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. Proces ten ilustruje odcinek BA na wykresie z RYS. 4 – temperatura powietrza z określoną porcją pary (10,4 g/m³) obniża się z wartości A do wartości B. Punkt A odpowiada parametrom powietrza o temperaturze 20°C i wilgotności względnej 60%, które w trakcie schładzania przechodzi stopniowo (zielone odcinki na wykresie) w stan coraz wyższej wilgotności względnej. W punkcie B, po ochłodzeniu, zawierając wciąż tą samą ilość pary, powietrze dochodzi do 100% wilgotności względnej.

Przy dalszym ochładzaniu z powietrza o omawianej porcji pary musi się oddzielić taka jej ilość, aby to, co pozostanie, mogło się w tym powietrzu zmieścić. Proces ten pokazuje RYS. 3, na którym 1 m³ powietrza o temperaturze 20°C i RM = 60%, po schłodzeniu do 10°C wydziela 1 g wody i utrzymuje RH = 100%.

Jeżeli to samo powietrze byłoby jeszcze schładzane, to proces ten na wykresie ilustrowany by był przesuwaniem się z punktu B na krzywej nasycenia (na RYS. 4 oznaczonej RH = 100%) w dół do punktu G, a następnie do punktów L, J, O (na RYS. 5 – RH = 100%), gdzie O oznacza powietrze o temperaturze -5°C.

Natomiast RYS. 2 obrazuje proces wydzielenia się wody podczas schłodzenia powietrza o temp. 20°C i RH = 100% do temp. 10°C i RH = 100% (z punktu E do punktu F na wykresie z RYS. 4). Ilość wydzielanej wtedy wody z 1 m3 powietrza jest większa i wynosi 7,9 g. Wynika to z faktu, że powietrze o wyższej temperaturze (punkt E 20°C i RH = 100%) może zawierać więcej pary, która po kondensacji osadzi się na powierzchni lub opadnie w formie drobnych kropli wody. Powietrze nasycone (RH = 100%) o temperaturze 20°C (punkt E) w objętości 1 m3 zawiera maksymalnie 17,3 g pary wodnej, a w temperaturze 10°C (punkt G) 9,4 g pary wodnej. Dlatego po ochłodzeniu z 20°C do 10°C z powietrza o objętości 1 m³ musi skroplić się 7,9 g pary wodnej.

RYS. 5 obrazuje podobne mechanizmy, ale dla powietrza o początkowej temperaturze 10°C ochłodzonego do -5°C. Porównując RYS. 4–5, łatwo można zauważyć, że przy niższych temperaturach początkowych powietrza ochładzanego większe spadki temperatury skutkują mniejszą ilością skroplin. Ma to duże znaczenie praktyczne. Na RYS. 4–5 są przykłady wyznaczania punktu rosy – ważnego dla dachów parametru. Punkt rosy jest określany przez temperaturę początkową i wilgotność powietrza. Na przykład: punkty A i C określają różne stany powietrza o tej samej temperaturze 20°C, ale o innej wilgotności względnej. Punkt A to RH = 60%, a C to RH = 80% i w związku tym dla każdego z nich para wodna kondensuje się przy innej temperaturze. Dla powietrza o stanie zaznaczonym przez A punktem rosy jest t [A] = 12,0°C, a zaznaczonym przez C punktem rosy jest t [C] = 16,4°C (TABELA i RYS 4).

Tak samo punkty H i K (RYS. 5) określają różne stany powietrza o tej samej temperaturze 10°C, ale o innej wilgotności względnej. Punkt H to RH = 60%, a K to RH = 80%. Dlatego dla powietrza o stanie zaznaczonym przez H punktem rosy jest t [H] = 2,6°C, a zaznaczonym przez K punktem rosy jest t [K] = 6,7°C (TABELA i RYS. 5).

Różnice w wielkości punktu rosy na obu wykresach (rys.1.4 i 1.5) są niewielkie: t [A] = 12,0°C i t [C] = 16,4°C, stąd Δt [C-A] = 4,4°C (K), a dla t [H] = 2,6°C, t [K] = 6,7°C i stąd Δt [K-H] = 4,1°C (K). Jak widać, różnice w wielkości punktów rosy wynikają z różnych wartości wilgotności względnej powietrza o tej samej temperaturze i są tym większe, im większa jest różnica w RH. Praktycznie oznacza to, że o wielkości punktu rosy decyduje wilgotność względna powietrza, a spadek temperatury powietrza od początkowej do punktu rosy jest tym mniejszy, czym RH jest wyższe.

Wartości punktów rosy (w [°C]) są różne i wynikają z różnych wartości wilgotności względnej powietrza (RH) o tej samej temperaturze i są tym większe, im większa jest różnica w wartości RH. Praktycznie oznacza to, że o wielkości punktu rosy decyduje wilgotność względna powietrza, natomiast spadek temperatury powietrza od wartości początkowej do punktu rosy jest tym mniejszy, im wartość RH jest wyższa. Ma to duże znaczenie: ponieważ z tej zależności wynika, że skropliny powstają łatwo wszędzie tam, gdzie powietrze ma dużą wilgotność względną. Jest to szczególnie ważne, jeżeli uwzględni się uwarunkowania klimatyczne. W Polsce przez siedem miesięcy w roku powietrze atmosferyczne ma średnią wilgotność względną 80–90%, w pozostałych miesiącach natomiast rzadko spada poniżej 70%. Dlatego problem skroplin pojawia się na naszych budowach bardzo często. Jest to również spowodowane zmiennością klimatu, ponieważ im częściej zmienia się temperatura atmosfery, tym częściej powietrze przechodzi przez punkt rosy, a skropliny powstają częściej (w różnych ilościach).

Jak ze skroplin powstają zacieki 

Proces powstawania skroplin polega na gromadzeniu się wilgoci w różnych postaciach na powierzchniach chłodniejszych od otaczającego je powietrza. Gdy nagromadzone w dużych ilościach skropliny spłyną w jedno miejsce, tworzą się zacieki. Duże znaczenie dla ilości tworzących się skroplin ma struktura powierzchni, na których się gromadzą. Materiały porowate lub włókniste mają większą chłonność wody i mogą zgromadzić dużo więcej wilgoci od gładkich i nienasiąkliwych. Trzeba jednak zauważyć, że takie zjawiska mają inne znaczenie, gdy zachodzą w dachu gotowym, a inne w dachu dopiero budowanym. Mimo podobnego mechanizmu procesy objawiające się zaciekami przebiegają w obu przypadkach nieco odmiennie i osiągają różną skalę. Dlatego spróbujmy oszacować, jakie ilości powietrza mogą przepływać przez pomieszczenia mieszkalne w dwóch przypadkach:

1. Dach i budynek nie mają jeszcze pełnej szczelności.
2. Dom jeszcze nie wysechł po budowie, a dach jest potencjalnie najbardziej zawilgocony.

Do obu szacunków przyjmijmy następujące założenia:

• Nasz dom modelowy ma 150 m² powierzchni, co przekłada się na około 430 m³.
• W takim domu zgodnie z normami wentylacyjnymi powinno nastąpić od 10 do 25 pełnych wymian powietrza w ciągu doby.

Uwzględniając oba skrajne przypadki, przez nasz przykładowy dom przepłynie więc od 4,2 do 10,5 tys. m³ powietrza.

Dalej, zakładamy, że:

•  Niecała wilgoć będzie dostarczona na poddasze przez przepływające tam powietrze. Duża część oszacowanej ilości powietrza wydostanie się na zewnątrz przez otwory wentylacyjne i inne nieszczelności, a razem z nim wypłynie znaczna część pary wodnej. Im mniej będzie wymian powietrza, tym mniej wilgoci usunie wentylacja. Dlatego w odniesieniu do 10-krotnej wymiany przyjmijmy, że 70% objętości powietrza wymienianego pozbędzie się pary wodnej w postaci skroplin wewnątrz budynku, a w odniesieniu do 25-krotnej – tylko 50% objętości tego powietrza wydzieli skropliny.
• Przyjmijmy, że wilgotność względna powietrza pod dachem to co najmniej RH = 90%.

Przy tak postawionych założeniach możemy powiedzieć, że gdy w naszym domu modelowym (150 m2/420 m³) z każdego m³ powietrza skropli się tylko 1 g wody, to na dachu tego domu będzie można zebrać od 2,9 l do 5,2 l wody w ciągu doby. Skropliny w ilości 1 g z 1 m³ powietrza mogą powstawać przy bardzo wielu wariantach spadków temperatur. Ilość ta może być jeszcze większa, gdyż w budynku są odpowiednio duże źródła pary wodnej. Na przykład gdy powietrze będzie bardzo wilgotne i zostanie mocno ochłodzone, to realne jest powstawanie 10 g skroplin z 1 m³ powietrza. W takim domu skropli się wtedy od 29 do 52 litrów wody w ciągu doby. Większość powstanie i pozostanie na poddaszu.

Przeprowadzone szacunkowe wyliczenia ilości skroplonej wody pokazują, jak duże ilości skroplin mogą powstawać w budowanym dachu, co potwierdzają znane autorowi przypadki zalania pomieszczeń przez skropliny. Okoliczności ich powstania zawsze były podobne: źródłem pary były intensywne, budowlane prace wykończeniowe prowadzone jesienią lub zimą w domu z nieocieplonym jeszcze dachem.

Przykłady skroplin i ich gromadzenia się na MWK lub deskowaniu przedstawiono na FOT. 2–7.