Ogólne zasady wentylacji dachów

***

W artykule wyjaśniono specyfikę dachu wentylowanego. Autor podkreśla, że wentylowanie dachów odbywa się dzięki dwóm niezależnym czynnikom: ciągowi termicznemu i działaniu wiatru. Każdy z nich omawia osobno, ponieważ mogą ze sobą współdziałać lub znosić się wzajemnie.

The article explains the specificity of a ventilated roof. Author emphasizes that roofs are ventilated thanks to two independent factors: thermal draft and wind. Each of them is discussed separately because they can interact with each other or put up with each other.

***

Dach wentylowany

Celem wentylowania jest stałe usuwanie powietrza wilgotnego i wprowadzanie suchego, które może pochłonąć parę wodną napływającą z wnętrza dachu. Mając to na uwadze, zdefiniujmy na początek cechy dachu wentylowanego.

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 stwierdzenie kompletne pokrycie rozumie się wszystkie warstwy: pokrycie zasadnicze z uszczelnieniem (pokryciem wstępnym). Przestrzeń wentylacyjna musi być tak zaprojektowana, aby ruch powietrza był naturalny, a jedynie w najtrudniejszych, dużych konstrukcjach – wymuszony.

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 na zewnątrz. Im powietrze jest cieplejsze, tym ma mniejszą gęstość. Z powodu małej wielkości 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, dlatego cieplejsze powietrze jest unoszone do góry, a od dołu napływa zimniejsze. Jeżeli dodatkowo jest wilgotne, to efekt ten jest mocniejszy, co zwiększa skuteczność wentylacji. Na tej zasadzie powstaje siła ciągu nazywanego termicznym. W budownictwie na tej zasadzie działają kominy spalinowe i wentylacyjne. Te same zjawiska wykorzystuje się również do wentylowania pomieszczeń mieszkalnych i użytkowych, fundamentów oraz dachów.

Różnicę ciśnienia wywołują wiatr i wysokość dachu, przy czym wpływ wysokości nie jest duży, ponieważ różnica ciśnienia atmosferycznego między najniższym miejscem przestrzeni wentylacyjnej (wlotem) i najwyższym (wylotem) jest w praktyce mała. Znaczny wpływ na działanie wentylacji dachu mają natomiast wiatry. To one w zależności od typu dachu, jego kształtu i usytuowania (otoczenia), a także wysokości budynku wywołują dodatkowy ruch powietrza w przestrzeniach wentylacyjnych.

Podana definicja dachu wentylowanego 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 pochyłych. Chociaż wydaje się, że warunki do przepływu powietrza są korzystniejsze w dachach skośnych, w których ciąg termiczny i wiatr mogą łatwiej wywołać ruch 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, ponieważ zawierają szczelne materiały (na ile jest to możliwe) osłaniające termoizolację przed wnikaniem pary wodnej, a wszystkie ich warstwy stykają się ze sobą i tworzą jedną powłokę leżącą na elementach nośnych.

Podana definicja dachu wentylowanego 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 pochyłych. Chociaż wydaje się, że warunki do przepływu powietrza są korzystniejsze w dachach skośnych, w których ciąg termiczny i wiatr mogą łatwiej wywołać ruch 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, ponieważ zawierają szczelne materiały (na ile jest to możliwe) osłaniające termoizolację przed wnikaniem pary wodnej, a wszystkie ich warstwy stykają się ze sobą i tworzą jedną powłokę leżącą na elementach nośnych.

W dachach pochyłych zależnie od sposobu wykorzystania poddasza wentylacja dachu może odbywać się w kilku kanałach lub szczelinach (RYS. 2). Jeszcze do niedawna w wielu krajach europejskich bardzo popularne były poddasza użytkowe z dwiema szczelinami wentylacyjnymi rozdzielonymi warstwą uszczelniającą pokrycie zasadnicze (warstwą wstępnego krycia – papą na deskowaniu lub niskoparoprzepuszczalną folią). W takich dachach górna szczelina wentyluje pokrycie i ołatowanie, na którym jest ono ułożone. Dolna szczelina jest zaś zasadniczą szczeliną wentylującą dach, czyli jego konstrukcję i termoizolację.

Z dotychczasowych rozważań wynika, że wentylowanie dachów odbywa się dzięki dwóm niezależnym czynnikom: ciągowi termicznemu i działaniu wiatru. Każdy z nich zostanie omówiony osobno, ponieważ mogą ze sobą współdziałać lub znosić się wzajemnie.

Ciąg termiczny

Ciąg termiczny wywołany wypychaniem lżejszego (cieplejszego) powietrza przez zimne zależy od ilości energii cieplnej, jaką otrzyma powietrze wentylujące we wnętrzu dachu. A źródłem tej energii jest promieniowanie słoneczne (istotniejsze latem) oraz termoizolacja dachu (istotniejsza zimą). W naszym klimacie dwa wspomniane źródła często funkcjonują równocześnie, np. w lutym i marcu, kiedy więcej jest dni słonecznych, temperatura pod dachówką może podnieść się na kilka godzin do 70°C, podczas gdy powietrze atmosferyczne w tym czasie ma temperatury ujemne. Podobnie jest z wieloma innymi pokryciami, choć wszystko zależy od pojemności cieplnej materiału pokrycia. Oczywiście na wielkość sił wyporu termicznego mają wpływ kolory i faktury powierzchni pokrycia oraz ustawienie dachu względem stron świata. Połacie nasłonecznione i wyposażone w ciemne pokrycia będą nagrzewały się silniej niż jasne i usytuowane od strony północnej.

Jak widać ciąg termiczny jest więc kluczowym zjawiskiem dla działania wentylacji dachów, ponieważ w przestrzeniach wentylacyjnych zawsze występuje różnica temperatur. Nawet najmniejsze jej wartości wywołują przepływ: różnice temperatur w przedziale od 1 do 15 K (°C) występujące na wejściu i wyjściu przestrzeni wentylacyjnej, wywołują przepływy o prędkości od 0,05 do 0,3 m/s.

Działanie ciągu termicznego jest ściśle związane z promieniowaniem słonecznym, dlatego poza okresem grzewczym, w nocy lub na połaciach zawsze zacienionych może pojawić się zjawisko ciągu odwrotnego, czyli przepływu powietrza z góry na dół. Takie zjawisko potrafi być niebezpieczne w szczególnych położeniach budynku (z jednej strony osłoniętego innym lub na stoku), kiedy występują duże różnice temperatur między sąsiadującymi połaciami. Jeżeli jedna strona dachu jest zawsze zimna, a druga mocno się nagrzewa, to wilgoć z tej nasłonecznionej może przechodzić do tej chłodnej razem z nagrzanym powietrzem przechodzącym pod gąsiorem.

Jak więc wynika z dotychczas przedstawionych informacji, wlot powietrza do przestrzeni wentylacyjnej powinien być usytuowany jak najniżej w konstrukcji dachu, wylot zaś jak najwyżej. Im różnica wysokości jest większa, tym lepiej. Takie rozwiązania są możliwe w dachach z kalenicą (wielopołaciowych) oraz w dachach pulpitowych (jednopołaciowych). Aby kalenica mogła być wylotem dla przestrzeni wentylacyjnej, musi być otwarta. Jest to tak ważny warunek dla jakości dachu, że w kalenicy umieszcza się wyspecjalizowane konstrukcje i uszczelki, a w wielu rodzajach pokryć dachowych wykonuje się specjalne systemowe elementy osłaniające, produkowane w wielu odmianach (np. dachówki kalenicowe wentylacyjne). W dachach o niskim pochyleniu (10–20°) jest to szczególnie ważne i dlatego osłony tworzące otwarte kalenice będące wylotem wentylacji dachu muszą być podwyższone, tak aby nie zakrywał ich śnieg.

Siły pochodzące od wiatru

Drugim ważnym czynnikiem wywołującym ruch w przestrzeniach wentylacyjnych dachu jest wiatr. To czynnik nieprzewidywalny o bardzo dużej zmienności wszelkich parametrów z nim związanych. Dlatego jego wpływ na funkcjonowanie wentylacji dachu można ocenić, rozpatrując jedynie podstawowe zależności, wynikające z kierunku i prędkości wiatru. Prędkość jest czynnikiem łatwiejszym do oceny: wiadomo, że od niej zależą wielkości sił oddziałujących na dach. Siły te działają w zależności od kształtu dachu i kierunku wiatru i wywierają nacisk lub 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, wytwarzając nadciśnienie powodujące nacisk lub podciśnienie wywołujące ssanie (RYS. 3). Najczęściej na stronie nawietrznej powstaje nacisk (przy nachyleniu połaci powyżej 35°), a na zawietrznej ssanie (na górze połaci pod kalenicą). Obie wartości ciśnienia (dodatnia – nacisk, 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, ponieważ podczas opadów deszczu lub śniegu może wywołać duże zawilgocenie niektórych fragmentów dachu.

Dodatkowo bardzo ważnym elementem w działaniu wiatru jest kąt nachylenia połaci dachowych. Jak widać na rysunkach (RYS. 4), kąt ten decyduje o wielkości oddziaływań oraz o tym, czy na dach działa nacisk czy ssanie. Im dach ma mniejsze nachylenie, w tym większej liczbie 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 (RYS. 5). Otwory te powinny być rozmieszczone w miarę równomiernie względem przestrzeni wentylacyjnej. To gwarantuje prawidłowy przepływ powietrza wentylującego całą powierzchnię dachu.

Warto także pamiętać, że wiatr jest czynnikiem bardzo zmiennym. Może w ogóle nie występować, może wiać z różnych stron i z różną siłą, oraz nieść ze sobą opady atmosferyczne. W zmiennym 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, tworząc zatory w każdym istniejącym zagłębieniu (np. za kominami lub w przegrodach ukształtowanych przez łaty). Takie działanie wiatru powoduje, że 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 lub śniegu. Wyloty natomiast znajdują się zazwyczaj w najwyższym miejscu dachu i dlatego są czułe na zmienność wiatru oraz podwiewanie opadów. Z tego powodu trzeba starannie dobierać ich usytuowanie, kształty, wielkość i sposób uszczelnienia.

Różnice między pomocnym a szkodliwym działaniem wiatru mogą być 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 i równomierny, czy chaotyczny i zaburzony. Jest to szczególnie ważne w wąskich szczelinach wentylacyjnych. Wiatr ma tam duży wpływ na rodzaj przepływu powietrza: przy wolnym przepływie ruch jest stateczny, przy szybkim zaś może być chaotyczny, szczególnie jeżeli przepływ odbywa się w kanale o zmiennych kształtach. Jest to istotne, ponieważ szczeliny pod wieloma pokryciami mają zmienną wysokość, a łaty utrzymujące większość pokryć stanowią ostre krawędzie, które powodują zawirowania.

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 kanały wentylacyjne, które są otoczone przez gładkie płaskie materiały (np. blachę trapezową), o małej liczbie załomów, dużo łatwiej się wentylują.

Kąt nachylenia połaci dachu wentylowanego

Jak wspomniano wcześniej, kąt nachylenia połaci ma podstawowe znaczenie dla funkcjonowania wentylacji dachu. Przy bardzo niskich kątach nachylenia połaci (<10°) ruch powietrza w szczelinie wentylacyjnej wywoływany jest tylko przez wiatr, a przy niskich nachyleniach (10–15°) ciąg termiczny działa w ograniczony sposób. W bardzo stromych dachach rola nacisku 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.

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 silniejsze, a wiatr będzie skuteczniejszy. Dodatkowo 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. Jednocześnie na bardziej płaskich połaciach łatwiej zalegają śnieg i lód, które zasłaniają otwory i zakłócają funkcjonowanie wentylacji.

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 wynika z zimowego okresu ogrzewania, kiedy warunki wewnątrz budynku są stabilne i 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 jest zaś 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, 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.

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

Podsumowanie

• Czynniki, które najbardziej decydują o działaniu ciągu termicznego w przestrzeniach wentylacyjnych dachu, to: kąt nachylenia, kształt i długość przestrzeni wentylacyjnej, opory przepływu (porowatość materiałów), typ i kolor pokrycia, nasłonecznienie (usytuowanie względem stron świata i otoczenie dachu), pora roku.
• Ciąg termiczny działa wyraźnie w dachach o dużym pochyleniu (powyżej 40°), a w tych o nachyleniu małym (poniżej 20°) jest dużo mniejszy; w dachach nachylonych poniżej 10° w zasadzie nie występuje.
• Gdy wiatr wieje z prędkością od 2 do 5 m/s, wywołuje przepływ powietrza wentylującego z prędkością od 0,2 do 0,5 m/s.
• Występujące na wejściu i wyjściu przestrzeni wentylacyjnej różnice temperatur w przedziale od 1 do 15°C wywołują przepływy o prędkości od 0,05 do 0,3 m/s.
• Podczas projektowania wentylacji dachu i układania jego pokrycia należy przyjąć, że na dach działa wiatr o najczęstszym kierunku – w Polsce jest to kierunek zachodni (od południowo-zachodniego do północno-zachodniego). Trzeba przy tym pamiętać, że istnieją miejsca, w których wiatr działa specyficznie ze względu na otoczenie (np. kotliny, lasy, duże budynki).
• Wysokość szczeliny wentylacyjnej powinna wyraźnie wzrastać w miarę obniżania spadku połaci dachu (szczególnie poniżej 20°).
• Przy niskich kątach nachylenia połaci ruch powietrza w szczelinie wentylacyjnej dużo częściej wywoływany jest przez wiatr niż ciąg termiczny, który działa w ograniczony sposób.
• Termoizolacja jest swoistym akumulatorem pary wodnej. Szczególnie w okresie tuż po zakończeniu budowy – może wówczas zawierać takie jej ilości, że nawet przy poprawnie zrealizowanej wentylacji proces usuwania tej wilgoci będzie trwał trzy, a nawet cztery lata.