Piankowe termoizolacje poliuretanowe w dachach pochyłych (cz. 1)

W artykule:

• Pianki PUR i PIR – parametry i różnice
• Porównanie OKPUR z wełną mineralną
• Interpretacja wartości współczynnika oporu dyfuzyjnego
• Literatura

Z tego powodu postanowiłem zebrać podstawowe i najważniejsze cechy poliuretanowych pianek termoizolacyjnych (PUR), czyli pianek natryskowych z PUR o otwartych (fot.) lub zamkniętych komórkach, a także płyt określanych skrótem PIR, zbudowanych z odmiany PUR z dodatkami z poliizocyjanuratów.

Czytaj też: Wełna wdmuchiwana – niedoceniona izolacja z wełny mineralnej

Pianki PUR i PIR – parametry i różnice

Płyty PIR są produkowane w komorach technologicznych o kontrolowanych parametrach wtrysku składników bazowych i dodatków dobranych tak, aby płyty miały podwyższoną odporność ogniową. Dzięki kontrolowanym procesom produkcyjnym ten typ pianek jest zamkniętokomórkowy (ZK) i twardy, a dodatkowo okładziny, w jakich powstaje piana, powodują zablokowanie wypływu gazów (pentan) powstających w trakcie procesu. Pentan wypełniający przestrzenie między ziarnami PIR powoduje dużo lepszą izolacyjność niż wypierające go powietrze.

Natomiast natryskowe pianki poliuretanowe są w większości przypadków otwartokomórkowe (OKPUR), ponieważ są wytwarzane na budowie podczas ich aplikacji (in situ). Dlatego są penetrowane przez powietrze i zawartą w nim zawsze parę wodną. Obecnie coraz częściej natryskuje się pianki zamkniętokomórkowe (ZKPUR), w których składzie znajduje się do 90% komórek zamkniętych. Pianki OKPUR są miękkie, a ZKPUR są twarde, tak samo jak płyty PIR.

Warto zwrócić uwagę na różnice w własnościach miękkich pianek natryskowych (OKPUR) i twardych płyt (ZK) PIR. Oba materiały dzieli duży dystans nie tylko w klasach izolacyjności (TABELA), ale również innych właściwościach, w tym mechanicznych. Dlatego są to termoizolacje o innych zakresach zastosowań.

Jednak dla materiałów termoizolacyjnych stosowanych w dachach najważniejsze są dwa parametry: współczynnik przewodzenia ciepła lambda – λ o wymiarze W/(m·K) oraz współczynnik oporu dyfuzyjnego – µ, który jest bezwymiarowy, bo porównuje własności dyfuzyjne materiału do tych samych własności powietrza (dla powietrza µ = 1). Oczywiście przy doborze termoizolacji do konkretnych konstrukcji należy kierować się wielkościami jeszcze wielu innych parametrów mechanicznych (np. wytrzymałość na ściskanie [kPa]) i cieplnych (np. pojemność cieplna [J/K lub J/°C] oraz równie istotnych typu: nasiąkliwość [%] i rozszerzalność cieplna [%] (bardzo ważna dla ZKPUR). O wartości tych najważniejszych cech decyduje gęstość [kg/m³], która bardzo mocno wpływa na ich wielkości. Równie duże znaczenie ma temperatura, która wzrastając (w większości przypadków) zwiększa przewodność cieplną powszechnie stosowanych termoizolacji. Przewodność cieplną zwiększa również wilgoć.

W ocenie parametrów izolacyjnych zachodzi zależność: im wartość współczynnika λ jest niższa, tym są one lepsze. Prosta relacja dotycząca współczynnika λ nie dotyczy współczynnika µ, którego wielkość decyduje o przepływie pary wodnej przez termoizolację. Zjawiska dotyczące dyfuzji pary wodnej przez materiały stosowane do budowy przegród zewnętrznych mają duże znaczenie nie tylko dla ich izolacyjności termicznej, ale głównie dla ich trwałości. Odnosi się to bardziej do dachów niż ścian zewnętrznych. Dlatego wielkość parametru µ jest tak ważna, chociaż interpretacja jego wartości nie jest łatwa – w pewnych systemach materiałowych lepiej, gdy jest on niższy, a w innych zestawach odwrotnie. Problem ten ściśle wiąże się z techniką budowy dachów określaną skrótowo jako „dach wentylowany” [1]. Problem doskonale obrazuje przypadek akcji marketingowej promującej stosowanie pianek natryskowych OKPUR, który opisywaliśmy w „IZOLACJACH” już w 2013 r. [2]. Na wielu imprezach targowych przez wiele lat pokazywano modele ukazujące zalety tych termoizolacji (rys. 1), w których nie montowano ważnej warstwy funkcjonującej w każdym dachu. Te modele nie zawierały paroizolacji i być może to przyczyniło się do pomijania do dzisiaj paroizolacji w dachach ocieplanych piankami OKPUR i ZKPUR, co jest dużym błędem (o czym później).

Porównanie OKPUR z wełną mineralną

Pokazany na rys. 1 schemat obrazuje wspomniane wyżej modele, składające się z zestawu trzech komór, w których porównuje się dwa typy termoizolacji umieszczone w odrębnych pojemnikach. Pod każdym z nich znajdują się żarówki grzejne, emitujące dużo promieniowania cieplnego zabieranego przez wymuszony wentylatorami obieg powietrza. Powietrze to oczywiście przechodzi przez wełnę i w ten sposób obserwator widzi „straty ciepła” w postaci większej temperatury powietrza nad dwoma próbkami wełny (o różnej grubości), a mniejsze nad pianką, która jest doskonałym lepiszczem i z zasady nie przepuszcza tak szybko powietrza. Tę wizualizację wspomagają piłki pingpongowe pokazujące przepływ powietrza nad wełną i jego brak nad pianką. Eksponat pokazuje zjawisko przepuszczania powietrza przez wełny mineralne w ten sposób, że oglądający interpretuje je negatywnie, a tymczasem stanowi ono jedną z zalet wełny. Dzięki możliwości przemieszczania się powietrza wewnątrz wełny możemy kontrolować i regulować przepływy pary wodnej przez przegrody budowlane ocieplane takimi termoizolacjami. Z praktyki wynika, że wilgoć przenika w różnej formie większość powszechnie stosowanych materiałów budowlanych. Dlatego zdecydowanie najlepszą metodą zapobiegania gromadzenia się wilgoci w przegrodach jest umożliwianie jej łatwego wydostawania się z tych przegród. Wieloletnie doświadczenia dowodzą, że dużo trudniej jest zablokować dopływ pary wodnej przez uszczelnianie przegród niż przez jej uwalnianie do atmosfery (metoda stosowana w dachach wentylowanych).

W rezultacie badań i doświadczeń wypracowano techniki i stworzono materiały tworzące systemy, które pozwalają kontrolować procesy przenikania pary wodnej w stopniu zapobiegającym gromadzeniu się skroplin w ścianach, stropach i dachach. Światowa popularność wełny skalnej i szklanej wynika z faktu stosowania tych termoizolacji razem ze specjalnymi materiałami osłonowymi lub/i w otwartych dla powietrza konstrukcjach wentylowanych. W większości dobrze sprawdzonych systemów ścian i dachów wełny są osłaniane z dwóch stron: od wewnątrz paroizolacjami, a z zewnątrz wiatroizolacjami w ścianach lub membranami wstępnego krycia (MWK) w dachach. Wcześniej, gdy nie było jeszcze MWK, dachy były wentylowane powietrzem przepływającym bezpośrednio nad termoizolacjami, co gwarantowało ich osuszanie. Te doświadczenia nie oznaczają, że poliuretanowe termoizolacje piankowe (PUR) są gorsze od wełny, a ich zaleta pokazana na opisywanym modelu jest mało istotna. Z całą pewnością nie można tak twierdzić, ponieważ ważne zalety pianek PUR to z jednej strony możliwość uzyskania z ich pomocą dużej izolacyjności powietrznej przegrody, z drugiej zaś łatwość aplikacji w trudnodostępnych zakamarkach i szczelinach konstrukcji dachowych.

Warto więc podkreślić, że największą wadą opisywanego modelu (rys. 1) jest sugerowanie zbędności warstwy paroizolacyjnej pod piankami OKPUR, ponieważ jej obecność pod tymi materiałami termoizolacyjnymi jest nieodzowna z trochę innych powodów niż pod wszelkiego rodzaju wełnami. Aby wyjaśnić tę różnicę, trzeba wyraźnie zaznaczyć, że paroizolacje spełniają dwie bardzo ważne funkcje: chronią przed nadmiernym dopływem pary wodnej z wnętrza budynku i zapobiegają powstawaniu przewiewów, czyli zabezpieczają przed niekontrolowanym przepływem powietrza przez szczeliny w zewnętrznych przegrodach budowlanych, wywołanym głównie różnicą temperatur – wewnętrznej i atmosferycznej. Czyli oznacza to, że dla izolacji wełnianych ważniejsza jest ta druga funkcja paroizolacji, natomiast dla pianek natryskowych ta pierwsza. Z tego powodu warto omówić sposób oceny wielkości parametru µ.

Interpretacja wartości współczynnika oporu dyfuzyjnego

Jak pokazuje praktyka budowlana, nie można ignorować pierwszej funkcji paroizolacji (zawartej w jej nazwie), ponieważ większość materiałów termoizolacyjnych ma własności dyfuzyjne – są one paroprzepuszczalne (rys. 2). Jeżeli nie ma paroizolacji, to do termoizolacji dostaje się para wodna, dostarczana stale przez unoszące się ciepłe powietrze (rys. 3). Wynika to z naturalnych procesów zachodzących w pomieszczeniach, w których utrzymywane są temperatury wymagane dla przebywania ludzi. Wiadomo, że powietrze zawsze dostarcza parę wodną z wnętrza budynku pod dach. Po dotarciu do zimnej strony dachu (np. do membrany wstępnego krycia lub poszycia z papą) para skrapla się codziennie w ilościach zależnych od pory roku i sposobu eksploatacji pomieszczeń. W polskim klimacie przez pół roku tych skroplin jest dużo. Co się dzieje z tą skropliną i jakie są różnice między MWK a poszyciem z papą, wyjaśniono w [1].

O przebiegu tych zjawisk decydują cechy materiałów dotyczące ich dyfuzyjności (paroprzepuszczalności). Te właściwości opisuje właśnie współczynnik μ, który określa zdolności dyfuzyjne materiałów. Różnice dotyczące tej dyfuzyjności najlepiej wyjaśnić za pomocą skali porównawczej (rys. 2) zaprezentowanej dla wybranych ich kategorii. Na pokazanym na rys. 2 wykresie porównano zdolności występujące w różnych materiałach, bez uwzględnienia ich objętości (wymiarów) i miejsca oraz sposobu mocowania. Gdy rozpatrujemy konkretną konstrukcję lub układ materiałów, musimy znać inny parametr zależny od wielkości μ. Tym parametrem jest „równoważna dyfuzyjnie grubość powietrza” określana jako współczynnik Sd, który określa się według zależności: Sd = µ·d, gdzie d to grubość materiału. Czyli Sd (równoważna dyfuzyjnie grubość powietrza) jest wskaźnikiem pokazującym zdolności dyfuzyjne konkretnego produktu o konkretnych wymiarach. Za pomocą tak określonej „dyfuzyjności” można ocenić jej skalę za pomocą kryteriów zaproponowanych w normie DIN 4108-3: 2018 [3] (tej samej, która określa zasady działania wentylacji dachów). O tym, czy warstwa materiału jest dyfuzyjna czy nie, decyduje wielkość współczynnika Sd. Norma ta wprowadza następujące kategorie dla materiałów budowlanych rozgraniczone wielkością i zakresem współczynnika Sd:

• Sd ≤ 0,5 m – warstwa otwarta dyfuzyjnie
• 2 m < Sd < 10 m – warstwa ograniczająca dyfuzję
• 10 m < Sd < 100 m – warstwa hamująca dyfuzję
• 100 m < Sd < 1500 m – warstwa blokująca dyfuzję
• Sd ≥ 1500 m – warstwa szczelna dyfuzyjnie

Według autorów normy te niezdefiniowane zakresy pośrednie (między 0,5 a 2 m) są trudne do sklasyfikowania w określonej funkcji.

Jak wynika z tego zestawienia i szybko wykonanych obliczeń według skali z rys. 2, wełny mineralne stanowią w przegrodach budowlanych warstwy otwarte dyfuzyjnie (Sd ≤ 0,5 m). Natomiast natryskowe pianki OKPUR są materiałami ograniczającymi dyfuzję (2 m < Sd < 10 m), ale znajdują się na granicy tej klasyfikacji. Pokażą to obliczenia przytoczone w kolejnych artykułach cyklu.

Jak wynika z przedstawionego wyżej mechanizmu powstawania skroplin w zimnej strefie dachów (rys. 3), natryskowe termoizolacje piankowe z PUR powinny być osłaniane paroizolacjami, które hamują (Sd od 10 do 100 m) lub blokują dyfuzję pary wodnej (Sd od 100 do 1500 m). Jest to konieczne, a różnice w przebiegu procesów przenikania pary wodnej między wełnami a piankami OKPUR (wynikające z różnych wartości μ) spowodują jedynie wolniejsze zamakanie pianek. Jednak gdy nie są one osłonięte paroizolacją, będą nasiąkać zdecydowanie szybciej niż osłonięta paroizolacjami wełna. Wartości współczynników w tabeli pochodzą z danych publikowanych przez producentów lub z [4].

Literatura

1. K. Patoka, „Dach wentylowany. Projektowanie. Wykonawstwo. Dobór materiałów”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2025.
2. K. Patoka, „Wiarygodność eksponatów handlowych”, „IZOLACJE” 6/2013, s. 78–81.
3. DIN 4108-3 2018-10, „Izolacje cieplne i oszczędność energii w budynkach – Część 3: Ochrona przed wilgocią w zależności od klimatu, wymagania, metody obliczeń i wytyczne dotyczące planowania i realizacji izolacji cieplnej i oszczędności energii w budynkach”.
4. J. Pogorzelski, „Fizyka budowli – część X. Wartości obliczeniowe właściwości fizycznych”, „Materiały Budowlane” 3/2005, SIGMA-NOT, s. 79–81.