Warunki brzegowe w modelowaniu procesów cieplno-wilgotnościowych w ścianach ocieplanych od wewnątrz

W obiektach nowo projektowanych zapewnienie właściwej izolacyjności przegród budowlanych wraz z wymaganą współcześnie energooszczędnością możliwe jest dzięki odpowiedniemu zastosowaniu przez projektanta nowoczesnych technologii i materiałów. W przypadku budynków objętych ochroną konserwatorską stosowane są ocieplenia wykonywane od strony wewnętrznej budynków [2-3].

Takie rozwiązania wymuszają zastosowanie bardziej zaawansowanych metod projektowych z uwzględnieniem charakteru budynku i sposobu jego eksploatacji. Sytuowanie materiału termoizolacyjnego po stronie wewnętrznej nie jest poprawne z punktu widzenia fizyki budowli, chociażby ze względu na ryzyko wystąpienia wykroplenia dyfundującej pary wodnej.

Współczesne rozwiązania materiałowe pozwalają na skuteczną poprawę stanu termicznego przegród budowlanych poprzez izolację wewnętrzną pod warunkiem poprawnie przeprowadzonych obliczeń, poprzedzonych szczegółowymi analizami stanu istniejącego, uwzględnienia rzeczywistych warunków klimatu zewnętrznego oraz warunków związanych z użytkowaniem pomieszczeń (FOT. 1-2 i FOT. 3).

Artykuł dotyczy problematyki modelowania i uwzględniania warunków brzegowych na powierzchni zewnętrznej przegrody, związanych zarówno z parametrami klimatu zewnętrznego (zacinający deszcz), jak i właściwościami warstwy elewacyjnej. Poziom wodochłonności warstwy elewacyjnej przekłada się bezpośrednio na poziom zawartości wody w całej przegrodzie, zwłaszcza w warstwach muru. W przypadku ocieplania ścian zewnętrznych od wewnątrz szczególną uwagę należy zwrócić na problem podciągania kapilarnego deszczu przez mur i określić, w jakim stopniu proces ten zagraża poprawnemu funkcjonowaniu przegrody.

Termomodernizacja przegród zewnętrznych

Podniesienie efektywności energetycznej budynku można osiągnąć poprzez termoizolację przegród zewnętrznych. Na RYS. 1-4. przedstawiono rozkład temperatur dla ściany izolowanej od zewnątrz i od wewnątrz.

Zaletą stosowania materiału izolacyjnego na zewnątrz jest zachowanie zdolności akumulacji ciepła konstrukcji przegrody. W okresie zimowym zmniejsza się dzięki temu ryzyko kondensacji wewnętrznej lub gromadzenia się wilgoci w konstrukcji. Zmniejszać będzie się również ryzyko pojawienia się rys i uszkodzeń termicznych w oryginalnej konstrukcji, ponieważ temperatura konstrukcji będzie bardziej stała ze względu na warstwę izolacyjną na zewnątrz.

W większości przypadków w budynkach historycznych izolację termiczną umieszcza się po wewnętrznej stronie ściany w celu zachowania historycznego wyglądu fasady. Po zaizolowaniu istniejącej przegrody od wewnątrz wahania temperatury w ciągu roku są znacznie większe niż przed zastosowaniem izolacji. Oznacza to, że ściana poddawana jest większemu skurczowi i rozszerzaniu niż poprzednio, co zwiększa ryzyko powstawania rys i pęknięć termicznych (RYS. 5-6).

Po założeniu izolacji od wewnątrz część murowa przegrody będzie pod większym wpływem zmieniającej się temperatury środowiska zewnętrznego, duży opór cieplny izolacji wewnętrznej ogranicza bowiem przekazywanie ciepła ze środowiska wewnętrznego. Zmniejsza to tempo procesu suszenia w zimie, co powoduje wyższą zawartość wilgoci w murze. Zwiększona zawartość wilgoci i niższa temperatura zwiększają natomiast ryzyko uszkodzeń spowodowanych przez mróz.

Wraz ze wzrostem zawartości wilgoci możliwe jest wystąpienie korozji biologicznej elementów drewnianych, np. drewnianych belek w stropach lub ram okiennych.

Klasyfikacja metod docieplania od wewnątrz

Stosując rozwiązania dociepleń ścian od strony wewnętrznej, teoretycznie mamy do wyboru trzy główne koncepcje rozwiązań (RYS. 7-9):

• Ocieplenie od wewnątrz zapobiegające wystąpieniu kondensacji pary wodnej. Literatura [5] zaleca, by wartość dyfuzyjnie równoważnej grubości warstwy powietrza sd izolacji termicznej lub zastosowanej paroizolacji przekraczała 1500 m.
• Ocieplenie od wewnątrz minimalizujące wystąpienie kondensacji. Norma DIN 4108-3 [5] dopuszcza stosowanie materiałów stanowiących opór dyfuzyjny, dla których dyfuzyjnie równoważna grubość warstwy powietrza sd zawiera się pomiędzy 0,5 a 1500 m, jednak tak duże zróżnicowanie wielkości sd wpływa niejednoznacznie na oceny poprawności realizowanych ociepleń.
• Ocieplenie od wewnątrz dopuszczające wystąpienie kondensacji, które dowodzi, że powstający w niekorzystnym okresie kondensat odparuje w ciągu roku obliczeniowego. DIN 4108-3 [5] dopuszcza stosowanie materiałów stanowiących opór dyfuzyjny, dla których dyfuzyjnie równoważna grubość warstwy powietrza sd jest mniejsza niż 0,5 m. Wykorzystywane w tego typu rozwiązaniach materiały termoizolacyjne są aktywne kapilarnie i umożliwiają akumulowanie powstałego kondensatu w strukturze materiałowej, nie powodując pogorszenia ich właściwości fizycznych (RYS. 7-9).

Systemy z paroizolacją od strony wnętrza sprawdzają się najlepiej w obiektach o wysokiej wilgotności. W związku z całkowitym uniemożliwieniem dyfuzji pary wodnej przez powierzchnię należy zapewnić najwyższą efektywność instalacji wentylacyjnej.

Właściwości warstwy elewacyjnej w kontekście ochrony przed deszczem

W większości przegród zewnętrznych poddawanych ociepleniu od wewnątrz obserwujemy znaczne ubytki lub uszkodzenia w warstwie elewacyjnej. Jako przykład posłuży mur pruski, dla którego cechą charakterystyczną jest występowanie szczelin pomiędzy szkieletem a przylegającymi elementami, umożliwiające wnikanie wody opadowej w głąb muru (RYS. 10).

Badania wykazały, iż może ona wnikać w mur na głębokość 20 cm. Zjawisko takie opisywał Kozakiewicz [7-8], zwracając uwagę na procesy starzeniowe i powolne ubytki przekrojów poprzecznych elementów drewnianych.

Właściwości powłok zewnętrznych ściany w kontekście ochrony przed deszczem definiowane są przez ich współczynniki absorpcji wody, równoważną grubość warstwy powietrza sd oraz iloczyn obu tych wielkości C_RP [9].

Pierwotnie sugerowano, aby wartość C_RP wynosiła 0,1 kg/(m·h^0,5) [9]. Ponieważ jednak większość produktów i materiałów nie była w stanie spełnić tych kryteriów, wartość tę zwiększono do poziomu 0,2 kg/(m·h^0,5).

Dla przegród izolowanych od wewnątrz WTA [10] zaleca, aby C_RP nie było większe niż wartość 0,1 kg/(m·h^0,5) z wartością W_w nie większą niż 0,2 kg/(m²·h^0,5) i sd mniejszym niż 1 m [9].

Wyjaśnione wcześniej wartości graniczne i wymagania w odniesieniu do W_w i s_d odnoszą się do wodoodpornych systemów tynków i farb zgodnie z definicjami zawartymi w części 3 normy DIN 4108 [5].

Optymalizacja grubości izolacji termicznej

W roku 2009 pojawił się dokument WTA-Merkblatt 6-4 2009-05 [10], w którym przedstawiono wybrane zagadnienia dotyczące projektowania izolacji cieplnej od wewnątrz. Tego typu rozwiązania prowadzą do wychłodzenia części konstrukcyjnej ściany, a tym samym redukują możliwość osuszania istniejącej konstrukcji.

Ocieplenie od wewnątrz ogranicza możliwości akumulacyjne ściany, powoduje szybszy spadek temperatury, a tym samym bardzo wysokie ryzyko kondensacji w warstwie granicznej między istniejącą konstrukcją a nowo zabudowaną izolacją. Oba efekty mogą prowadzić do zwiększonej penetracji wilgoci.

Przedstawiona procedura pozwala w sposób uproszczony (graficzny) oszacować poprawność doboru rozwiązania materiałowego w kontekście wodochłonności istniejącej przegrody i jej warstwy zewnętrznej. Pierwszym krokiem jest określenie wpływu deszczu na powłokę zewnętrzną muru, tj. określenie jej wodochłonności wyrażonej jako W_w [kg/(m2·h0,5)]. Jeżeli występuje wystarczająca ochrona przed deszczem zgodna z częścią 3 normy DIN 4108 [5], zwykle jest to wystarczające. Jeżeli warunek nie jest spełniony, korzysta się z diagramu (RYS. 11).

Jeżeli wartości graniczne i warunki brzegowe dla oporu dyfuzyjnego pary wodnej s_d, poprawa izolacji termicznej ΔR, kapilarność/chłonność podłoża W_w są zachowane, woda kondensacyjna nie wytrąca się przy warstwie granicznej pomiędzy starą powierzchnią ściany a tylną stroną wewnętrznej izolacji.

Sytuacje, które można wykryć za pomocą tej uproszczonej metody, są zatem praktycznie pozbawione kondensacji, ponieważ do tej pory woda jest głównie związana w materiale budowlanym. Z drugiej strony oznacza to, że konstrukcje, w których może lub może wystąpić kondensacja, nie mogą być wykrywane przez uproszczoną weryfikację. Wymagane są wtedy nowoczesne metody numeryczne.

Powyższy schemat można jednak stosować tylko wtedy, gdy:

• działająca ochrona przeciwdeszczowa fasady jest sprawna,
• istniejąca opór cieplny ściany zewnętrznej wynosi co najmniej R  ≥  0,39 m²·K/W,
• przeważa normalny klimat w pomieszczeniu,
• średnia roczna temperatura przekracza 7°C, a poprawa oporu ΔR nie powinna przekraczać 2,5 lub 2,0 m²·K/W.

Jeżeli jedno z tych wymagań nie zostanie spełnione, wymagane są dokładne analizy i obliczenia.

Wpływ zacinającego deszczu na stan wilgotnościowy przegrody budowlanej

W Polsce nie ma obecnie dostatecznych badań w zakresie obciążeń deszczem zacinającym. Badania tego typu prowadzone są w innych krajach Europy, np. w Niemczech [5] i Wielkiej Brytanii [12] (RYS. 12, RYS. 13 i RYS. 14).

Obciążenie deszczem zacinającym obliczane jest w sposób uproszczony, przy wykorzystaniu modeli matematycznych, zwykle półempirycznych, które umożliwiają przeliczenie danych o deszczu i wietrze na wielkości definiujące warunki brzegowe dla analizowanego zagadnienia.

Na obciążenie zacinającym deszczem, poza parametrami lokalnego klimatu, takimi jak kierunek i prędkość wiatru oraz natężenie opadu deszczowego, wpływają także czynniki wynikające z charakterystyki otoczenia budynku, jego cechy geometryczne, a także położenie analizowanej przegrody na elewacji zewnętrznej. Część z istniejących modeli matematycznych opisujących zacinający deszcz znalazła praktyczne zastosowanie w programach komputerowych.

Dostępnym narzędziem, które uwzględnia tego typu obciążenia i ich wpływ na potencjał cieplno-wilgotnościowy przegrody, jest program WUFI. Obciążenie deszczem zacinającym określone jest w nim równaniem:

R     _L  = R_h · (R₁ + R₂ + V_w)

gdzie:

R_L - obciążenie deszczem zacinającym [mm/h],

R_h - opad deszczu na powierzchnię poziomą [mm/h],

R₁ - współczynnik zależny od nachylenia przegrody [-],

R₂ - współczynnik zależny od położenia przegrody w terenie [s/m],

V_w - prędkość wiatru na wysokości 10 m nad poziomem otwartego terenu [m/s].

R₁ i R₂ są silnie zależne od konkretnego miejsca na elewacji budynku. W przypadku powierzchni pionowych R₁ wynosi 0, a R₂ około 0,2 s/m w wolnostojących lokalizacjach bez wpływu otaczających budynków (dla budynków osłoniętych przyjmuje wartość 0,07 s/m).

Jeśli na zewnętrzną powierzchnię ściany zbudowanej z materiału porowatego będzie ukośnie padać zacinający deszcz (z towarzyszącym wiatrem), wystąpi najpierw wsiąkanie wody do skrajnej warstwy materiału, a następnie, na skutek kapilarnego podciągania, woda będzie się przemieszczać w głąb ściany, wypierając powietrze z kapilar. Przy odpowiednio długo trwającym deszczu zacinającym może dojść do całkowitego nasączenia materiałów ścian wodą.

Na RYS. 15, RYS. 16, RYS. 17 i RYS. 18 pokazano wyniki analizy numerycznej ściany z cegły o grubości 38 cm, ocieplonej od wewnątrz lekkim betonem komórkowym o grubości 10 cm.

• W pierwszym wariancie założono brak osłony (np. powłoki hydrofobizujacej) na powierzchni zewnętrznej ściany z cegły.
• W drugim wariancie założono, że ściana od strony zewnętrznej jest zabezpieczona warstwą chroniącą przed zacinającym deszczem (wartość s_d dla powłoki -zgodnie z klasyfikacją systemów powłokowych do konserwacji [13]).

Obliczenia prowadzono dla budynku zlokalizowanego na terenie Warszawy (dla lokalizacji przyjęto obciążenie deszczem i pozostałe parametry klimatu).

Na RYS. 15 przedstawiono wyniki zmian zawartości wody dla warstwy muru z cegły ocieplonej od wewnątrz (bez osłony warstwy zewnętrznej) dla budynku o wysokości H  <  10 i ekspozycji na deszcz FE = 1,0. Analizy numeryczne zostały przeprowadzone dla okresu 01.01.2019-31.12.2022 r.

Wyraźnie widoczny jest duży wpływ orientacji analizowanej ściany na poziom zawartości wody w warstwie muru ceglanego (RYS. 16). Najwolniej wysychała przegroda na elewacji zachodniej, a najszybciej na elewacji wschodniej. W klimacie polskim, gdzie dominują wiatry zachodnie, w przypadku budynków bez powłoki (tynku lub innych zabezpieczeń), w których elewacja jest podatna na zawilgocenie, zawartość wilgoci może być nawet kilkakrotnie wyższa (w wybranych okresach) w stosunku do innych elewacji budynku, zwłaszcza wschodniej.

Zastosowanie zewnętrznej warstwy ochronnej na ścianie powoduje wyraźne ograniczenie wpływu deszczu na szybkość wysychania przegrody.

Bez względu na orientację ściany (RYS. 17) obserwujemy stałą tendencję jej zachowania w całym analizowanym okresie. Różnice w poziomie zawartości wody dla poszczególnych kierunków mieszczą się w granicach od 0,0 do 0,5 kg/m3. Warto zaznaczyć, że ograniczona absorpcja deszczu spowodowana powłoką sprawia, że głównym czynnikiem wpływającym na proces wysychania jest promieniowanie słoneczne. Z tego względu ściana północna charakteryzuje się większym - w stosunku do pozostałych kierunków - zawilgoceniem.

Należy jednak wyraźnie zaznaczyć, że stosowanie na elewacji zewnętrznej hydrofobizującej osłony (powłoki ochronnej) powinno być poprzedzone dokładnymi analizami numerycznymi. W każdym innym przypadku zastosowanie powłoki o zbyt wysokich parametrach parodyfuzyjnych (sd) może spowodować zaburzenia w procesach transportowych i wzrost poziomu zwartości wody na styku materiału izolacyjnego i ściany (w dociepleniach od wewnątrz) (RYS. 16).

Podsumowanie

Na podstawie przeprowadzonych w programie numerycznym WUFI analiz wyraźnie widzimy, że ściany z osłoną, bez względu na kierunek, podobnie reagują na zacinający deszcz. Zawilgocenie na skutek tego czynnika zewnętrznego utrzymuje się praktycznie na stałym poziomie w ciągu całego okresu badawczego (3 lata).

W przypadku ściany niepokrytej tynkiem lub osłoną mamy do czynienia z wyraźnie większym wzrostem wilgotności spowodowanym przez zacinający deszcz; znaczne wahania zawartości wody w ścianie obserwujemy zwłaszcza dla kierunku zachodniego. Na modelu przestrzennym ściany wzrost zawartości wilgoci jest wyraźnie widoczny w warstwie zewnętrznej muru z cegieł i w spoinach, które charakteryzują się znacznie większą sorpcyjnością w stosunku do pozostałego materiału ściany. Należy również dodać, że im wyżej nad poziomem terenu położony jest element ściany, tym większe zawilgocenie wywołuje zacinający deszcz (RYS. 18). Wynika to z faktu, iż prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością nad poziomem morza.

Projektowanie izolacji cieplnej od wewnątrz staje się problemem nie tylko w kontekście doboru poprawnego rozwiązania (grubości i rodzaju materiału izolującego) oraz uniknięcia ryzyka kondensacyjnego, ale również uwzględnienia pozostałych czynników, które mają znaczący wpływ na cały potencjał cieplno-wilgotnościowy ściany i jej zdolność odsychania w sytuacjach krytycznych. Z tego względu w wytycznych WTA i normie DIN 4108-3 [5] ujęto problem wodochłonności warstwy elewacyjnej w kontekście dociepleń od wewnątrz.

W Polsce pomiar wodochłonności powierzchni praktykowany jest głównie w pracach renowacyjnych i odtworzeniowych dla elewacji w budynkach zabytkowych. W przypadku projektowania dociepleń od wewnątrz powinien on stanowić również nieodłączny element diagnostyki higrotermicznej przedmiotowych ścian.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002 Nr 75, poz. 690 z późn. zm.).
2. H. Hens, "Performance prediction for masonry walls with inside insulation using calculation procedures and laboratory testing", "Journal of Thermal Envelope and Building Science" 22/1998, s. 32-48.
3. H. Stopp, P. Strangeld, H. Fechner, P. Häupl, "The Hygrothermal Performance of External Walls with Inside Insulation", Buildings VIII/Wall Performance-Practices, s. 1-13 (data dostępu 30.03.2016).
4. R. Oswald, G. Dahmen, "Energetisch optimierte Gründerzeithäuser Baupraktische Detaillösungen für Innendämmungen unter besonderer Berücksichtigung der Anforderungen der Energieeinsparverordnung von April 2009; Aachener Institut Für Bauschadensforschung Und Angewandte Bauphysik.
5. DIN 4108-3 Klimabedingter Feuchteschutz; Anforderungen, Berechnungsverfahren und Hinweise für Planung und Ausführung Enthält Randbedingungen und Rechenvorschriften für das Glaser­‑Verfahren.
6. R. Wójcik, "Docieplanie budynków od wewnątrz", Grupa Medium, Warszawa 2017.
7. P. Kozakiewicz, M. Matejak, "Klimat a drewno zabytkowe. Dawna i współczesna wiedza o drewnie", Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2013.
8. J. Radoń, H. Künzel, "Zalety stosowania paroizolacji wspierających proces wysychania", "Warstwy - Dachy i Ściany" 4/2004, s. 98-103.
9. H. Künzel, "Criteria defining rain protection external rendering systems", 6th International Building Physics Conference IBPC, Turin 2015.
10. "Innendämmung nach WTA I Planungsleitfaden", Referat 6 Bauphysik und Bauchemie, Wissenschaftlich-Technische Arbeitsgemeinschaft für Bauwerkserhaltung und Denkmalpflege e.V., Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2009.
11. B. Orlik-Kożdon, T. Steidl, "Projektowanie izolacji cieplnej od wewnątrz z uwagi na wodochłonność elewacji", "Materiały Budowlane" 1/2018, s. 44-48.
12. BS 8104:1992, "Code of practice for assessing exposure of walls to wind-driven rain”.
13. PN-EN 1062-1, "Farby i lakiery. Wyroby lakierowe i systemy powłokowe stosowane na zewnątrz na mury i beton. Część 1: Klasyfikacja".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!