Transport wilgoci w ścianach z ociepleniem ETICS na styku zróżnicowanych materiałów termoizolacyjnych

Jedną z przyczyn występowania różnych izolacji cieplnych mogą być zalecenia w zakresie ochrony przeciwpożarowej budynków [1]. W konsekwencji stosowania przywołanych wytycznych dochodzi do sytuacji wzajemnego połączenia i styku poszczególnych materiałów termoizolacyjnych.

Z punktu widzenia fizyki budowli jednym z istotnych zagadnień związanych z taką sytuacją jest stan wilgotnościowy ściany w obrębie połączenia różnych materiałów termoizolacyjnych.

Wymiana masy (wilgoci) w ścianach ścian zewnętrznych jest uzależniona od wielu czynników. Zalicza się do nich m.in. wilgotność zastosowanych materiałów oraz ich rodzaj. Na dynamikę zmian wilgotnościowych wewnątrz ściany niewątpliwy wpływ ma także lokalizacja budynku i usytuowanie przegród względem stron świata. Innym parametrem determinującym zmiany są warunki cieplno-wilgotnościowe po obu stronach przegrody.

Proces wymiany masy wewnątrz ściany zależny jest od oporu dyfuzyjnego tynków zewnętrznych. Od wielu lat na rynku budowlanym mamy do dyspozycji wielorakie rozwiązania w tym zakresie. Poszczególne tynki, do których zaliczamy m.in. akrylowe, mineralne, silikonowe lub silikatowe, charakteryzują się zróżnicowanymi oporami dyfuzyjnymi.

Nieprawidłowo zrealizowany proces projektowania może się przyczynić do zwiększonego zawilgocenia występujących materiałów termoizolacyjnych, co z kolei prowadzi do zwiększenia zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków [2–3] oraz do możliwego obniżenia trwałości systemów ociepleń [4–5].

Wykonanie obliczeń i modelowania wielowymiarowego transportu wilgoci w przegrodach budowlanych pozwala na przeprowadzenie dokładniejszych analiz związanych z zastosowaniem poszczególnych rozwiązań projektowych.

Analiza powyższego zagadnienia każe postawić pytanie, jak przebiega transport wilgoci w sąsiadujących materiałach termoizolacyjnych w obrębie ich połączenia i jaki wywiera wpływ na lokalne zmiany zawilgocenia materiału konstrukcyjnego oraz warstwy zbrojącej. Istotnym zagadnieniem jest także spełnienie wymagań prawnych w zakresie niemożności występowania narastającego w kolejnych latach zawilgocenia wewnątrz ściany, spowodowanego kondensacją pary wodnej [6].

Analiza przypadku

Aby uzyskać odpowiedzi na postawione pytania, wykonano obliczenia symulacyjne za pomocą programu WUFI 2-D, stanowiącego uznane narzędzie obliczeniowe do oceny stanu wilgotnościowego przegród.

Model obliczeniowy oparty jest na układzie nieliniowych równań różniczkowych cząstkowych, opisujących niestacjonarny sprzężony transport ciepła i wilgoci w materiałach budowlanych.

Zawilgocenie poszczególnych warstw przegród określa się z uwzględnieniem dyfuzyjnego przepływu pary wodnej, akumulacji sorpcyjnej wilgoci oraz ruchu kapilarnego. Dyfuzja strumienia pary wodnej opisana jest zwykłym równaniem transportu w układzie współrzędnych kartezjańskich X;Y w postaci [7]:

gdzie:

D_w – współczynnik transportu cieczy zależny od rodzaju materiału oraz warunków cieplno-wilgotnościowych.

Do analizy obliczeniowej przyjęto monolityczną betonową ścianę zewnętrzną grubości 10 cm, ocieploną systemem ETICS na bazie styropianu grubości 18 cm wraz z występującym w poziomie wieńca pasem z wełny mineralnej tej samej grubości i szerokości wynoszącej 20 cm. Od strony wewnętrznej ścianę pokryto warstwą tynku cementowo-wapiennego grubości 1,5 cm. Model geometryczny i materiałowy ściany pokazano na RYS. 1.

Ocieplenie ścian wykonano polistyrenem ekspandowanym EPS 031 grubości 18 cm, o obliczeniowym współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,031 i współczynniku oporu dyfuzyjnego μ = 30, a także wełną mineralną grubości 18 cm, o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,036 i współczynniku oporu dyfuzyjnego μ = 1. System ociepleń ETICS wykończono pocienioną wyprawą tynkarską o współczynnikach oporu dyfuzyjnego wynoszących:

• tynk mineralny – μ = 28,
• tynk silikatowy – μ = 50,
• tynk silikonowy – μ = 74,
• tynk akrylowy – μ = 216.

Łączna grubość wyprawy tynkarskiej (o założonym współczynniku odbicia promieniowania równym 0,4) i warstwy zbrojonej wynosiła 0,5 cm. Pozostałe dane materiałów budowlanych w stanie powietrzno-suchym przyjęto na podstawie informacji zawartych w bazie programu WUFI 2-D.

Klimat zewnętrzny symulowano na podstawie danych klimatycznych dla miasta Warszawy. Ze względu na dużą niekorzystną ilość opadów atmosferycznych obliczenie wykonano dla lokalizacji przegrody od strony zachodniej budynku. Przyjęto założenie występowania pomieszczeń suchych o normalnym sposobie eksploatacji i warunkach zbliżonych do typowych warunków obliczeniowych, tj. założono dla warunków normalnych temperaturę zmieniającą się w sposób sinusoidalny od –20°C w zimie do 22°C w lecie oraz wilgotność względną powietrza zmieniającą się od 55% w okresie zimowym do 65% w okresie letnim.

Wyniki obliczeń

Program WUFI 2D daje szeroką możliwość analizy uzyskanych wyników. W artykule ograniczono prezentację wyników obliczeń dla trzyletniego czasu eksploatacji przegrody (26 280 h), do przedstawienia zmiany:

• całkowitej zawartości wody w czasie w wełnie mineralnej, na styku z warstwą konstrukcyjną ściany dla wszystkich tynków systemu ETICS (RYS. 2 – MW wewn.),
• całkowitej zawartości wody w czasie w styropianie, w bezpośrednim sąsiedztwie wełny mineralnej na styku z warstwą konstrukcyjną ściany dla wszystkich tynków systemu ETICS (RYS. 2 – EPS wewn.),
• całkowitej zawartości wody w czasie w wełnie mineralnej, na styku z warstwą zbrojoną dla wszystkich tynków systemu ETICS (RYS. 2 – MW zewn.),
• całkowitej zawartości wody w czasie w styropianie, w bezpośrednim sąsiedztwie wełny mineralnej na styku z warstwą zbrojoną dla wszystkich tynków systemu ETICS (RYS. 2 – EPS zewn.).

Wyniki zostały przedstawione dla czterech wariantów, zróżnicowanych pod względem przyjętego rodzaju tynku cienkowarstwowego:

• wariant W1 – tynk akrylowy (μ = 216),
• wariant W2 – tynk mineralny (μ = 28),
• wariant W3 – tynk silikatowy (μ = 50),
• wariant W4 – tynk silikonowy (μ = 74).

Dodatkowo, obok powyższych zmian całkowitej zawartości wody w czasie dla materiałów termoizolacyjnych, przedstawionych na RYS. 3–18, pokazano ich chwilowe wartości w modelu „pseudo 3D”, w czasie wystąpienia ich maksymalnej i minimalnej wartości (RYS. 19–20).

Przykładowe wyniki obliczeń z programu WUFI 2-D dla wariantu 1 przedstawiono dodatkowo w formie graficznej w trójwymiarowym układzie współrzędnych (pseudo 3D).

Na RYS. 19 zobrazowano całkowitą zawartość wody w okresie zimowym w dniu 07.03.2021 r. dla przypadku zastosowania tynku akrylowego o dużym oporze dyfuzyjnym i czasu wynoszącego τ = 3780 h. RYS. 20 przedstawia rozkład zawartości wody w okresie letnim w dniu 14.08.2021 r. (τ = 7624 h).

Wnioski

Przeprowadzone symulacje numeryczne pozwalają na przedstawienie następujących wniosków:

• Zawartość wody w wewnętrznym fragmencie styropianu, przy połączeniu ze ścianą zewnętrzną, dla wszystkich rodzajów tynków, nie przekracza wartości w_m = 2,0 kg/m³ i maleje w kolejnych latach dla założonego trzyletniego cyklu obliczeniowego (RYS. 3, 5, 7, 9).
• Zawartość wody w wewnętrznym fragmencie wełny mineralnej, przy połączeniu ze ścianą zewnętrzną, dla wszystkich rodzajów tynków, jest nieznacznie mniejsza niż w przypadku styropianu i nie przekracza wartości w_m = 1,2 kg/m³. Obliczenia wykazały w kolejnych latach spadek zawartości wody w wewnętrznym fragmencie wełny mineralnej. Po okresie trzech lat najniższą zawartość wody odnotowano dla tynku mineralnego (RYS. 11, 13, 15, 17).
• Zawartość wody w zewnętrznym fragmencie styropianu, przy połączeniu z warstwą zbrojoną i tynkiem, wzrasta w okresach od jesieni do wiosny i maleje w kolejnych miesiącach, nie przekraczając wartości w_m = 9,0 kg/m³. Dla wszystkich rodzajów tynków widoczny jest nieznaczny spadek zawartości wody w kolejnych trzech latach obliczeniowych. Otrzymane wyniki obliczeń są zbliżone dla wszystkich rodzajów analizowanych tynków systemu ETICS.
• Zawartość wody w zewnętrznym fragmencie wełny mineralnej jest bardzo mocno uzależniona od rodzaju przyjętego tynku cienkowarstwowego. Dla pierwszego analizowanego okresu jesienno-wiosennego największą zawartość wody otrzymano dla systemu ETICS z tynkiem akrylowym (w_m,max = 492 kg/m³), najmniejszą zaś dla tynku silikonowego (w_m,max = 158 kg/m³). W trzecim okresie obniżonych temperatur zewnętrznych największą zawartość wody odnotowano ponownie dla systemu ETICS z tynkiem akrylowym (wm,max = 170 kg/m³), a najmniejszą dla tynku silikonowego (w_m,max = 6 kg/m³). Uzyskanie takich wyników jest związane nie tylko z wartością współczynnika oporu dyfuzyjnego wypraw tynkarskich (dla tynku mineralnego jest on niższy niż dla silikonowego), lecz także z pozostałymi parametrami fizycznymi tynków, wpływającymi na absorpcję wody opadowej w strukturę systemu ociepleń.
• Wysoka zawartość wody w zewnętrznej warstwie wełny mineralnej w wybranych okresach czasu powoduje wzrost zawartości wody w przylegającym fragmencie styropianu (RYS. 19). Tego typu zjawisko nie powoduje jednak negatywnych skutków w zakresie narastającej w czasie kondensacji międzywarstwowej.
• Analizowane fragmenty ocieplenia, dla wszystkich tynków systemu ETICS zarówno w obrębie styropianu, jak i wełny mineralnej, zapewniają wymaganą przepisami izolacyjność cieplną i nie powodują występowania narastającego w kolejnych latach zawilgocenia wewnątrz ściany, związanego z kondensacją pary wodnej.

Literatura

1. Wytyczne projektowania ocieplenia elewacji budynków z uwagi na bezpieczeństwo pożarowe SITP WP-03:2018.
2. R. Stachniewicz, „Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku a zawilgocenie ścian zewnętrznych”, Civil and Enviromental Engineering 3 (2012). Budownictwo Inżynieria Środowiska. Politechnika Białostocka, Białystok 2012.
3. M. Wesołowska, A. Kaczmarek, „Zapotrzebowanie na ciepło w pierwszych latach eksploatacji budynku”, „Inżynier Budownictwa” 5/2015.
4. B. Daniotti, R. Paolini, F. Re Cecconi, „Effects of ageing and moisture on thermal performance of ETICS cladding. Durability of Building Materials and Components, Building Pathology and Rehabilitation”, Springer-Verlag, Berlin – Heidelberg 2013, s. 127–171.
5. A. Holm, H.M. Künzel, „Combined effect of temperature and humidity on the deterioration process of insulation materials in ETICS”. Proc. 5th Symposium Building Physics in the Nordic Countries, Göteborg 1999, s. 677–684.
6. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU Nr 75, poz. 690, z późniejszymi zmianami).
7. E. Barreira, J. Delgado, N. Ramos, „Freitas Hygrothermal Numerical Simulation: Application in Moisture Damage Prevention”, V. Computer and Information Science. Numerical Analysis and Scientific Computing. Numerical Simulations – Examples and Applications in Computational Fluid Dynamics 2010.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!