Właściwości cieplno-wilgotnościowe materiałów budowlanych

Przepływ ciepła rozpatrywany jest pod względem fizycznym, jako trzy różne sposoby:

• przewodzenie ciepła,
• konwekcja (unoszenie ciepła),
• promieniowanie cieplne.

Wymiana ciepła przez przegrodę budowlaną składa się z poszczególnych etapów:

• I – napływ ciepła na powierzchnię przegrody od strony ośrodka o wyższej temperaturze,
• II – przewodzenie ciepła wewnątrz przegrody w kierunku ośrodka o niższej temperaturze,
• III – odpływ ciepła z powierzchni przegrody do ośrodka chłodniejszego.

W analizie przenikania ciepła przez przegrody budowlane przyjmuje się następujące założenia upraszczające:

• jest to proces ustalony w czasie,
• przepływ ciepła odbywa się w kierunku prostopadłym do powierzchni przegrody,
• długość i szerokość przegrody są nieograniczone,
• warstwy przegrody wykonane są z jednorodnych, izotropowych materiałów,
• wartości współczynników przenikania ciepła są stałe na całej powierzchni przegrody.

W analizie przenikania ciepła przez przegrody budowlane przyjmuje się następujące założenia upraszczające:

• jest to proces ustalony w czasie,
• przepływ ciepła odbywa się w kierunku prostopadłym do powierzchni przegrody,
• długość i szerokość przegrody są nieograniczone,
• warstwy przegrody wykonane są z jednorodnych, izotropowych materiałów,
• wartości współczynników przenikania ciepła są stałe na całej powierzchni przegrody.

Przenikanie ciepła w budynkach może być przeprowadzone przy podziale struktury na typowe przegrody: ściany, okna, drzwi, podłogi, dachy, w odniesieniu do których straty ciepła można obliczać oddzielnie na podstawie jednowymiarowego modelu przepływu ciepła, przy założeniu jednorodnej struktury przegrody, złożonej z równoległych warstw, do których strumień cieplny jest prostopadły.

Straty ciepła przez pojedyncze elementy budynku, przy przyjęciu pewnych uproszczeń, można określić za pomocą współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] (RYS. 1).

Opisane zjawisko wymiany ciepła nosi nazwę przenikania ciepła przez przegrodę budowlaną. W najprostszej postaci jest to proces ustalony w czasie i przebiegający jednokierunkowo.

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] każdej projektowanej przegrody wymaga posiadania szeregu danych wejściowych, charakteryzujących przegrodę i jej usytuowanie w budynku. Są to:

• dla przegród jednorodnych – parametry geometryczne i fizyczne przegrody: grubości poszczególnych warstw d_i oraz odpowiadające im obliczeniowe współczynniki przewodzenia ciepła λ_i,
• dla przegród niejednorodnych – opory cieplne R ustalone jedną z metod przybliżonych (wg normy PN-EN ISO 6946 [1] – metoda kresów lub obliczone metodami numerycznymi),
• opory przejmowania ciepła na wewnętrznej R_si i zewnętrznej R_se powierzchni przegrody, zależne od usytuowania przegrody (pionowa, pozioma) i warunków klimatycznych panujących w jej sąsiedztwie (konwekcja, promieniowanie).

Parametry materiałów budowlanych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym

Odpowiednie zastosowanie materiału budowlanego do pełnienia określonych funkcji w przegrodzie zewnętrznej budynku wymaga analizy zespołu jego cech cieplno-wilgotnościowych, z uwzględnieniem rzeczywistych warunków eksploatacyjnych przegrody.

Struktura oraz pochodzenie materiału budowlanego decydują o jego różnorodnych, czasem przeciwstawnych właściwościach termicznych i wilgotnościowych. Ich uwzględnienie należy do obowiązków projektanta i decyduje nie tylko o położeniu materiału w przegrodzie, ale o samej koncepcji konstrukcji przegrody i jej złączy.

Właściwości fizykalne materiałów charakteryzuje ponadto znaczna różnorodność, zależna od rodzaju materiału, a także stanu cieplnego i wilgotnościowego, wywołanego czynnikami eksploatacyjnymi, bądź produkcyjnymi.

Analiza właściwości cieplno-wilgotnościowych materiałów budowlanych prowadzona jest z uwzględnieniem najczęściej stosowanych klasyfikacji [2, 3]:

• ze względu na pochodzenie: materiały nieorganiczne, materiały pochodzenia roślinnego, tworzywa sztuczne,
• ze względu na strukturę wewnętrzną: kapilarno-porowatą, ziarnistą lub mieszaną, włóknistą.

Ten ostatni podział jest szczególnie istotny dla wyjaśnienia fizykalnego charakteru zjawisk przepływu ciepła i masy (wilgoci) przez przegrody budowlane.

Materiał wilgotny ma strukturę niejednorodną złożoną z twardego szkieletu, wilgoci i powietrza. Wilgoć można zakwalifikować do kilku faz. Oprócz fazy stałej, ciekłej i gazowej, określa się fazy wilgoci warstw powierzchniowych o specyficznych właściwościach. Fazy wilgoci występujące w materiale oddziałują na siebie, wywołując procesy wymiany ciepła i masy.

Analiza zjawisk cieplno-wilgotnościowych polega na badaniu lub określeniu następujących głównych i podstawowych właściwości materiału:

• przewodzenie ciepła,
• pojemność cieplna,
• promieniowania cieplnego.

Stan wilgotnościowy materiału w przegrodzie określa się za pomocą następujących parametrów:

• wilgotność masowa u_m, wyrażająca stosunek masy wody w materiale do suchej masy tego materiału (kg/kg) [%],
• wilgotność objętościowa u_v, wyrażająca stosunek objętości wody zawartej w materiale do objętości tego materiału (m³/m³) [%].

Ponadto stan wilgotnościowy określa się, podając zawartość wilgoci w jednostce objętości materiału, kg/m³.

Wybrane parametry cieplne materiałów budowlanych

W ciałach stałych przewodzenie ciepła polega na przenoszeniu energii przez swobodne elektrony oraz drganiu atomów w siatce krystalicznej ciała.

Zdolność materiałów do przewodzenia ciepła określa współczynnik przewodzenia ciepła λ (lambda), wyrażający ilość ciepła przenikającą w sposób ustalony, w ciągu 1 godz. przez 1 m² płaskiej przegrody, wykonanej z danego materiału o grubości 1 m, przy różnicy temperatur na obu powierzchniach przegrody wynoszącej 1 K, w jednostce [W/(m·K)].

Przewodzenie ciepła jest podstawową cechą termofizyczną materiałów budowlanych i zmienia się dla różnych materiałów w bardzo szerokich granicach.

Współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] jest funkcją gęstości, temperatury i wilgotności materiału. Istotny wpływ na jego wielkość wywiera również struktura wewnętrzna materiału.

W normalizacji wprowadzono dwa pojęcia odnoszące się do wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów (lub oporu cieplnego komponentów):

• wartość deklarowaną (λ_D), służącą kontroli jakości produkcji, odpowiadającą warunkom laboratoryjnym,
• wartość obliczeniową (λ_ob), służącą projektowaniu, odpowiadającą warunkom stosowania materiału w budynku.

Warunki klimatyczne (wewnątrz i na zewnątrz) budynku mają wpływ na wielkość przewodzenia ciepła materiałów. Uwzględnienie wpływu konkretnych warunków klimatycznych na element murowy pozwala w dokładny sposób ocenić faktyczne straty ciepła.

Określenie wartości obliczeniowej polega na uwzględnieniu różnic temperatury i wilgotności pomiędzy warunkami, dla jakich określono wartość deklarowaną przewodzenia ciepła, a warunkami, w których ten materiał faktycznie pracuje.

W przypadku zastosowań budowlanych istotną rolę odgrywa wilgotność. Dla materiałów do izolacji technicznych uwzględnia się przede wszystkim zmiany temperatury.

Na etapie projektowania inżynier powinien przewidzieć warunki pracy materiału i dokonać konwersji współczynnika λ_D do wartości λ_ob. Przewodzenie materiału jest funkcją jego gęstości, zawartości wilgoci, temperatury, czasu od wyprodukowania materiału:

gdzie:

λ_ob – wartość obliczeniowa współczynnika przewodzenia ciepła,
λ_D – wartość deklarowana współczynnika przewodzenia ciepła,
F_T – temperaturowy czynnik konwersji,
F_M – wilgotnościowy czynnik konwersji,
F_a – czynnik konwersji zależny od czasu od wyprodukowania materiału.

Pojemność cieplna materiału charakteryzuje jego zdolność magazynowania ciepła w jednostce objętości. Pojemnością cieplną jest więc iloczyn ciepła właściwego oraz gęstości objętościowej materiału c · ρ [J/(m³·K)].

Ciepło właściwe c to ilość ciepła w (J) potrzebna do podniesienia średniej temperatury jednostki masy danego materiału o 1 stopień. Miano ciepła właściwego wynosi J/(kg·K) lub kJ/(kg·K).

Można używać również miana Wh/(kg·K) i przeliczenia 1 kJ/(kg·K) = 0,278 Wh/(kg·K). Ciała o większym cieple właściwym mają większą bezwładność cieplną, a więc wolniej reagują na zmiany temperatury.

Wybrane parametry materiałów budowlanych w analizie transportu wilgoci

Metody używane przy identyfikacji i ustaleniu ilości wody kondensacyjnej we wnętrzu przegrody mają ugruntowane podstawy naukowe, opisane w pracy [3].

Proste metody stacjonarne służą jedynie celom informacyjnym, rozpoznawczym. Dokładniejsze (miarodajne) procedury sprawdzające ilości wody kondensacyjnej muszą korzystać z bilansu wilgoci, sporządzonego dla całego roku. Dobrze znane i powszechnie stosowane w krajach UE metody, opisane normą PN-EN ISO 13788:2003 [4], spełniają te kryteria. Pełne ich stosowanie ogranicza wąska baza danych klimatycznych dla Polski − dostępna w celach projektowych.

Bardziej zaawansowane metody numeryczne, rozpatrujące transport dyfuzyjny pary wodnej łącznie z przemieszczaniem się wody kapilarnej, jak na razie posiadają znaczenie ograniczone do badania zjawiska wysychania przegród z wilgoci początkowej, chociaż możliwe jest ich stosowanie (wymagają obszernej biblioteki danych wejściowych) w ocenie stanu wilgotnościowego przegród (metoda WUFI).

Pełniejszą analizę zapewnia metoda Glasera, która polega na uwzględnieniu warunków granicznych, z jakimi oddziałuje na przegrodę zmieniające się środowisko, które w rytmie cyklu rocznego decyduje o narastaniu niebezpieczeństwa kondensacji wewnętrznej w zimie, w lecie może prowadzić do wysuszenia przegrody. Tylko bilans roczny wilgoci z uwzględnieniem specyficznych warunków klimatycznych lokalizacji budynku może udzielić informacji o ogólnej kondycji przegrody, o możliwości neutralizowania zimowego niekorzystnego zawilgocenia.

Przegrody wysychające w miesiącach ciepłych spełniają ze względów fizykalnych warunek konieczny poprawności konstrukcji. Jednak mimo korzystnego bilansu rocznego wilgoci znaczniejsza kondensacja wewnętrzna w okresie zimowym, dotykająca warstw położonych w strefie temperatur ujemnych w przegrodzie, może znacznie pogorszyć ich właściwości cieplne, wynikające z niedostatecznej mrozoodporności poszczególnych materiałów użytych do budowy. Pojawia się więc warunek dodatkowy − zapewnienia poprawności konstrukcji ze względu na zawilgocenie wewnętrzne.

Znaczne zawilgocenie jastrychów i gładzi cementowych, umieszczonych pod pokryciami stropodachów może być powodem szybkiej degradacji tych elementów w wyniku zamarzania, nawet gdy zawilgocenie jest krótkotrwałe. Taki sam proces destrukcji może zagrozić ścianom zewnętrznym, szczególnie trójwarstwowym.

W zakresie sprawdzenia ryzyka kondensacji międzywarstwowej należy przeprowadzić obliczenia i analizy dla 12 miesięcy w roku z uwzględnieniem szczegółowych parametrów powietrza wewnętrznego pomieszczenia oraz otaczającego powietrza zewnętrznego według normy PN-EN ISO 13788:2003 [4].

Procedura obliczeniowa obejmuje następujące etapy:

• ustalenie parametrów technicznych materiałów występujących w przegrodzie:
  współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)],
  współczynnika oporu dyfuzyjnego materiału μ [-],
  dyfuzyjnie równoważnej warstwy powietrza sd =  μ · d [m],
  oporu cieplnego warstw przegrody R [(m²·K)/W] (jeśli opór cieplny warstwy przegrody przekracza wartość R  >  0,25 (m²·K)/W, należy podzielić taką warstwę na pojedyncze mniejsze, aby R  <  0,25 (m²·K)/W,
• przyjęcie warunków brzegowych powietrza wewnętrznego: temperatury powietrza wewnętrznego t_i [°C] w zależności od przeznaczenia pomieszczenia,
  oporu przejmowania ciepła R_si = 0,13 (m²·K)/W dla ram i oszkleń oraz R_si = 0,25 (m²·K)/W w pozostałych przypadkach,
  temperatury powietrza zewnętrznego t_e [°C] jako średnich miesięcznych temperatury dla danej lokalizacji budynku,
  oporu przejmowania ciepła R_se = 0,04 (m²·K)/W,
• określenie rozkładu temperatury na stykach warstw materiałowych analizowanej przegrody: t_si = t_i – U · Δ_t · R_si,

• określenie wartości ciśnienia pary wodnej nasyconej (p_sat.) na stykach warstw materiałowych (na podstawie określonych temperatur na stykach warstw materiałowych z zastosowaniem tablicy: „Ciśnienie cząstkowe pary wodnej nasyconej p_sat. w powietrzu w funkcji temperatury t”),
• określenie wartości rzeczywistego ciśnienia pary wodnej (p) po uwzględnieniu wilgotności powietrza wewnętrznego (określenie Δ_p w zależności od klasy wilgotności pomieszczenia i t_e) i wilgotności powietrza zewnętrznego w poszczególnych miesiącach,
• zestawienie wyników obliczeń dla poszczególnych miesięcy w roku na wykresie (przykładowy RYS. 2);
• ocena ryzyka występowania kondensacji międzywarstwowej na podstawie wykresów (p_sat.) i (p) – RYS. 3–5;

Przecięcie się wykresów (p_sat.) i (p) (w jednym lub dwóch punktach) wskazuje płaszczyznę, w której występuje ryzyko kondensacji międzywarstwowej. Szczegółowe obliczenia i analizy w tym zakresie zaprezentowano w pracach [2, 3, 5].

Podsumowanie i wnioski

Projektowanie elementów obudowy w aspekcie cieplno-wilgotnościowym sprowadza się do następujących zagadnień i parametrów fizykalnych:

• straty ciepła przez płaską przegrodę – współczynnik przenikania ciepła U [W/(m²·K)] w polu jednowymiarowym,
• straty ciepła przez złącza budowlane (mostki cieplne 2D) – liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)],
• ocena ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej (ryzyka występowania grzybów pleśniowych) – czynnik temperaturowy ƒ_Rsi [-],
• ocena ryzyka występowania kondensacji międzywarstwowej.

Należy podkreślić, że miarodajne określenie ww. zagadnień i parametrów fizykalnych wymaga znajomości m.in. współczynników przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] oraz oporu dyfuzyjnego μ [-]. Zasadne staje się publikowanie tablic z ww. parametrami, np. w pracach [2, 3, 5].

Literatura

1. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
2. A. Dylla, „Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych”, Wydawnictwa Uczelniane UTP w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2009.
3. A. Dylla, „Fizyka cieplna budowli w praktyce. Obliczenia cieplno­‑wilgotnościowe”, Wydawnictwo PWN, Warszawa 2015.
4. PN-EN ISO 13788:2003, „Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej umożliwiająca uniknięcie krytycznej wilgotności powierzchni wewnętrznej kondensacji. Metody obliczania”.
5. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych budynków o niskim zużyciu energii. Obliczenia fizykalne przegród zewnętrznych i ich złączy w świetle wymagań obowiązujących od 1 stycznia 2021 r.”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2021.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!