Powietrze jako źródło zawilgocenia budynków – kondensacja oraz sorpcja

***

W artykule autor porusza kwestię źródeł zawilgocenia ścian. Szczegółowo omawia zjawiska kondensacji i sorpcji. Opisuje kondensację zimową i letnią.

Air as a source of moisture in buildings – condensation and sorption 

In the article, the author addresses the issue of sources of wall dampness. He discusses in detail the phenomena of condensation and soption. He describes winter and summer condensation.

***

W takich przypadkach często jako przyczynę zawilgocenia wskazuje się wilgoć podciąganą kapilarnie, gdy w rzeczywistości główną przyczyną powstawania wilgoci w starych budynkach (w porównaniu z budynkami wznoszonymi obecnie, izolowanymi termicznie oraz projektowanymi zgodnie ze współcześnie znanymi zasadami fizyki budowli) są zróżnicowane warunki higrotermiczne (cieplno-wilgotnościowe) [2].

W praktyce na wilgotność powietrza w pomieszczeniu istotny wpływ mają właściwości sorpcyjne substancji, z którymi powietrze się styka. Sorpcja jest zjawiskiem kompleksowym, polegającym na zdolności wchłaniania przez materiały porowate pary wodnej zawartej w powietrzu. Obejmuje ona dwa, trudne do rozgraniczenia procesy fizyczne [3, 4] (RYS. 1):

• adsorpcję, czyli zjawisko powierzchniowe występujące na granicy dwóch faz (pary wodnej i ciała stałego), polegające na wiązaniu cząstek pary na powierzchni porów materiału, będące wynikiem działania sił kohezji (spójności) – sił van der Waalsa,
• absorpcję, czyli przenikanie pary wodnej w głąb struktury materiału.

Przebieg zjawiska sorpcji związany jest z jednej strony ze strukturą materiału porowatego, a drugiej zaś z wilgotnością względną powietrza, czyli prężnością pary wodnej.

Wyróżnia się trzy etapy przebiegu sorpcji, którym odpowiadają adekwatne przedziały wilgotności względnej (RYS. 2):

• I etap to pochłanianie wilgoci – głównie w wyniku powierzchniowej adsorpcji (początkowo w monomolekularnej warstwie cząsteczek wody na powierzchni przegrody i porów w głębi jej struktury) – oraz początek jej transportu w głąb materiału, zachodzące przy wilgotności względnej ok 15–20%,
• II etap, w którym wilgoć w porach materiału przekształca się w warstewkę polimolekularną oraz następuje dalszy transport wilgoci, zachodzi w zakresie wilgotności względnej ok. 20–80%,
• III etap związany jest z jakościową zmianą przebiegu zjawiska – przy wilgotności względnej ok. 80–100% obok sorpcji odbywa się równolegle kapilarna kondensacja wilgoci, co prowadzi do wypełnienia mikrokapilar wodą swobodną, utrzymywaną w materiale siłami kapilarnymi (różnymi od sił van der Waalsa.

Zobacz też: Woda i jej obecność w strukturze materiałów budowlanych

Kondensacja kapilarna zachodzi przy wilgotności względnej powietrza zawartego w porach niższej niż wilgotność nasycenia w otaczającym materiał powietrzu. Wartość względnej wilgotności powietrza wypełniającego pory, przy której zachodzi kondensacja kapilarna, określa równanie Kelvina [7, 8]:

gdzie:

φ – wilgotność względna powietrza [–],

σ – napięcie powierzchniowe [N/m],

ρ – gęstość cieczy [kg/m3],

RV – stała gazowa pary wodnej [J/(kg∙K)],

T – temperatura [K],

r – promień wewnętrzny kapilary [m],

γ – kąt zwilżania [°].

Z równania powyższego wynika, że mikropory zapełniają się wodą przy wilgotności względnej poniżej 60%, mezopory przy wilgotności względnej niższej niż 100%, natomiast makropory przy pełnym nasyceniu powietrza parą wodną [6].

Przy wilgotności względnej wynoszącej 100% (pełne nasycenie powietrza) materiał osiąga pełne nasycenie sorpcyjne, które zazwyczaj jest dużo niższe niż nasiąkliwość maksymalna wynikające z długotrwałego zanurzenia w wodzie [3, 4].

Na wykresach sorpcji poszczególnych materiałów najważniejsze są trzy charakterystyczne punkty, pozwalające zbudować krzywą [3, 4] (RYS. 2):

• u₈₀, czyli zawartość wilgoci przy wilgotności względnej powietrza 80% – wartość umownie kończąca II etap sorpcji,
• u_f, czyli stan swobodnego nasycenia, odpowiadający wilgotności względnej 100%,
• maksymalna zawartość wilgoci w materiale umax, charakterystyczna dla danej porowatości materiału.

Obok kondensacji kapilarnej, w porach materiału może wystąpić kondensacja objętościowa. Jest to zjawisko polegające na skraplaniu się (RYS. 3) pary wodnej zawartej w powietrzu, występujące, gdy powietrze zetknie się z powierzchnią o temperaturze niższej niż temperatura punktu rosy, czyli temperatury, w której, na skutek schładzania, para wodna zawarta w powietrzu osiąga stan nasycenia, a poniżej której staje się przesycona i skrapla się (FOT.). Wartość temperatury punktu rosy uzależniona zatem jest od wilgotności względnej oraz temperatury powietrza w porach materiału (RYS. 4) [4, 6]. Powierzchniowa kondensacja pary wodnej dotyczy zazwyczaj tzw. miejsc krytycznych, takich jak narożniki, złącza, styki i węgarki, w których ciągłość przegrody została naruszona przez mostki termiczne [3].

W ocenie warunków zawilgocenia budynków, szczególnie zabytkowych, istotne znaczenie mają dwa podstawowe parametry: wilgotność powietrza oraz higroskopijna wilgotność materiałów porowatych (do których zazwyczaj zaliczają się standardowo wykorzystywane – obecnie i w przeszłości – materiały budowlane). Ilość pary wodnej, jaką może wchłonąć powietrze, zależy od jego temperatury, a tzw. wilgotność higroskopijna materiałów budowlanych (związana z adsorpcją pary wodnej z powietrza) zależy od wilgotności względnej powietrza. Wartości tych dwóch parametrów w tych samych warunkach różnią się od siebie o rzędy wielkości (RYS. 5, RYS. 6). Podczas gdy w powietrzu w temperaturze 20°C i 50% wilgotności względnej rzeczywista zawartość pary wodnej wynosi ok. 8 g/m3, wilgotność objętościowa piaskowca wyniesie ok. 2%, co się przekłada na zawartość pary wodnej w ilości ok. 20 kg/m³ (20 000 g/m³). 

Ta różnica dotyczy jednak warunków stacjonarnych, tj. takich, gdy w materiale budowlanym ustaliła się stała zawartość wilgoci sorpcyjnej dla danej wilgotności powietrza (wilgotność równowagowa), co jednak rzadko zdarza się to w warunkach rzeczywistych. W przypadku zmiany warunków cieplno-wilgotnościowych stosunkowo swobodnie poruszające się cząsteczki pary wodnej mogą szybko i równomiernie rozprzestrzeniać się w całej dostępnej objętości powietrza. Natomiast w porach materiału budowlanego kompensacji przeciwdziała typowy dla danego materiału opór dyfuzyjny.

Jeśli temperatura powierzchni przegrody budowlanej jest równa lub niższa od temperatury punktu rosy otaczającego powietrza, na tej powierzchni dochodzi do kondensacji pary wodnej zawartej w powietrzu. Jeśli jednak temperatura powierzchni jest wyższa niż temperatura punktu rosy powietrza, nadmiar wilgoci z materiału może zostać uwolniony do powietrza. Procesy te są dobrze poznane, choć niewiele uwagi poświęca się powiązanym z nimi efektom energetycznym. Kondensacja jest procesem egzotermicznym – w czasie, gdy zachodzi przejście wody z fazy gazowej do ciekłej, wydziela się ciepło. W sytuacji odwróconej – tj. podczas parowania, które z kolei jest procesem endotermicznym – ciepło należy dostarczyć (RYS. 7). Jeżeli wymagania energetyczne nie zostaną spełnione, procesy parowania i kondensacji mogą zostać ograniczone lub wręcz zablokowane.

Jeśli zatem z zewnątrz nie zostanie dostarczane ciepło niezbędne do parowania, powierzchnia ulega przechłodzeniu, aż do osiągnięcia punktu rosy powietrza (zatrzymania parowania). Z kolei gdy powierzchnia pokryta rosą jest podgrzewana przez ciepło utajone uwalniane przez parę wodną, po osiągnięciu temperatury punktu rosy kondensacja zanika. Warto zatem zwrócić uwagę, że informacje dotyczące jedynie warunków termicznych (temperatura powierzchni oraz temperatura punktu rosy) mogą być niewystarczające do przeprowadzenia prawidłowej oceny.

Im większa różnica między temperaturą punktu rosy a temperaturą powierzchni, tym większa jest ilość wilgoci lub energii, która może zostać przetworzona. W budynkach zabytkowych kondensacja jest nieco „łatwiejsza” niż parowanie, które wymaga ukierunkowanego dostarczania ciepła. Warunki fizyczne mają zatem kluczowe znaczenie dla warunków wilgotnościowych w tego typu obiektach.

We przeszłości głównym czynnikiem branym pod uwagę przez budowniczych była statyka budynku. Izolacyjność termiczna przegród zewnętrznych (w kontekście ogrzewania oraz klimatu wewnętrznego) była sprawą drugorzędną. W trakcie wznoszenia budynków reprezentacyjnych w większości wykonywano solidne mury o znacznej grubości, które tym samym posiadały (i do dziś posiadają) wysoką zdolność magazynowania ciepła.

W budynkach nieogrzewanych, takich jak kościoły, klimat wewnętrzny zimą oraz latem w oczywisty sposób zależy od klimatu zewnętrznego, przy czym nie tylko od temperatury powietrza na zewnątrz, ale również (a nawet w znacznym stopniu) od ilości światła słonecznego. Ściany zewnętrzne wystawione na działanie promieni słonecznych nagrzewają się, a następnie emitują energię cieplną do przestrzeni wewnętrznej. W zależności od pojemności cieplnej całego budynku, średnia temperatura powietrza w jego wnętrzu w dłuższej perspektywie pozostaje – z uwzględnieniem przesunięcia fazowego – powiązana z temperaturą powietrza na zewnątrz (RYS. 8). Zyski ciepła wynikające z promieniowania słonecznego przenikającego przez przegrody przezroczyste (okna) są natomiast znikome z uwagi na fakt, że zazwyczaj wykonywano okna o niewielkiej powierzchni z pojedynczymi przeszkleniami. W przypadku tymczasowego, przerywanego ogrzewania (np. tylko na czas niedzielnych nabożeństw) ogrzewanie następuje szybciej, niemniej również jest ono uzależnione od zdolności konstrukcji budynku do magazynowania ciepła (jego pojemności cieplnej).

W obu przypadkach, tj. zarówno w budynkach nieogrzewanych, jak i ogrzewanych okresowo, wzrost temperatury powietrza w pomieszczeniu powoduje spadek jego wilgotności względnej, co z kolei rozpoczyna proces desorpcji pary wodnej z muru do powietrza wewnętrznego. To natomiast skutkuje wzrostem wilgotności bezwzględnej w pomieszczeniu. Po zakończeniu ogrzewania wartość temperatury powietrza w pomieszczeniu zaczyna maleć, co zwiększa jego wilgotność względną i powoduje absorpcję, czyli „powrotną” migrację wilgoci z powietrza w pomieszczeniu do muru.

Nieco inaczej sytuacja wygląda w przypadku ścian wewnętrznych. O ile temperatura powierzchni ściany zewnętrznej w warunkach klimatu zimowego jest stale niższa od temperatury powietrza w pomieszczeniu, to temperatura powierzchni ścian wewnętrznych jest niższa niż temperatura jedynie podczas procesu ogrzewania – w fazie chłodzenia oddają one ciepło do powietrza wewnątrz budynku.

Tak jak zdolność magazynowania ciepła równoważy temperaturę, tak sorpcja pary wodnej równoważy wilgotność względną powietrza – powstaje różnica między obliczonym przebiegiem wykresu wilgotności względnej przy założeniu stałej wilgotności bezwzględnej, a jego zmierzonym przebiegiem (RYS. 9). W miarę nagrzewania się powietrza w pomieszczeniu jego wilgotność względna maleje. Powoduje to, w wyniku desorpcji pary wodnej, uwalnianie wilgoci z powierzchni przegród budowlanych do powietrza w pomieszczeniu. W związku z tym pojawia się różnica pomiędzy obliczonym przebiegiem wilgotności względnej (przy założeniu stałej wilgotności bezwzględnej) a przebiegiem zmierzonym. W kolejnej fazie ogrzewania absorpcja rozpoczyna się ponownie, co oznacza, że krzywa ogólnej wilgotności względnej staje się bardziej zrównoważona (efekt buforujący poprzez sorpcję).

W przypadku budynków niewyposażonych w instalacje grzewcze w okresie wiosenno-letnim następuje ich (długoterminowe) nagrzewanie, a w okresie jesienno-zimowym (również długoterminowe) schładzanie. To wiąże się z wyżej wymienionymi skutkami ryzyka kondensacji i możliwością wysuszenia. W budynkach tymczasowo ogrzewanych procesy długotrwałe są przyćmione przez okresy nagrzewania i wychładzania. Pomiędzy budynkami nieogrzewanymi a budynkami ogrzewanymi okresowo (lub tylko chwilowo) występują zatem jedynie różnice ilościowe, przy czym różnice te stają się one tym większe, im częściej lub intensywniej budynki są ogrzewane.

Jak wyjaśniono powyżej, kondensacja powierzchniowa zachodzi, gdy temperatura otaczającego powietrza spada poniżej temperatury punktu rosy. Najczęściej ma to miejsce w nieogrzewanych lub słabo ogrzewanych budynkach, w sytuacji gdy do pomieszczenia napływa ciepłe, wilgotne powietrze zewnętrzne. Proces ten intensyfikuje się dwa razy do roku, stąd przyjęło się stosować dwa terminy: „kondensacja letnia” w odniesieniu do procesu, który jest powodowany cieplejszym klimatem zewnętrznym oraz „kondensacja zimowa” w sytuacji, gdy skraplanie pary wodnej powodowane jest wyłącznie warunkami klimatycznymi w pomieszczeniu.

Kondensacja zimowa

Podczas ogrzewania zewnętrznych ścian konstrukcji masywnych, tj. ścian lub obszarów ścian, które magazynują ciepło, należy spodziewać się znacznego rozrzutu wartości temperatury powierzchni (powierzchnie ścian skierowane na południe będą na przykład cieplejsze niż ściany północne). Należy przy tym zwrócić uwagę, że wolne powierzchnie ścian nagrzewają się szybciej niż narożniki, gdzie współczynnik przenikania ciepła jest niższy, lecz masa konstrukcji wyższa. Powierzchnie, które nagrzewają się szybciej, uwalniają wilgoć poprzez desorpcję, która z kolei może powodować kondensację w chłodniejszych narożnikach (FOT.). Przy każdym nagrzaniu konstrukcji następuje redystrybucja wilgoci z dużych powierzchni ścian do narożników oraz innych mostków termicznych lub też obszarów o zmniejszonej konwekcji ciepła (RYS. 10).

Dolne obszary ścian przylegających do gruntu (szczególnie te skierowane na północ), są zwykle najzimniejsze, ponieważ kontakt z podłożem gruntowym powoduje dodatkowe straty ciepła. Obok zwiększonego ryzyka kondensacji znacząco ogranicza do „zdolność” muru do wysychania. Często oznacza to, że dolne obszary ścian przyziemia (szczególnie w narożach budynku) pozostają trwale zawilgocone. Zawilgocenie to – podlegające co najwyżej pewnym wahaniom sezonowym – sprzyja powstawaniu porażeń biologicznych i tworzeniu się zapachu stęchlizny. Spowodowana procesami cieplno-wilgotnościowymi „rosnąca w dół wilgotność kondensacyjna” częstokroć błędnie intepretowana jest jako wilgoć kapilarnie podciągana z gruntu.

Ryzyko kondensacji zimowej jest znacząco niższe w przypadku budynków stale ogrzewanych oraz stosowania ogrzewania stacjonarnego jako ogrzewania podstawowego w połączeniu z chwilowym zwiększaniem intensywności ogrzewania, ponieważ temperatura powierzchni takich pomieszczeń jest ogólnie wyższa.

W przypadku kondensacji zimowej zasadniczy problem polega na tym, że wiele starych budynków nie nadaje się do ogrzewania w sposób, do którego jesteśmy przyzwyczajeni dzisiaj. Najlepszym rozwiązaniem jest dodatkowe docieplenie ścian od zewnątrz lub od wewnątrz. W przypadku kościołów i innych budynków reprezentacyjnych nie można sobie jednak na to pozwolić. W takich przypadkach zbyt niską temperaturę powierzchni w zimie należy kompensować poprzez ogrzewanie krytycznych obszarów (takich jak mostki termiczne). Proces ten należy prowadzić w taki sposób, aby temperatura powierzchni była jak najbardziej ujednolicona na całej powierzchni, oraz tak, aby ewentualna kondensacja była rozłożona na jak największym obszarze (nie występowała w postaci skupionej w wybranych miejscach, co w konsekwencji prowadziłoby do gromadzenie się tam wilgoci). Można to uzyskać na przykład za pomocą ogrzewania podłogowego zasilanego ciepłą wodą o niskiej temperaturze (około 30°C) lub podtynkowych przewodów grzejnych.

Kondensacja letnia

Duża bezwładność cieplna (zdolność magazynowania ciepła) nieogrzewanych lub ogrzewanych okresowo budynków zabytkowych oznacza, że na wiosnę w murach nadal utrzymuje się „zimowy chłód”. Z kolei późną jesienią w takich budynkach w środku jest zwykle cieplej niż na zewnątrz. Próba doprowadzenia do takich pomieszczeń większej ilości ciepła z zewnątrz poprzez wentylację wiosną jest niezwykle problematyczna – do wnętrza napływa nie tylko ciepło, ale także znaczna ilość wilgoci (wynikająca z wyższej bezwzględnej wilgotności powietrza zewnętrznego), która może prowadzić do kondensacji pary na przechłodzonych powierzchniach ścian.

Warunkiem uniknięcia szkód spowodowanych wilgocią w wyniku kondensacji w lecie jest odpowiednia wentylacja. Oznacza to, że wymianę powietrza należy intensyfikować tylko wtedy, gdy bezwzględna wilgotność powietrza na zewnątrz jest niższa od bezwzględnej wilgotności powietrza w pomieszczeniu, tj. tak, aby powietrze wtłaczane do budynku było nie tylko cieplejsze, ale również bardziej suche. W takiej sytuacji zaleca się jednak stosowanie wentylacji sterowanej automatycznie na podstawie pomiarów warunków klimatycznych (organizm ludzki nie wykształcił wystarczające „wrażliwości” na wilgotność powietrza). Opcjonalnie można używać czujników klimatu zewnętrznego i wewnętrznego, które w połączeniu z systemem analizującym pozwolą na decyzję o zastosowaniu wentylacji „ręcznej” lub uruchomieniu systemu wentylacji mechanicznej. Co do zasady można jedynie stwierdzić, że nie powinno się wietrzyć przy ciepłej i wilgotnej pogodzie, lecz raczej przy pogodzie chłodnej lub w nocy (przy czym regułę taką można stosować jedynie w przypadku mniej istotnych obiektów lub pomieszczeń).

W przeciwieństwie do jednorazowych zabiegów konserwatorskich, takich jak tynki renowacyjne, system kontrolowanej wentylacji należy traktować jako zabezpieczenie obiektu, wymagające stałego nadzoru i okresowego monitoringu. Należy także zadbać o to, aby system nadal spełniał swoją rolę, nawet w przypadku zmiany personelu (np. proboszcza parafii).

Literatura

1. Rouba B.J., „Pielęgnacja świątyni i innych zabytków. Książka nie tylko dla księży”, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń 2014.
2. Künzel H., „Bauphysik und Denkmalpflege“, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2009.
3. Dylla A., „Fizyka cieplna budowli w praktyce – obliczenia cieplno-wilgotnościowe”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.
4. Kaliszuk-Wietecka A., „Budownictwo zrównoważone: wybrane zagadnienia z fizyki budowli”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2017.
5. Oswald R., „Grundlagen der Bauwerksabdichtung,” [w:] Venzmer H. (red.), „Feuchte und Altbausanierung. 20. Hanseatische Sanierungstage vom 5. bis 7. November 2009 im Ostseebad Heringsdorf/Usedom“, Beuth Verlag GmbH, Berlin · Wien · Zürich 2009, 95–116.
6. Kubik J., Wyrwał J., „Podstawy fizyki materiałów budowlanych,” [w:] Klemm P. (red.), „Budownictwo ogólne. Tom 2. Fizyka budowli”, Arkady, Warszawa 2005, 9–52.
7. Kubik J., Kucharczyk A., „Przepływy wilgoci w zasolonej ceramice budowlanej,” Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Budownictwo i Inżynieria Środowiska, vol. z. 59, no. 3/12/III, 2012, 33–38.
8. Strumiłło C., „Podstawy teorii i techniki suszenia”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1975.
9. Pełech A., „Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.