Relacje termiczne na dachu płaskim

Rys. 1. Urządzenie do pomiaru temperatury. Zdjęcie po lewej pokazuje powierzchnie testowe w różnych kolorach. Zdjęcie po prawej przedstawia czujnik drabinkowy do pomiarów stratyfikacji termicznej pomiędzy ścianami attyki

Niektóre wyniki uzyskiwane za pośrednictwem narzędzia symulacji cieplno-wilgotnościowej uwzględniają zjawisko zastoin zimnego powietrza na dachu. Dalsze obliczenia wykonano, aby pokazać wpływ barwy hydroizolacji na zachowanie typowych konstrukcji dachów płaskich.

Podstawy. Nocne wychłodzenie
Naziemne obiekty i niektóre gazy w atmosferze stale emitują promieniowanie długofalowe. To termiczne promieniowanie może osiągnąć moc nawet kilkuset watów na metr kwadratowy, w zależności od temperatury powierzchni emitującej. Intensywność promieniowania atmosferycznego mocno zależy też od aktualnego natężenia zachmurzenia.

W szerokościach geograficznych o umiarkowanym klimacie typowe wartości promieniowania emitowanego przez bezchmurne niebo wynoszą od ok. 180 W/m² (zimne, suche powietrze) do ok. 400 W/m² (gorące, wilgotne powietrze).

Obiekty budowlane pochłaniają promieniowanie długofalowe emitowane przez inne obiekty, ale równocześnie same je emitują i pozostają w ciągłej wymianie promieniowania z otoczeniem. W ciągu dnia te straty ciepła nie są zauważalne, bo są kompensowane dzięki promieniowaniu słonecznemu, jednak nocą słońce nie świeci, co zazwyczaj prowadzi do wychłodzenia powierzchni poniżej temperatury otoczenia. Wychłodzenie to może sprawić, że różnica między temperaturą obiektu a temperaturą otoczenia może sięgać od ok. 5 do 10°C (a nawet i więcej!). Z tak znacznego spadku temperatury może wynikać wytrącanie się rosy i rozwój mchu i pleśni.

Zastoiny zimnego powietrza
Typowy dach płaski jest otoczony attyką. Ogniomury zamykają przestrzeń dachu i zapobiegają wypływaniu zimnego, ciężkiego powietrza.

Wskutek promieniowania długofalowego i oddziaływania z wyższymi warstwami powietrza nagromadzone między attykami zimne powietrze schładza się poniżej temperatury otoczenia.

Ponadto attyka redukuje wpływ wiatru, przez co zmniejsza się naturalna konwekcja. Pomiary pokazują, że temperatura w obrębie obszaru ograniczonego ogniomurami jest wyraźnie niższa niż na dachach płaskich bez attyk.

Przedstawione w artykule dane zostały zarejestrowane na dachu płaskim o rozmiarach 19 m × 6 m. Z dużym prawdopodobieństwem można jednak przypuszczać, że takie same zjawiska będą zachodzić również na dachach o większej powierzchni, w zależności od ruchów powietrza powodowanych wiatrem.

Pomiary
Na polu testowym w Holzkirchen wybudowano kilka różnych konstrukcji dachowych. Przez kilka lat badano je pod kątem cieplno-wilgotnościowym.

Ważnym źródłem danych była stacja  meteorologiczna, gdzie oprócz zwykłych pomiarów temperatury, wilgotności względnej i prędkości wiatru mierzone były specjalne wartości promieniowania rozproszonego takie jak: promieniowanie słoneczne, promieniowanie w kierunku zachodnim, promieniowanie licznika atmosferycznego i temperatury poziomych i pionowych czarno-białych powierzchni.

Na powierzchni jednego z dachów zainstalowano nowe urządzenie umożliwiające pomiary techniczne (rys. 1, zdjęcie z lewej). Na zdjęciu z prawej strony widać czujnik drabinkowy do pomiaru temperatury w pobliżu dachu na różnych wysokościach.

Obydwa obszary badawcze zawierają cztery pola pomiarowe w różnych kolorach – czarnym, białym, szarym, srebrnym. Badane obszary zostały odizolowane i oddzielone od dachu przez wentylowaną szczelinę powietrzną w celu zagwarantowania, że nie będą wpływać na konstrukcję położoną poniżej. Jeden obszarów testowych jest podniesiony do poziomu górnych krawędzi ogniomurów, żeby uniknąć wpływu ścian attyki na badany obszar. Drugi z kolei leży nisko, schowany za ogniomurami.

Tabela 1 przedstawia wielkość absorpcji fal krótkich przez różne powierzchnie. Współczynnik emisji długofalowej ustalono na ok. 0,9. Jego dokładna wielkość zostanie określona po testach końcowych.

Konfiguracja testowa jest od tyłu osłonięta attyką o wysokości ok. 40 cm. Czujnik drabinkowy na zdjęciu po prawej mierzy temperaturę 11,5 cm poniżej powierzchni testowej (a więc na poziomie powierzchni dachu) i dodatkowo na wysokościach 0, 10, 20, 30 i 40 cm (gdzie 0 cm oznacza poziom górnej powierzchni konstrukcji testowej).

Ochłodzenia powierzchni w porze nocnej przedstawiają wykresy na rys. 2. Grubsza, czarna linia oznacza temperaturę powietrze mierzoną dwa metry nad ziemią, w stacji meteorologicznej w pobliżu instalacji. Inne linie pokazują temperaturę powierzchni o różnych kolorach.

Rys. 2. Temperatury powierzchni: czarnej, szarej, srebrnej  i białej, w konstrukcji wolnostojącej i osłoniętej attyką

Badając przebieg temperatury przez 5 dni można zobaczyć ochłodzenie poniżej temperatury otoczenia w nocy.

Kolor powierzchni nie ma wpływu na jej wychładzanie się nocą. Istotna jest za to emisja fal długich. Natomiast kolor powierzchni ma znaczenie dla nagrzewania się powierzchni w ciągu dnia (dokładniej mówiąc, istotna jest absorpcja promieniowania krótkofalowego).

Prawy wykres pokazuje temperaturę powierzchni testowej otoczonej ścianami attyki (jest to powierzchnia leżąca z tyłu, widoczna na zdjęciu z lewej na rys. 1). Przebieg temperatur na obu wykresach jest podobny dla obu powierzchni testowych – z wyjątkiem maksymalnej i minimalnej temperatury. Dla przykładu, 15 października o 4 rano różnica między temperaturą otoczenia a temperaturą powierzchni wynosiła 9°C (powierzchnia badanej konstrukcji wyziębiła się do –8,4°C). Potwierdza to wcześniejsze pomiary, gdy temperatura powierzchni spadła o 10 stopni w porównaniu do temperatury otoczenia mierzonej na tym samym dachu, ale bez użycia konstrukcji testowych.

Rys. 3 pokazuje temperatury zmierzone w tym samym czasie przez czujnik drabinkowy (fot. 1, zdjęcie po prawej). Rankiem 15 października można zauważyć gradient temperatury między swobodnie krążącym powietrzem a temperaturą powierzchni osłoniętej ogniomurami. Poziom 0 cm na wykresie nie oznacza poziomu powierzchni dachu, lecz poziom powierzchni niższej konstrukcji testowej – czujnik leży 11,5 cm ponad płaszczyzną dachu.

Rys. 3. Temperatury zmierzone na różnych wysokościach ponad powierzchnią dachu w strefie chronionej przez ściany attyki

Obliczenia
Celem badań jest opracowanie bardziej szczegółowych modeli symulacji krótkotrwałych warunków pogodowych na powierzchniach dachów płaskich i włączenie ich do narzędzi symulacyjnych. Przeprowadzone pomiary zostały potwierdzone przez modele dachów.

Rys. 5. Efekt izolacyjny warstwy śniegu na dachu płaskim

Współczynnik przenikania ciepła Zastoiny zimnego powietrza
Nie zbadano jeszcze zachowania powietrza, które nie może wydostać się przez otaczające ściany. Istnieje kilka możliwości włączenia parametru odizolowanych warstw powietrza do modelu stosowanego do obliczeń. Jedną z takich możliwości jest symulacja poprzez dostosowanie współczynnika przenikania ciepła jako absorpcji i emisji promieniowania.

Inną możliwością jest uznanie nagromadzonego chłodu za jedną z warstw powietrza, które izolują powierzchnię dachu od otoczenia. Badania wciąż trwają.

Śnieg i wiatr
Wolnostojące powierzchnie, takie jak omawiane tu dachy płaskie, posiadają dużą powierzchnię kontaktu z wiatrem.

Obliczenia dla wiatru zależą od współczynnika przenikania ciepła wykorzystywanego w bieżącej wersji oprogramowania, opracowanej dla pionowych konstrukcji. Ten model wykorzystuje jedynie stałe parametry i wydaje się nie być wystarczająco dokładny do przeprowadzenia precyzyjnych obliczeń dla krótkoterminowych zmian temperatur powierzchniowych.

Śnieg trudno jest uwzględnić w narzędziach symulacyjnych, ponieważ ma postać grubej warstwy zależnej od specyfiki badanej powierzchni – kąta, wiatru, konstrukcji (attyka).

Warstwa śniegu staje się warstwą izolacyjną, która utrzymuje temperaturę powierzchni na stałym poziomie ok. 0°C.

Grubość warstwy nie jest przy tym tak bardzo istotna, efekt ten można zaobserwować nawet przy bardzo cienkiej warstwie śniegu. Gdy śniegu jest mało, występuje przezierność, więc może wystąpić nieznaczny wzrost absorpcji promieniowania słonecznego, co prowadzi do topnienia śniegu. Uwzględnienie śniegu w symulacji cieplno-wilgotnościowej nie byłoby bardzo skomplikowane. Wystarczyłoby jedynie ustalenie temperatury i współczynnika przenikania ciepła na poziomie zerowym, gdy śnieg leży na powierzchni. Problemem jest jednak dostępność danych o okresach śnieżnych. W większości wypadków nie mierzy się tej wartości i nie jest ona uwzględniana w danych klimatycznych.

Jeśli warstwy śniegu nie weźmie się pod uwagę, ryzykuje się niedoszacowanie temperatury panującej na powierzchni. To z kolei powoduje przeważnie, że wyniki obliczeń nie wypadają korzystnie. Jeśli średnie temperatury są wyższe niż temperatura śniegu w danym okresie, temperatura jest bardziej umiarkowana niż temperatura otoczenia. To może prowadzić do gromadzenia się mniejszej niż przewidywana ilości wody kondensacyjnej.

Badania skraplania się wody
Dla określenia skraplania się wody na typowych powierzchniach dachów płaskich została wybrana konstrukcja o następującej strukturze: płyta warstwowa, paroizolacja o współczynniku s_d = 20 m,
ocieplenie z wełny mineralnej grubości 20 cm, płyta OSB i hydroizolacja z papy bitumicznej.
Całość została zasymulowana dla czterech różnych lokalizacji.

Zbierane co godzinę dane klimatyczne z tych lokalizacji zostały użyte jako warunki brzegowe. Tab. 2 pokazuje minimalne, średnie i maksymalne temperatury. Badane i użyte warunki są zgodne z [WTA-Guideline 2004]. W ciągu roku temperatura zmienia się między 20 a 22°C, natomiast względna wilgotność powietrza wynosi od 40 do 60%. Obliczenia prowadzono przez 3 lata począwszy od października.

Rys. 6 pokazuje zawartość wody w procentach masowych w masie płyty OSB (lewy wykres) i całkowitą zawartość wody w konstrukcji (prawy wykres). 

Rys. 6. Zawartość wody w płycie OSB i w całej konstrukcji, obliczona dla dwóch kolorów powierzchni i różnych lokalizacji klimatycznych

W Helsinkach zimy są raczej zimne, latem natomiast występują umiarkowane temperatury.

W tym klimacie, w opisanej konstrukcji zawartość wody będzie rosła – zarówno w warstwie OSB, jak i ogólnie (czarne linie). W tej lokalizacji kolor powierzchni ma niski wpływ na cieplno-wilgotnościowe relacje w konstrukcji.

Na wykresie dla dachu z ciemną membraną z Holzkirchen widać, że zawartość wilgoci w OSB wynosi pomiędzy 12 a 19% masowych (czerwona ciągła linia) i nie wzrasta na przestrzeni analizowanych lat. Całkowita zawartość wody maleje. To pokazuje, że dach ma wystarczający potencjał wysychania. Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę dach z jasną powierzchnią, wyniki ulegają zmianie. W OSB zbiera się woda (czerwona przerywana linia). Temperatury konstrukcji w ciągu letnich dni są zbyt niskie. Całkowita zawartość wody na przestrzeni obserwowanych trzech lat wzrasta. Konstrukcja nie ma możliwości wysychania. Płyta OSB już pierwszej zimy osiągnęła krytyczny poziom wilgoci.

Konstrukcja w Kopenhadze pokazuje takie samo zachowanie (niebieskie linia). Analogicznie do obliczeń klimatycznych dla Holzkirchen, ciemny kolor powierzchni sprawia, że temperatura jest na tyle wysoka, że dach wysycha latem. Zawartość wody w warstwie OSB oscyluje między ok. 13% latem i ok. 19% w zimie. Poziom całkowitej zawartości wody i tu znowu spada. Taka konstrukcja może więc być bez ograniczeń budowana w lokalizacjach o podobnym klimacie. Z drugiej strony konstrukcje z jasną hydroizolacją oznaczają problemy z wilgocią. Zawartość wody w OSB przekracza granicę 20% już podczas pierwszej zimy. Całkowita zawartość wody stale wzrasta. Taka struktura może więc stracić przydatność po kilku latach – tylko wskutek tego, że zamiast ciemnej zastosowano jasną hydroizolację.

Konstrukcja w klimacie Dubaju nie sprawia żadnych problemów. Zawartość wody (zielony wykres) pozostaje wciąż na bardzo niskim poziomie.

Podsumowanie i wnioski
Zaprezentowane w opracowaniu pomiary i konfiguracje testowe zostały pokazane z uwzględnieniem temperatury na dachach płaskich. Pomiary wyjaśniają efekt wychłodzenia, powodowany promieniowaniem długofalowym i uwzględniają nagromadzenie wilgoci na powierzchniach otoczonych ścianami attyki. Temperatury powierzchni ograniczonych ogniomurami są jeszcze niższe niż temperatury na powierzchniach nieosłoniętych. Podczas pomiarów odnotowano temperaturę powierzchni nawet o 10 stopni niższą niż otaczające ją powietrze. Określono współczynnik przenikania ciepła dla nieosłoniętych dachów płaskich, lecz z pominięciem czynnika wiatru.

Badania wykazały, że w umiarkowanych strefach klimatycznych w konstrukcjach z jasnymi powierzchniami dochodzi do gromadzenia się wody zarówno w pojedynczych warstwach, jak i całej konstrukcji. W takich lokalizacjach jasna powierzchnia nie nagrzewa się mocno w ciągu dnia, a nocą jej temperatura spada poniżej temperatury otoczenia. W takich warunkach konstrukcja nie może wyschnąć. W regionach gorących kolor nie ma znaczącego wpływu na relacje cieplno-wilgotnościowych w dachu. W regionach bardzo zimnych konstrukcja z jasną powierzchnią ulegnie zniszczeniu.

dr inż. Hartwig M. Künzel
mgr inż. Christian Bludau
mgr inż. Daniel Zirkelbach

Autorzy są pracownikami naukowymi
Instytutu Fizyki Budowli
im. Fraunhofera.
Tematem ich zainteresowań
są zjawiska cieplno-wilgotnościowe
w budownictwie