Wpływ pokryć dachowych o wysokiej refleksyjności na zużycie energii w budynku

Rys. 1. Odczyt temperatury przed (178°F/81°C) oraz po (93°F/34°C) zastosowaniu jasnego pokrycia dachowego [11]

W ostatnich latach w Ameryce Północnej silnie rozwinął się rynek tzw. „chłodnych dachów” (z ang. Cool Roofs). Zagadnienie to zajmuje się zmniejszaniem zużycia energii budynku (głównie poprzez minimalizację zapotrzebowania na energię na potrzeby klimatyzacji) dzięki stosowaniu powłok o wysokim współczynniku odbicia słonecznego.

Kiedy dach jest chłodny?
Chłodne dachy oznaczają się wysoką refleksyjnością, co oznacza, że odbijają znaczną część padających promieni słonecznych i w ten sposób oddają energię z powrotem do atmosfery – tylko nieznaczna część promieniowania absorbowana jest jako energia cieplna [7]. Dzięki zmniejszeniu emisji ciepła do wnętrza budynku, zmniejszone zostaje obciążenie urządzeń chłodzących podczas ciepłych pór roku. Szacuje się, że  oszczędności energii używanej do chłodzenia powietrza, przy zwiększeniu współczynnika odbicia z istniejącego 0,10–0,20 do 0,60 mogą wynosić nawet 20% [1].

Materiały wykorzystywane do wykonywania pokryć dachowych charakteryzują dwie cechy fizyczne (rys. 2). Pierwsza to współczynnik odbicia promieniowania słonecznego (określany również jako refleksyjność lub albedo). Jest to stosunek sumy energii słonecznej padającej na dach do ilości energii przez dach odbitej. Druga cecha to emisja termiczna czyli zdolność do odprowadzania zaabsorbowanej energii cieplnej [7].  Definicję „chłodnego dachu” podała Cool Roof Rating Council (Rada ds. Klasyfikowania Chłodnych Dachów): jest to produkt, który charakteryzuje się współczynnikiem odbicia promieniowania słonecznego (albedo) co najmniej 0,70 oraz emisją termiczną minimum 0,75 [3].


 Rys. 2. Cechy definiujące chłodny dach wg [9]

Należy tu zaznaczyć, że określenie „dach chłodny” odnosi się nie do przegrody, a jedynie do materiałów zastosowanych jako wierzchnia powłoka.

Emisja gazów cieplarnianych do atmosfery
Obok oszczędności energii stosowanie chłodnych dachów wpływa również na obniżenie emisji do atmosfery takich gazów jak dwutlenek węgla (CO2). Energia słoneczna zaabsorbowana przez dach, oddawana jest w późniejszym okresie w postaci energii cieplnej. Jak podają Akbari, Menon i Rosenfeld [1], zastosowanie jasnych powłok dachowych, zwłaszcza na obszarze wielkich aglomeracji miejskich (w połączeniu z jasnymi powierzchniami ulic), pozwoliłoby zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych (w skali światowej) o 44 miliardy ton – chłodny dach na typowym nowym budynku o powierzchni 180 m2 pozwala zredukować emisję CO2 o ponad 103 kg/rok. Dodatkowo, stosowanie chłodnych dachów w aglomeracjach miejskich pozwoliłoby ograniczyć (a być może nawet zlikwidować) zjawisko tzw. „miejskich wysp gorąca”, polegające na wzroście średniej temperatury o 1 do 5°C w porównaniu z sąsiadującymi obszarami wiejskimi [7].


Fot. 3. Nakładanie powłoki aluminiowej [13]

Refleksyjność materiałów dachowych
Prawdopodobnie najpowszechniej stosowanym materiałem na pokrycia dachowe są dachówki. Ze względu na szeroki asortyment kolorystyczny charakteryzują się one zróżnicowanym albedo, od 0,18–0,20 do nawet 0,73–0,74, w przypadku białych dachówek cementowych [10]. Podkreślenia wymaga fakt, że pokrycia wykonane przy zastosowaniu dachówek zawierają zazwyczaj przestrzeń wentylowaną, co ułatwia wymianę ciepła.

Innym popularnym pokryciem dachowym są też gonty asfaltowe. Dlatego w prowadzonych w USA badaniach [10] dużo miejsca poświęcono sprawdzeniu ich właściwości pod kątem wpływu na nagrzewanie się pokrycia dachowego. Wykazano jednak, że pod tym względem gonty asfaltowe zachowują właściwości zbliżone do tradycyjnej papy dachowej, a więc współczynnik odbicia promieniowania słonecznego utrzymuję się na poziomie ok. 0,20. Również zastosowanie kolorowych gontów dachowych nie pozwala na uzyskanie parametrów, które uznać by można za zadowalające do wykonywania chłodnych dachów. Przy zastosowaniu gontów w kolorze białym odnotowano wzrost albedo nie większy niż o ok. 30%. Jako przyczynę powyższego należy postrzegać możliwość zastosowania ograniczonej ilości pigmentu, znaczną szorstkość powierzchni (która powoduje wielokrotne rozproszenie światła) oraz fakt, iż nie udało się jak do tej pory w sposób całkowity przekryć posypką warstwy asfaltowej.


Fot. 4. Chłodny dach metalowy [8]

W przypadku membran dachowych o ich właściwościach pod względem odbijania światła decyduje w znacznej mierze rodzaj materiału, jakiego użyto do wykonania membrany. Ciemne membrany wykonane z materiałów bitumicznych posiadają właściwości zbliżone do gontów asfaltowych. Z kolei wykonanie membrany z jasnych odmian polimerów takich jak np. EPDM pozwala na uzyskanie materiału o albedo rzędu 0,70 [10]. Wierzchnia warstwa membrany może zostać pokryta barwionym materiałem, co dodatkowo poprawi jej właściwości.

W celu nadania pokryciu dachowemu odpowiedniego koloru stosuje się dachowe powłoki malarskie. Ich receptura oparta jest najczęściej na transparentnym materiale bazowym (np. żywicy akrylowej) oraz odpowiednio dobranych barwnikach. Współczynnik odbicia powłok dachowych może kształtować się na poziomie 0,70–0,85 [10]. Oprócz koloru powłoki znaczącą rolę odgrywa ponadto stopień jej chropowatości. Białe powłoki o strukturze tynku (chropowate) charakteryzować się będą gorszymi parametrami niż gładkie powierzchnie o nieco ciemniejszej barwie (np. żółtej). Pokrycia z zastosowaniem powłok malarskich wymagają jednakże stosownej pielęgnacji oraz zapewnienia odpowiedniego odwodnienia powierzchni. Gromadzący się na powierzchni brud oraz porastające ją mchy lub algi mogą powodować obniżenie właściwości refleksyjnych pokrycia.

Specjalne powłoki malarskie z wprowadzonym wypełniaczem aluminiowym powstały dzięki połączeniu materiału o wysokim współczynniku odbicia z substancją charakteryzującą się lepszymi właściwościami pod względem przewodności cieplnej. Zastosowano zatem płatki aluminiowe zatapiane w emulsji asfaltowej. Płatki aluminiowe wypływają na powierzchnię wykonanej warstwy. Uzyskana w ten sposób powłoka chroni hydroizolację dachu przed promieniowaniem ultrafioletowym oraz zapewnia wysoki poziom odbicia promieniowania słonecznego. Szacuje się, że albedo pokrycia wzrasta z 0,04 (dla nieosłoniętych warstw asfaltowych) do nawet 0,50 [10].

Metalowe pokrycia dachowe wykonuje się najczęściej z aluminium, stali lub miedzi. Czyste aluminium odbija około 60% światła, lecz mimo tak dobrych parametrów materiał ten nie sprawdza się pod kątem zastosowania na chłodnych dachach. Stanowi on bowiem bardzo dobry przewodnik ciepła, co sprawia, że zaabsorbowana przez niego energia słoneczna bardzo szybko przenoszona jest na niższe warstwy dachu. Dlatego też w praktyce budowlanej stosuje się najczęściej barwione powłoki polimerowe, które w sposób znaczący podnoszą użyteczność dachów metalowych. Już cienka powłoka pozwala uzyskać współczynnik odbicia porównywalny ze znacznie grubszymi białymi powłokami naniesionymi na inne materiały dachowe [10].

Albedo typowych materiałów używanych do pokrywania dachów mieści się w zakresie od 0,10 do 0,25 – można zatem bezpiecznie założyć, że średnie albedo dla istniejących dachów nie przekracza 0,20 [1]. Zastosowanie białych gontów nie przyniosło spodziewanych rezultatów, z uwagi na fakt, że szybko ulegały one zabrudzeniu [12]. Najlepsze parametry uzyskują natomiast jasne membrany dachowe, białe powłoki malarskie (w tym aluminiowe) oraz dachy metalowe z jednoczesnym zastosowaniem cienkich powłok malarskich.

Temperatura przegrody dachowej
W laboratorium Instytutu Konstrukcji Budowlanych Politechniki Poznańskiej przeprowadzono badania porównawcze dostępnych na rynku polskim materiałów do wykonywania powłokowych pokryć dachowych [4]. Celem badań była weryfikacja tezy, że zastosowanie materiałów jasnych oraz zawierających płatki aluminiowe jako wierzchnią warstwę pokrycia dachowego może, poprzez zmniejszenie stopnia nagrzewania się dachu, spowodować obniżenie poziomu zużycia energii elektrycznej w budynku i przez to zredukować emisję dwutlenku węgla do atmosfery. Na podstawie analizy dostępnego na rynku polskim asortymentu powłok dachowych, zdecydowano się przeprowadzić badania z wykorzystaniem ośmiu dachowych powłok malarskich (tabela 1). Nanoszono je na próbkę wykonaną z płyty warstwowej (składającej się z rdzenia styropianowego i papy podkładowej), na której umocowano metodą zgrzewania papę asfaltową wierzchniego krycia. Dodatkowym celem badań było określenie potencjalnych właściwości produktów pod kątem ich zastosowania przy wykonywaniu chłodnego dachu. Badania nagrzewania się powłok dachowych prowadzono przy wykorzystaniu promiennika podczerwieni o mocy 1400 W, ustawionego w odległości 0,66 m od powierzchni badanej próbki.


Pomiar temperatury
Pomiarów temperatury dokonywano za pomocą termometrów umieszczonych na powierzchni próbki (termometr osłonięto przed bezpośrednią ekspozycją na promieniowanie), pod powierzchnią papy oraz pod warstwą izolacji termicznej. Pierwszy odczyt temperatury wykonywano po 15 minutach od momentu włączenia promiennika. Kolejne odczyty wykonywano co 5 minut do momentu upłynięcia godziny, a następnie co 15 minut aż do ustabilizowania się temperatury.

Wyraźne różnice temperatury poszczególnych powłok (rys. 5) zaobserwowano już przy pierwszym pomiarze. Po okresie początkowego wzrostu (ok. 30 minut) temperatura powłok wciąż rośnie, można jednak zaobserwować zbliżoną dynamikę wzrostu (z upływem czasu różnica temperatur pomiędzy poszczególnymi powłokami utrzymuje się na niemalże stałym poziomie).


Rys. 5. Materiały dachowe w świetle słonecznym [12]

Najwyższą temperaturę odnotowano w przypadku materiału w kolorze czarnym (tzw. lakieru do dachów), który pomimo znacznej gładkości powierzchni rozgrzał się do temperatury wyższej od próbki bez powłoki (papy wierzchniego krycia). Najniższą temperaturę odnotowano w przypadku materiałów z dodatkiem płatków aluminiowych.

W podobny sposób temperatura zmieniała się pod powierzchnią papy. Różnice temperatury na powierzchni powłoki i pod powierzchnią papy kształtowały się na poziomie od 10 do 20°C (średnia różnica wyniosła 15,79°C).

Po 135 minutach od momentu rozpoczęcia nagrzewania, w przypadku powłok zawierających płatki aluminiowe, na powierzchni powłoki odnotowano temperaturę o 19–26% niższą niż w przypadku papy wierzchniego krycia bez powłoki malarskiej. Analogicznie różnica temperatury pod powierzchnia papy wynosiła 28–42%. Różnica temperatury pomiędzy powłokami aluminiowymi a powłoką w kolorze czarnym sięga nawet 20°C.

Zastosowanie warstwy termoizolacyjnej w postaci polistyrenu ekspandowanego (styropianu) spowodowało, że temperatura pod warstwą polistyrenu, w odróżnieniu od temperatury na powierzchni powłoki, zmienia się w sposób liniowy (rys. 6). Przy warstwie styropianu grubości 5 cm, po krótkim okresie nagrzewania nie zaobserwowano pod termoizolacją różnic temperatury przekraczających 2°C.


Rys. 6. Temperatura na powierzchni powłoki


Rys. 7. Temperatura pod termoizolacją

Interpretacja wyników
Na wykresie (rys. 8) przedstawiono schematyczne widmo odbicia jasnej powłoki malarskiej, powłoki aluminiowej (dane zaczerpnięto z pracy Berdahl’a i Bretz’a [2]) a także uogólnione widmo światła słonecznego i prawdopodobne widmo zastosowanego źródła ciepła.


Rys. 8. Graficzna interpretacja wyników

Powłoki aluminiowe, które powodują znaczące obniżenie temperatury pokrycia dachowego, osiągają maksimum wartości współczynnika w przedziale widma światła podczerwonego, w którym prowadzono badania. Pozostałe materiały, w tym powłoki malarskie, posiadają wysoki współczynnik odbicia w zakresie światła widzialnego. Stąd celowe byłoby przeprowadzenie badań przy użyciu promieniowania o widmie podobnym do światła słonecznego lub też wykonać badania terenowe.

Podsumowanie
Problemy energetyczne związane z klimatyzacją budynków mają bardzo istotne znaczenie także w polskich warunkach klimatycznych. Rośnie ono wraz z postępującymi zmianami klimatu.

W warunkach meteorologicznych występujących w Polsce do zapewnienia odpowiedniego mikroklimatu wewnątrz budynku dąży się zazwyczaj stosując odpowiednio dobraną (pod względem grubości) oraz zabezpieczoną przed wilgocią warstwę termoizolacyjną [6]. O ile jednak znaczne oszczędności energii można osiągnąć szczególnie w przypadku klimatu ciepłego i gorącego, korzyści z zastosowania chłodnych dachów można również uzyskać w klimacie umiarkowanym, zwłaszcza w przypadku klimatyzowanych latem budynków o dużej powierzchni zabudowy. Oszczędności te mogą nawet przewyższać zyski ciepła uzyskiwane zimą [5].

Należy także zwrócić uwagę, iż zjawisko miejskich wysp gorąca dotyczy również aglomeracji umiejscowionych w strefach klimatu umiarkowanego. Stosowanie chłodnych dachów wpływa nie tylko na mikroklimat zewnętrzny budynku, ale pośrednio także na obniżenie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery [1]. Obniżenie temperatury dachu powoduje również przedłużenie żywotności materiałów hydroizolacyjnych. Oznacza to istotną redukcję kosztów związanych z okresową modernizacją pokrycia dachowego. Jest ono bowiem wyeksponowane na stałe oddziaływanie promieniowania ultrafioletowego (UV) i podczerwonego (IR),

Dachy chłodne jako rozwiązanie wspomagające oszczędność energii zostały włączone do odpowiednich programów rządowych w USA [7]. Nie oznacza to jednak, że technologia ta powinna być bezkrytycznie przeniesiona na grunt polski. Opisane powyżej badania ukazują, że warto przyjrzeć się temu, jakie korzyści może przynieść zastosowanie dachów chłodnych w nowo wznoszonych, jak również modernizowanych budynkach na terenie naszego kraju.

Literatura   
  [1] Akbari, H., Menon, S., Rosenfeld, A., Global cooling: increasing world-wide urban albedos to offset CO2, Cli-matic Change, DOI 10.1007/s10584-008-9515-9, 2008
  [2] Berdahl, P., Bretz, S.E., Preliminary survey of the solar reflectance of cool roofing materials, Energy and Buildings, Volume 25, Issue 2 (1997), 149–158
  [3] Bianchi, M., Miller, W. A., Desjarlais, A., Petrie, T., Cool Roofs and Thermal Insulation: Energy Savings and Peak Demand Reduction.” w: Thermal Performance of the Exterior Envelopes of Buildings X, proceedings of ASHRAE THERM X, Clearwater, FL, Dec. 2007
  [4] Monczyńska, M., Wpływ koloru wierzchniej warstwy pokrycia dachowego na nagrzewanie się oraz transport ciepła przez przegrodę, Praca dyplomowa pod kierownictwem Zielińskiego, K., Politechnika Poznańska, 2008
  [5] Novak, C. A., Van Mantem, S. What’s So Cool About Cool Roofs? (http://continuingeducation.construction.com/article.php?L=68&C=488)
  [6] Patoka, K, Dlaczego izolacja jest najważniejsza, Izolacje 2 (2009), 35
  [7] Van Tijen, M., Cohen, R., Dachy chłodne – sposób na obniżenie zużycia energii w budynkach, Izolacje 1 (2009), 44–45
  [8] Cool Metal Roofing (www.coolmetalroofing.org)
  [9] Cool Roof Rating Council (http://www.coolroofs.org/)
[10] Cool Roofing Materials Database (http://eetd.lbl.gov/coolroof)
[11] Cool Roofs (http://www.consumerenergycenter.org/coolroof/)
[12] Heat Island Group: Cool Roofs (http://eetd.lbl.gov/HeatIsland/CoolRoofs)
[13] www.gardner-gibson.com

dr hab. inż. Krzysztof Zieliński
mgr inż. Małgorzata Monczyńska
mgr inż. Bartłomiej Monczyński