Co z tą dyfuzją, cz. 2

Rys. 1. Wykres pokazujący mechanizm powstawania skroplin pary wodnej zawartej w powietrzu na przykładzie występującego w dachach spadku temperatur powietrza o przyjętych parametrach wyjściowych (temperatury i wilgotności) opisanych w tekście

W okresach o wzmożonej wilgotności powietrza w dachach budowanych budynków codziennie występują znaczne spadki temperatur, będące przyczyną pojawiania się skroplin na wszystkich cienkich materiałach dachowych. Najczęściej można je obejrzeć pod pokryciami blaszanymi i na membranach wstępnego krycia na jeszcze nie ocieplonych dachach. Membrany są cienkie, a ich temperatura jest bliższa powietrzu zewnętrznemu niż wewnętrznemu. Dlatego na ich wewnętrznej powierzchni para wodna zamienia się w wodę w skali zależnej od różnicy temperatur i wilgotności powietrza. Proces ten zachodzi niezależnie od paroprzepuszczalności tych materiałów. Po prostu para wodna zamienia się w skropliny, zanim przepłynie przez membranę.

Mechanizm powstawania skroplin
Każdy z nas styka się często ze zjawiskiem skraplania się pary wodnej w najbliższym otoczeniu: w postaci rosy na trawie lub na szybach samochodów, a najczęściej na łazienkowych lustrach w czasie kąpieli. Niewielka różnica temperatur między lustrem a powietrzem w łazience powoduje powstanie na nim mgiełki kondensatu. Lustro jest chłodniejsze, bo rozgrzewa się wolniej niż powietrze zawierające dużą ilość pary, która osadza się na wszystkich chłodnych przedmiotach.

Identyczne procesy zachodzą niezauważalnie w dachach budynków. Z jedną zasadniczą różnicą: skropliny na trawie, szybie samochodowej czy na lustrze odparują samoistnie z powodu ruchów powietrza, natomiast w dachach pozostają i trzeba się postarać, aby z niego wyszły.
Powstawanie skroplin wynika z cech powietrza, które jest mieszaniną gazów, w tym pary wodnej. Przy czym powietrze może pomieścić tym więcej pary wodnej, im ma wyższą temperaturę. W każdej temperaturze powietrze może maksymalnie zawierać określoną (znaną) ilość pary wodnej. Na przykład: w powietrzu o objętości 1 m3 w temperaturze 20°C może znajdować się maksymalnie 17,3 g wody w postaci pary, ale w 22°C już 19,4 g (tabela 1). „Maksymalnie” oznacza stan 100% wilgotności względnej.

Podane wyżej ilości odpowiadają stanowi powietrza, w którym jest ono maksymalnie nasycone parą wodną. Jeżeli powietrze o pewnej temperaturze zawiera mniej pary wodnej, to jego wilgotność można określić jako procentowy stosunek realnej zawartości pary do maksymalnej ilości, jaka może się w nim zmieścić w tej temperaturze. Ta proporcja wyrażona w procentach definiuje wilgotność nazywaną wilgotnością względną (oznaczaną często symbolem „RH”).

Stan maksymalnej zawartości pary w powietrzu nazywany jest 100-procentową wilgotnością względną powietrza lub stanem nasycenia parą wodną. Bezwzględna ilość pary zawarta w powietrzu zależy od temperatury powietrza i jest tym większa, im wyższa jest jego temperatura.

Wykres z rys. 1 pokazuje te zależności na kolejnych krzywych odpowiadających stanom powietrza o różnym nasyceniu parą wodną (skoki co 10%). Wartości procentowe oznaczają stopień wilgotność względnej. Krzywa leżąca najwyżej na wykresie (oznaczona liczbą 100%) nazywana jest krzywą nasycenia.

Proces skraplania zachodzi wtedy, gdy powietrze o określonej i stałej zawartości pary wodnej (w g/m³) zostanie dość szybko ochłodzone. W trakcie ochładzania stała ilość pary będzie stanowiła coraz większy procent maksymalnej ilości pary, jaka może się zmieścić w powietrzu, dopóki temperatura nie spadnie do poziomu, w którym ta ilość będzie stanowiła 100% pojemności powietrza.

Przykład z okresu jesiennego. Powietrze na poddaszu budynku w budowie ma temperaturę ok. 14°C (w punkcie A na rys. 1) i wilgotność względną ok. 80%. To oznacza, że w 1 m3 powietrza jest ok. 9,4 g pary wodnej. W trakcie nocy powietrze na poddaszu ochładza się, bo schładza się dach. Nad ranem pod membraną powietrze osiąga 0°C, bo dach nie jest jeszcze ocieplony. Parametry powietrza na wykresie określa punkt C. W trakcie ochładzania się powietrza ilość pary wodnej zawartej w nim jest stała i wynosi ok. 9,4 g/m3. Schładzanie przebiega bez żadnych efektów, dopóki powietrze nie osiągnie parametrów określonych dla punktu B, w którym jego nasycenie parą osiągnie wartość maksymalną (100%).

Na odcinku AB na wykresie z rys. 1 temperatura powietrza obniża się z wartości A (14°C) do wartości B (10°C) i w trakcie schładzania przechodzi stopniowo w stan coraz wyższej wilgotności względnej. W punkcie B, po ochłodzeniu, zawierając wciąż tę samą ilość pary, powietrze dochodzi do 100-procentowej wilgotności względnej. Przy dalszym ochładzaniu z powietrza z omawianej ilości pary musi się oddzielić taka jej porcja, aby to, co pozostanie mogło się w tym powietrzu zmieścić. Proces ten pokazuje czerwona strzałka na rys. 1.

Spadek temperatury (strzałka żółta) 1 m³ powietrza z 10°C do 0°C (punkt C) oznacza konieczność wytrącenia się ok. 4,5 g pary wodnej. Wynika to z różnicy maksymalnej zawartości pary wodnej w powietrzu o tych temperaturach (tab. 1).

Nominalna ilość wytrąconej wody (skropliny) z 1 m³ powietrza jest mała (4,6 g). Jednak powierzchnię schłodzonej membrany stale owiewa przepływające na poddaszu powietrze, gdyż po ochłodzeniu i oddaniu pary wodnej opada ono, wypychając ku górze cieplejsze (i bardziej wilgotne) powietrze napływające z wnętrza. Ciepłe powietrze jest lżejsze od zimnego. Ten ciągły ruch jest również wspomagany przez wymianę powietrza z atmosferą.

W ten sposób wokół membrany na poddaszu przepływa dziennie bardzo dużo powietrza, które schładza się (rys. 2). Wytrącona z niego wilgoć osadza się na spodzie membrany w ilościach zależnych od różnicy temperatur, wilgotności i ilości powietrza. O możliwościach ilościowych tego procesu można się przekonać mnożąc ilość przepływającego powietrza (rys. 2) przez wyliczoną wyżej wagę skroplin: 5000 m³ × 9,4 g/m³ = 47000 g czyli 47 kg w ciągu doby. Oczywiście tylko pewna część tej wilgoci osadzi się na dachu, ponieważ reszta odpłynie razem z wymieniającym się powietrzem. Ale nawet niewielka część może spowodować powstanie kałuż na poddaszu.

Rys. 2. Schemat ilustrujący zjawiska skutkujące powstawaniem skroplin w dachu. Wentylacja pomieszczeń i różne otwory w budynku powodują stałą dobowa wymianę powietrza na poziomie 15–20-krotności kubatury budynku

Punkt rosy (temperatura punktu rosy)
Jest to temperatura, w której przy danym składzie gazu lub mieszaniny gazów i ustalonym ciśnieniu może rozpocząć się proces skraplania gazu lub wybranego składnika mieszaniny gazu. W przypadku pary wodnej w powietrzu jest to temperatura, w której para wodna zawarta w powietrzu staje się nasycona (przy zastanym składzie i ciśnieniu powietrza), a poniżej tej temperatury staje się przesycona i skrapla się. Inaczej: jest to temperatura krytyczna, w której powietrze w czasie ochładzania przy danym ciśnieniu pary wodnej staje się nią nasycone, a przy dalszym ochładzaniu dochodzi do skraplania się pary wodnej w postaci kropelek wody tworzących różne formy.

Całość przedstawionych wyżej wyliczeń jest tylko szacunkiem opartym na przykładowym spadku temperatur, lecz w realiach zdarzają się często i większe spadki. Generalnie chodzi o to, że proces powstawania skroplin polega na stałym wytrącaniu się kondensatu z ogromnej ilości przepływającego powietrza, nawet gdy z jego jednostki objętościowej wykrapla się niewielka ilość pary wodnej.

W ten sposób skropliny powstają również na deskowaniu przykrytym papą. Z tą różnicą, że na deskach nie widać skroplin, gdyż są pochłaniane przez drewno. Oznacza to istotne niebezpieczeństwo: na deskowaniu nie widać skroplin i nie można łatwo ocenić stopnia zawilgocenia dachu (fot. 2). Bardzo często mocno zawilgocone deski są zamykane układaną na styk z nimi termoizolacją i paraizolacją, co mieszkańcy zauważają dopiero po pewnym czasie (kilku miesięcy lub kilku lat), gdy skutki zawilgocenia objawiają się już pleśnią, grzybami (fot.  1) lub uszkodzeniami konstrukcji dachu.

Fot. 1. Dach w budowie, tymczasowo pokryty deskami z papą. Okap od wewnątrz – widać styropian ułożony na elewacji. Brak wentylacji poddasza (dachu) spowodował, że wilgoć technologiczna weszła w deski i umożliwiła egzystencję pleśniom

Fot. 2. Dach w budowie pokryty papą na deskowaniu i dachówką. Widać jętki i zawilgocone deski, a na nich grzyby. Deski były zakażone i dlatego pojawił się na nich szybko grzyb. Gdyby nie grzyby, właściciel nie zauważyłby zawilgocenia konstrukcji i poszycia swojego dachu

Punkt rosy
Warto jednak zauważyć, że para wodna stale przepływa przez wiele wbudowanych materiałów i nie jest to dla nich groźne – pod warunkiem, że para się w nich nie skropli (fot. 3). Niebezpieczeństwo zależy od skali procesu kondensacji i rodzaju materiału. W dachach zagrożenie jest wysokie, bo przez długi okres roku rozdzielają one ośrodki o bardzo dużej różnicy temperatur. Praktycznie, w dachach nie da się uniknąć powstawania skroplin (rys. 3). Trzeba je więc budować tak, aby ilość skroplin była mała, a miejsce ich powstawania było dla dachu bezpieczne. Z tego powodu we współczesnych dachach stosowane są różne materiały osłonowo-uszczelniające, w dachach pochyłych są to membrany i paroizolacje. Przy ich prawidłowym użyciu z termoizolacji i konstrukcji dachu więcej pary wodnej wyjdzie, niż się skropli w procesie stałego przechodzenia przez dach.

Fot. 3. Dach ukończony, ale maksymalnie zawilgocony. Cała wełna jest mokra, na MWK widać szron. Po włączeniu ogrzewania sufity poddasza zostały obficie zalane skroplinami. Był to skutek popełnienia kilku błędów – w tym braku wentylacji nad MWK

Jeżeli para wodna przechodząca przez dach skropli się w nim, to dla jego działania ważne jest, gdzie do tego dojdzie: czy na deskowaniu (fot. 1 i 2), czy na membranie wstępnego krycia, czy w termoizolacji (fot. 3). Pojawienie się skroplin w termoizolacji oznacza spadek własności termoizolacyjnych dachu i wzrost strat ciepła przez dach (rys. 4). Dotyczy to szczególnie wełny mineralnej – najpopularniejszego rodzaju termoizolacji. Popularność ta wynika z kilku przyczyn, ale najważniejszą z nich jest przenikalność tego materiału dla pary wodnej (przyjmuje się, że opór dyfuzyjny wełny ? = 1). Ta cecha jest jednocześnie zaletą i wadą. Jest zaletą, gdy dach jest dobrze zbudowany i zabezpieczony przed kondensacją pary, a wadą, gdy wełna jest źle osłonięta i dach gromadzi skropliny.

Najlepszą i sprawdzoną metodą usuwania wilgoci z dachów jest ich wentylowanie. Jednak nawet w najlepiej wentylowanym dachu musi być zachowany odpowiedni układ materiałów, który zapewni odpowiednie przepływy pary wodnej napływającej z wnętrza budynku.

Z powodu sezonowej zmienności temperatury i wilgotności powietrza po obu stronach dachu ważne jest, aby w skali roku z dachu mogło wyjść więcej pary wodnej niż do niego przenika. O tym w dużej mierze decyduje miejsce i czas powstawania skroplin w dachu (rys. 3). Skraplanie się pary wodnej przechodzącej przez dach następuje po przekroczeniu temperatury punktu rosy (czyt. ramka).

Rys. 3. Miejsce powstawania skroplin decyduje o tym, czy dach będzie je gromadził, czy się ich sprawnie pozbywał. Procesy wilgotnościowo-cieplne w dachu zależą od wielu zmiennych czynników, co skutkuje przemieszczaniem się punktu rosy w jego wnętrzu

Wiadomo, że w zimnych okresach roku oraz w nocy zewnętrzna strona dachu jest zimniejsza od wewnętrznej i dlatego skropliny najczęściej powstają po zewnętrznej stronie przegrody dachowej. Czyli punkt rosy najczęściej występuje pod pokryciem lub pod warstwą wstępnego krycia.

W wentylowanych dachach pochyłych warunkiem prawidłowego działania dachu jest występowanie punktu rosy tylko w tych miejscach, które gwarantują transport skroplin i pary wodnej poza dach. Takim miejscem jest szczelina wentylacyjna (rys. 3).

Jednak warunki atmosferyczne powodują dużą zmienność usytuowania punktu rosy – w naszej strefie klimatycznej niemożliwe jest jego stałe usytuowanie w obrębie szczeliny wentylacyjnej. Z tego powodu tak dużą popularność zdobyły wysokoparoprzepuszczalne membrany wstępnego krycia (MWK). Dzięki ich własnościom skropliny powstałe w termoizolacji w czasie (zimą lub w nocy), gdy punkt rosy znajdował się pod nimi, mogą wskutek działania szczeliny wentylacyjnej po odparowaniu przejść poza MWK i dach.

Procesy te można dobrze zobrazować na przekroju dachu właśnie za pomocą przemieszczającego się punktu rosy. Gdyby warunki atmosferyczne (małe spadki temperatur i wahania wilgotności) pozwoliły na przemieszczanie się punktu rosy wokół pokrycia zasadniczego, ale nad warstwą wstępnego krycia, to taki dach nigdy by się nie zawilgocił (na rys. 3 strefa „zmiany idealne”). W naszym klimacie zmiany warunków powodują, że punkt rosy przemieszcza się również w strefie sięgającej pod warstwę wstępną (na rys. 3 strefa „zmiany realne”).

Rys. 4. W miarę wzrostu zawilgocenia wszystkie materiały tracą własności termoizolacyjne – wzrasta ich przewodność cieplna. Woda dobrze przewodzi ciepło na różne sposoby. Dla materiałów termoizolacyjnych jest to ważna cecha, którą trzeba uwzględnić przy ich wbudowywaniu

Niestety wiele dachów jest wykonanych z błędami, które powodują, że punkt rosy przez cały rok występuje wyłącznie poniżej warstwy wstępnego krycia (na rys. 3 strefa „zmiany fatalne”). Skutkuje to stałym gromadzeniem się pary wodnej w termoizolacji i konstrukcji dachu.

Rodzaj i ilość błędów decydują o skali zgromadzonych skroplin. Najtrudniejszym momentem dla każdego dachu jest okres wysychania budynków, w którym wilgoć technologiczna pochodząca z mokrych technologii budowlanych wychodzi przez dach. Wtedy może dojść do sytuacji, w której wilgoć zgromadzona w wełnie mineralnej na początku budowy powoduje tak dużą stratę jej podstawowych funkcji izolacyjnych, że niewielkie spadki temperatur powodują natychmiastowe powstawanie skroplin. Ich gromadzenie się jest najintensywniejsze, gdy skropliny zamarzną (fot. 3), ponieważ szron i lód są najlepszą barierą dla pary wodnej.

Dyfuzja pary wodnej
Jak widać z tych podstawowych rozważań, o dyfuzyjności czyli procesach przechodzenia pary wodnej przez dach decyduje bardzo wiele czynników i materiałów. Dopiero odpowiedni dobór materiałów i przemyślana konstrukcja dachu mogą poradzić sobie z złożonością procesów wilgotnościowo-cieplnych zachodzących w dachach (ale o tym w trzeciej części artykułu).

Bibliografia:
1. Praca zbiorowa pod kierunkiem Piotra Klemma, Budownictwo ogólne – fizyka budowli, Arkady 2007
2. Jerzy A. Pogorzelski, Fizyka budowli, część X. Wartości obliczeniowe właściwości fizycznych, Materiały Budowlane 3/2005
3. www.imgw.pl
4. Krzysztof Patoka, Wentylacja dachów i stropodachów, Medium, Warszawa 2010


Krzysztof Patoka
Artykuł powstał na prośbę Polskiej Federacji Dekarzy Blacharzy i Cieśli

Zdjęcia:
fot. 1 – autor , fot. 2 – Piotr Grudzień, fot. 3 – Zbigniew Buczek;
Rysunki:
autor – rys. 1 na podstawie mat. firmy Gullfiber, rys. 3 na podstawie [1]