Budowa i projektowanie przegród energooszczędnych domów szkieletowych w kontekście fizyki budowli
Omówienie kilku podstawowych pojęć z fizyki budowli (wilgotność względna, opór dyfuzyjny, dyfuzja pary wodnej)
Wilgotność względna i bezwzględna
Wilgotność względna jest to stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej zawartej w powietrzu do ciśnienia pary nasyconej, tym samym jest to stosunek wilgotności bezwzględnej do wilgotności maksymalnej w danej temperaturze. Wilgotność bezwzględna, jest to zawartość pary wodnej w gramach na jednostkę objętości powietrza [g/m³]
Krzywa wilgotności powietrza.
Dyfuzja pary wodnej
Dyfuzja pary wodnej jest procesem wyrównywania cząstkowych ciśnień pary wodnej
pomiędzy dwoma środowiskami, które rozdziela przegroda. Przepływ pary wodnej
odbywa się od środowiska o wyższej koncentracji pary do środowiska o niższej
koncentracji. Para wodna zawsze przepływa w tym kierunku, gdzie powietrze jest
mniej wilgotne. W naszym klimacie w sezonie grzewczym przepływ pary wodnej
odbywa się w kierunku zewnętrznym.
Zgodnie z powyższymi zagadnieniami, aby uniemożliwić gromadzenie się
wilgoci w przegrodzie budynku, od wewnątrz należy stosować materiały o
wysokim oporze dyfuzyjnym, zachowując szczelność powietrzną, aby
maksymalnie utrudnić parze wodnej próbującej wydostać się z budynku drogę
do wnętrza przegrody, natomiast od zewnątrz budynku powinniśmy stosować
materiały o niskim oporze dyfuzyjnym, aby umożliwić wilgoci zgromadzonej w
przegrodzie wydostanie się na zewnątrz. Opór dyfuzyjny paroizolacji nie jest
nieskończenie wysoki, podobnie jak szczelność powietrzna budynku. Tak więc
w każdym wypadku należy zakładać, że pewna ilość wilgoci pochodzącej z
wnętrza budynku znajdzie się wewnątrz przegrody zewnętrznej.
Opór dyfuzyjny (sd, μ)
Miarą oporu dyfuzyjnego jest współczynnik µ, który określa w jakim stopniu dany
materiał jest paroprzepuszczalny. A dokładnie rzecz ujmując, określa ile razy opór
dyfuzyjny danego materiału jest większy od powietrza o takiej samej grubości jak ten
materiał. Na przykład współczynnik oporu dyfuzyjnego µ dla płyty gipsowo-kartonowej
wynosi 10. To znaczy, że jej opór dyfuzyjny jest dziesięciokrotnie większy niż opór
powietrza o takiej samej grubości, ponieważ µ powietrza wynosi 1. Dla płyty OSB
współczynnik oporu dyfuzyjnego µ wynosi 50, czyli płyta jest 50 razy mniej
przepuszczalna dla pary wodnej niż warstwa powietrza o tej samej grubości.
Współczynnik oporu dyfuzyjnego (Sd) to równoważna dyfuzyjnie grubość warstwy
powietrza stanowiącej opór dla pary wodnej. Sd wyrażone jest w metrach.
Sd pokazuje poziom paroprzepuszczalności materiału przez porównanie jego oporu dla
pary wodnej z oporem warstwy powietrza o odpowiedniej grubości. Przykładowo, jeśli
membrana paroprzepuszczalna ma sd=0,1m, to oznacza, że stawia ona opór parze
wodnej porównywalny z oporem jaki stawia warstwa powietrza o grubości 10 cm.
Cyt.przetłumaczony. – “Wiatroizolacja powinna mieć możliwie najniższy opór dyfuzyjny (wartość sd), nieprzekraczający 0,5 m. Wartość Sd warstwy materiału wskazuje, jak gruba musi być warstwa nieruchomego powietrza, aby miała taki sam opór dyfuzyjny, jak warstwa danego materiału.” Zapis ten dyskwalifikuje zastosowanie płyt OSB jak i styropianu jako warstw zewnętrznych przegrody. Dodatkowo, w Norwegii obowiązuje zapis o 10-krotnym stosunku oporu dyfuzyjnego warstw wewnętrznych do zewnętrznych. Wraz z zaleceniem odnośnie oporu dyfuzyjnego warstw zewnętrznych nieprzekraczającego 0,5m tworzy znakomitą całość. Podobny zapis odnośnie stosunku sd wewnętrznego do zewnętrznego znajduje się w normach niemieckich czy austriackich (10-krotny stosunek sd), jednak bez zapisu odnośnie maksymalnego oporu dyfuzyjnego warstw zewnętrznych ściany pozwala „przepychać” niepoprawne przekroje. Poniżej przykład:
Warstwy zewnętrzne przegrody: OSB 22mm + styropian 150mm. Od wewnątrz
paroizolacja o sd=150 m
Sd wewn. = 150m
Sd zewn. = 11,1m
Stosunek sd = 150/11,1 = 13,51 – norma niemiecka spełniona, norweska niespełniona
przez zbyt wysokie sd warstw zewnętrznych
Opieranie się na normach niemieckich może prowadzić do sytuacji kuriozalnych.
Zakładając wewnątrz budynku paroizolację o sd = 2000m (są takie produkty na rynku),
na zewnątrz budynku moglibyśmy zastosować zamiast membrany paroprzepuszczalnej paroizolację o sd=200m. Wg norweskich zaleceń taki przekrój ściany jest
niedopuszczalny.
SINTEF – norweski odpowiednik polskiego ITB. Norweskie normy i zalecenia
SINTEF (norweski: Stiftelsen for industriell og teknisk forskning), z siedzibą w Trondheim w Norwegii, jest niezależną organizacją badawczą założoną w 1950 r., która prowadzi projekty badawczo-rozwojowe na zlecenie. Na jego zaleceniach opierają się norweskie normy dla budownictwa. W odróżnieniu do Polski, w krajach skandynawskich (dużo bardziej rozwiniętych od Polski pod względem budownictwa szkieletowego), dla budownictwa szkieletowego obowiązują rygorystyczne normy odnośnie poprawności budowy przekrojów ścian oraz szczelności powietrznej budynków. Każdy wybudowany dom przed oddaniem do użytku powinien pomyślnie przejść test szczelności aby przeszedł odbiór. Zobowiązuje to firmy zajmujące się budową domów do wysokiej jakości wykonawstwa. Niestety, w Polsce nie istnieją takie obwarowania, co umożliwia wykonawcom wykonywanie budynków w karygodnie niskim standardzie, i budowę absolutnie niezgodną ze sztuką. Brak norm i wytycznych jest jednym z czynników wpływających na skrajnie niską jakość budynków szkieletowych w Polsce. SINTEF cyklicznie wydaje artykuły zebrane w wydawnictwo Byggforsk opisujące różne zagadnienia budowy domów. Poniżej przedstawiam zalecenie dotyczące oporu dyfuzyjnego warstw zewnętrznych przegrody domu szkieletowego:
W sezonie grzewczym wilgotność wewnątrz budynku zawsze jest wyższa niż na zewnątrz. Przyrządy pomiarowe mogą pokazywać wewnątrz budynku np. 40% wilgotności, a na zewnątrz 80% - należy pamiętać, iż jest to wilgotność względna i w budynku mamy o wiele więcej pary wodnej niż na zewnątrz. Ciśnienie pary wodnej, jak i temperatura będą zawsze dążyły do wyrównania. Więc zabezpieczamy przegrody przed ucieczką ciepła termoizolacją, np. wełną mineralną, i przed przenikaniem pary wodnej –
paroizolacją. A co w wypadku, jeśli mamy w budynku rekuperację? Przecież to urządzenie osusza powietrze w budynku i zabezpiecza przegrody przed parą wodną? – Tak, w pewnym stopniu. Ale nie osusza całkowicie powietrza w budynku, co byłoby z resztą niekomfortowe dla mieszkańców. Załóżmy, że zbija nam wilgotność powietrza do 40% - to i tak o wiele więcej wilgoci, niż jest na zewnątrz w sezonie grzewczym, i para wodna dalej będzie próbowała wydostać się na zewnątrz przez przegrody. Żadna paroizolacja w pełni nie zabezpieczy przegrody przed dostępem wilgoci, ponieważ żadna nie posiada nieskończenie wysokiego oporu dyfuzyjnego. Oczywiście należy stosować markowe produkty, pełny system z taśmami (niestety większość firm w kraju stosuje produkty półki marketowej), i dbać o maksymalną szczelność powietrzną budynku. Jednak nawet budynki przechodzące najbardziej rygorystyczne warunki szczelności (dla budynków pasywnych jest to 0,6 kubatury budynku migrującego powietrza z budynku przez nieszczelności paroizolacji i stolarki okiennej w przeciągu godziny, mój osobisty rekord szczelności, to 0,19) nie są absolutnie szczelne. Dlatego też kardynalną zasadą budownictwa szkieletowego powinno być stosowanie materiałów o dużym oporze dyfuzyjnym od wewnątrz budynku aby zabezpieczyć przegrodę przed wilgocią, a od zewnątrz stosować materiały o jak najniższym sd, aby umożliwić wilgoci, która dostała się do przegrody wydostanie się na zewnątrz budynku. W niepoprawnej przegrodzie wilgoć zatrzymuje się na poszyciu o wysokim oporze dyfuzyjnym (np. OSB), a temperatura przegrody w tym miejscu jest już niższa niż wewnątrz budynku, wilgotność rośnie a temperatura spada - więc powietrze staje się przesycone parą wodną, i pojawia się "mżawka". Zjawisko to można łatwo zaobserwować w naturze - wyciągając z lodówki butelkę piwa, obserwując szyby okien wysokiej jakości od zewnątrz budynku rano, bądź niskiej jakości, stare okna od wewnątrz. Wilgoć jest zabójcą ścian szkieletowych, działa destrukcyjnie zarówno na materiały termoizolacyjne jak i na samo drewno konstrukcyjne, które przy długotrwałym kontakcie z wilgocią ulega zagrzybieniu a w dłuższej perspektywie czasu, gnije.
Szczelność powietrzna, znaczenie rusztu instalacyjnego.
Szczelność powietrzna ma krytyczne znaczenie dla energooszczędności i trwałości domów. Wraz z ciepłym powietrzem przedostającym się do przegrody przez nieszczelności, przedostaje się również para wodna. Tak więc aby budynek był trwały i energooszczędny, powinniśmy mocno skupić się na tym zagadnieniu przy budowie domu. Badanie szczelności budynku wykonuje się w oparciu o europejską normę PN-EN 13829.Wynikiem badania jest krotność wymian powietrza tak zwany parametr n50 przy różnicy ciśnień 50Pa pomiędzy środowiskiem zewnętrznym a wewnętrznym w ciągu godziny. Do badania wykorzystuje się specjalistyczny sprzęt składający się z dwóch głównych urządzeń, czyli wentylatora oraz manometru. Wykonujemy podciśnienie i nadciśnienie, aby uzyskać średni wynik krotności powietrza.
Warunki Techniczne WT2021 określają graniczne wartości tej krotności dla różnych
rodzajów budynków lub instalacji w nim zastosowanych. Dla:
- wentylacji grawitacyjnej krotność wymian n50 < 3 [1/h]
- wentylacji mechanicznej lub klimatyzacji krotność wymian n50 < 1,5 [1/h]
- budynków niskoenergetycznych krotność wymian n50 < 1,0 [1/h]
- budynków pasywnych krotność wymian n50 < 0,6 [1/h]
Elementem budynku szkieletowego zapewniającym szczelność powietrzną jest paroizolacja. Należy zadbać o szczelne łączenie jej elementów, stosować wysokiej jakości taśmy do łączenia paroizolacji np. z elementami konstrukcji, stolarki okiennej, oraz stosować w budynku ruszt instalacyjny, który umożliwia przeprowadzenie znaczącej części elementów instalacyjnych budynku bez kolizji z paroizolacją. W przypadku braku rusztu instalacyjnego ogromna część elementów instalacyjnych (puszki, peszle, rury) koliduje z paroizolacja, co uniemożliwia osiągnięcie zadowalających wyników testów szczelności. Niestosowanie rusztów instalacyjnych świadczy o skrajnej niewiedzy i braku kultury wykonawczej firmy. W krajach
skandynawskich jest on obecny praktycznie w każdym budowanym domu. Niestety, na
polskich budowach wciąż jest on rzadkim obrazkiem.
Niestety jest to hasło zupełnie obce lwiej części wykonawców w Polsce, rozwiązanie jest bardziej pracochłonne niż wykonywanie termoizolacji najpopularniejszą w Polsce metodą lekką-mokrą, ale moim zdaniem jest to najdoskonalsze rozwiązanie wykończenia ścian zewnętrznych, wbrew stereotypom wcale niekoniecznie wiążące się z wykończeniem ścian drewnem, ponieważ elewację wentylowaną na domu szkieletowym można wykończyć w sposób dowolny: drewnem, tynkiem, blachą cortenowską, płytkami imitującymi cegłę, płytami dekoracyjnymi cementowo – włóknowymi – pełna dowolność.
Zasadniczą zaletą ścian wentylowanych jest doskonała paroprzepuszczalność od zewnętrznej strony budynku (pomijamy opór dyfuzyjny warstwy wykończeniowej), co w połączeniu z niezawodnym i szczelnym systemem paroizolacji od wewnątrz zdecydowanie przedłuża trwałość konstrukcji oraz eliminuje w ścianach warunki sprzyjające rozwojowi grzybów i pleśni, rozwiązanie to całkowicie deklasuje popularne w Polsce rozwiązania z poszyciem ściany z płyt o drewnopochodnych o dużym oporze dyfuzyjnym (OSB lub MFP), na które następnie montuje się wełnę fasadową lub w najbardziej karygodnej wersji styropian. Szczelina wentylacyjna powinna mieć swoją ciągłość od podwaliny aż po kalenicę budynku, tworząc tym samym świetnie działającą wentylację grawitacyjną tej przestrzeni, błyskawicznie usuwając z niej wilgoć pochodzącą zarówno z zewnątrz jak i z wewnątrz budynku. Kolejną zaletą takiego rozwiązania jest potrójna ochrona budynku od zewnątrz (warstwa wykończeniowa, membrana wiatroizolacyjna, paroprzepuszczalna konstrukcyjna płyta poszyciowa) – w razie uszkodzenia któregoś z tych elementów pozostałe dwa dalej będą spełniały swoją funkcję.
Przegroda wentylowana – najdoskonalsze rozwiązanie
dla budownictwa szkieletowego
Kolejną zaletą jest bardzo wysoka ochrona przed przegrzewaniem się budynków od strony zewnętrznej, gdyż nagrzana elewacja nie przekazuje temperatury bezpośrednio do kolejnych warstw przegrody – jest oddzielona warstwą ruchomego powietrza. Zdecydowanie poprawia to komfort termiczny w budynku latem.
W przypadku większości popularnych u nas rozwiązań już awaria zewnętrznej warstwy wykończeniowej ściany (wystarczy zwykłe wgniecenie, o które bardzo nietrudno przy elewacjach bazujących na styropianie lub wełnie fasadowej, bądź rozszczelnienie się warstwy tynku wskutek pęknięcia elewacji, szczególnie dotyczy to miejsc przy otworach okiennych i drzwiowych) powoduje zawilgocenie przegrody, penetrację ściany przez wodę opadową i kondensat. W przypadku elewacji wentylowanej, to nie zewnętrzna, najbardziej narażona na uszkodzenia warstwa zapewnia szczelność budynku od zewnątrz. Kolejną zaletą takich elewacji jest możliwość ich renowacji bądź całkowitej zmiany stylistyki i sposobu wykończenia bez konieczności wymiany termoizolacji budynku, jest to operacja całkowicie bezbolesna.
Elewacje wentylowane jednak nie cieszą się w Polsce dużą popularnością z kilku powodów: są bardziej pracochłonne, w przypadku ścian wentylowanych wykańczanych tynkiem warstwą bazową są dość kosztowne płyty cementowo-włóknowe (bardzo odporne na uderzenia, elewacje tynkowane oparte na tym materiale są nieporównywalnie mocniejsze niż systemy oparte na wełnie i styropianie), paroprzepuszczalne płyty konstrukcyjne również są droższe od OSB. Kolejną sprawą jest to, iż wykonywanie elewacji ze styropianem jest „naturalne” dla polskich fachowców, bezkrytycznie powielane, ponieważ robią tak wszyscy dookoła, fachowcy od elewacji „wychowali się” na budynkach murowanych. W Skandynawii elewacje wentylowane, to standard.
Poprawny układ warstw przegrody, wykres wilgotności względnej w przegrodzie
Poniżej porównanie dwóch rodzajów przegród w dwóch sytuacjach. W sytuacji zachowania szczelności powietrznej, oraz w miejscu nieciągłości paroizolacji, które każdorazowo występują w budynku. W przypadku zachowania szczelności powietrznej o nieskończenie wysokim poziomie, nic niepokojącego nie dzieje się w przegrodach.Jednak w miejscu występowania nieszczelności, sprawa wygląda już zgoła inaczej.Pozwoliłem sobie porównać dwa rodzaje przegród – ścianę wentylowaną oraz przegrodę z płytą OSB I styropianem na zewnątrz. Jak widzimy, przesuwając się wgłąb przegrody od strony wewnętrznej, wraz ze stopniowym spadkiem temperatury, wzrasta nam wilgotność względna. Napotykając po drodze materiał poszyciowy, osiągamy przesycenie powietrza parą wodną, następuje jej wykroplenie. Jeśli jest to materiał o wysokiej paroprzepuszczalności (w wypadku elewacji wentylowanej zastosowałem płytę gipsowo-włóknową), przegroda ma szansę wyschnąć w bardzo krótkim czasie dzięki zastosowaniu szczeliny wentylacyjnej od zewnątrz budynku. W przypadku płyty OSB, w przegrodzie tworzy nam się kolejna warstwa paroizolacji - płyta OSB ma wysoki współczynnik oporu dyfuzyjnego, co blokuje przepływ pary wodnej i powoduje powolną degradaję przegrody pod wpływem wilgoci. W najgorszym wypadku, kiedy to na płycie OSB pojawia się dodatkowo styropian, para wodna jest całkowicie pozbawiona możliwości wydostania się z przegrody przez jego wysoki opór dyfuzyjny. Problemowi próbowano zaradzić przez stosowanie styropianu ryflowanego – jednak należy pamiętać o tym, że jeżeli ryfle sa drożne na całej swojej długości, styropian przestaje pełnić funkcję termoizolacyjną,ponieważ powietrze o temperaturrze zewnętrznej ma kontakt z poszyciem pod styropianem. Styropian, to materiał, który nie powinien mieć w jakiejkolwiek formie zastosowania w budownictwie szkieletowym, niestety, przekroje ścian obarczone najwyższym ryzykiem wystąpienia w nich problemów stosowane są najczęściej przez firmy o bardzo niskiej kulturze wykonawczej – niestosujące rusztów instalacyjnych,stosujące paroizolacje o bardzo niskiej jakości, oraz nie wykonujące testów szczelności.
Niepoprawna budowa przegród i jej skutki
Poniżej kilka zdjeć wykonania przegrody “po polsku” – czyli nie zachowując jakichkolwiek standardów wykonawczych. Niestety, jest to bardzo częsty widok na rodzimych budowach. Dodatkowo znajdują się tu zdjęcia skutków niepoprawnej budowy przegród pochodzące z USA
Rejon działania: Śląsk, Małopolska, Dolny Śląsk, Opolszczyzna