Dyfuzyjne i efuzyjne membrany wstępnego krycia stosowane na dachach skośnych i poddaszach
Diffusion and effusion initial coating membranes used on sloping roofs and attics
Wybierając MWK, należy zwrócić uwagę przede wszystkim na ich paroprzepuszczalność, fot. mdm®NT
Na łamach miesięcznika „IZOLACJE” pisaliśmy już od dawna o wysoko paroprzepuszczalnych membranach wstępnego krycia (określanych jako MWK) jako o nowoczesnych materiałach, które zmieniły sposób budowania dachów, przyczyniając się do wzrostu energooszczędności całego budynku.
|
O czym przeczytasz w artykule?
|
W artykule przedstawiono zakres stosowania wysoko paroprzepuszczalnych membran wstępnego krycia (określanych jako MWK). Opisano zjawiska dyfuzji i efuzji. Podano najważniejsze definicje związane z MWK, a także różne nazewnictwo i sposoby wyliczania paroprzepuszczalności. Diffusion and effusion initial coating membranes used on sloping roofs and attics The article presents a range of highly vapor-permeable membranes of initial covering (referred to as MWK) and the phenomena of diffusion and effusion. The most important definitions related to MWK, as well as various nomenclature and methods of calculating vapor permeability are given. |
Dla przypomnienia: membrany typu MWK uszczelniają pokrycia zasadnicze dachów pochyłych i jednocześnie pozwalają wyprowadzić wilgoć napływającą z wnętrza dachu do atmosfery. Stanowią warstwę osłaniającą termoizolację i konstrukcję dachów. Jednak zawsze trzeba pamiętać, że MWK stanowią jeden z elementów systemu osłony. Drugim materiałem osłonowym współdziałającym z MWK są paroizolacje, które ograniczają ilość pary wodnej docierającej do termoizolacji i konstrukcji dachu.
Celem stosowania obu materiałów jest ograniczenie do minimum ilości skroplin (wilgoci) gromadzących się w dachu. Ten optymalny układ materiałowy działa dwojako, zwiększając energooszczędność i trwałość dachu oraz podnosząc komfort mieszkańców budynku.
Z 30-letnich doświadczeń stosowania membran typu MWK w Polsce jasno wynika, że wybierając MWK należy zwrócić uwagę przede wszystkim na ich paroprzepuszczalność. Ta cecha decyduje bowiem o ich skuteczności działania, ponieważ para wodna napływa z wnętrza budynku przez cały rok, a może wyjść na zewnątrz tylko wtedy, kiedy zaistnieją ku temu odpowiednie warunki – głównie odpowiednio wysoka temperatura wokół nich.
Na poddaszach dopływ pary z wnętrza budynku trwa stale, ponieważ temperatura i wilgotność powietrza przez cały rok są w pomieszczeniach te same (z niewielkimi zmianami). Natomiast dla strony zewnętrznej okresy, w których możliwy jest przepływ pary wodnej, są znacznie krótsze.
W Polsce ciągle zmienia się temperatura i wilgotność, co powoduje, że para wodna nie zawsze może przejść przez membranę. Z powodu zmienności temperatur zewnętrznych para skrapla się w termoizolacji i wtedy jej po prostu nie ma.
Skropliny mogą opuścić termoizolację dopiero gdy zamienią się w parę wodną. Dlatego im większą paroprzepuszczalnością charakteryzuje się membrana, tym większe są szanse, aby w tych krótkotrwałych okresach panowania odpowiedniej temperatury przepływ pary wodnej był intensywny. Im mniejsza paroprzepuszczalność, tym dłużej wilgoć (skropliny) przebywają w dachu.
Oczywisty związek paroprzepuszczalności membran z energooszczędnością spowodował, że w laboratoriach naukowców i producentów od dawna trwały i nadal trwają prace zmierzające do zwiększenia tego parametru. Dzięki temu powstały nowe odmiany MWK, które mają wbudowane warstwy funkcyjne z nowo opracowanych materiałów o zwiększonej dyfuzyjności (większej paroprzepuszczalności).
Wprowadzane obecnie materiały należą do termoplastycznych tworzyw sztucznych, których dyfuzyjność opiera się na przekazywaniu pary wodnej wzdłuż ich cząsteczek, co ułatwia i przyspiesza ten proces. Dzięki temu, nawet przy niewielkiej różnicy ciśnienia pary (zależnego od temperatury) para wodna przechodzi przez nie, co zwiększa intensywność tego procesu i skuteczność działania MWK.
Pojawienie się tych nowości wymaga lepszego wyjaśnienia sposobu przekazywania pary wodnej przez wszystkie obecne na rynku MWK. Konieczność ta wynika z pewnych uzasadnionych uproszczeń stosowanych w normach i innych dokumentach opisujących parametry MWK.
Zjawiska dyfuzji i efuzji
Specyfika tych uproszczeń wynika z częstego używania w opisach słowa „dyfuzja”. Jest ono w wielu sformułowaniach: materiały dyfuzyjne, dyfuzyjność, równoważna dyfuzyjnie grubość powietrza ( Sd ) itp., a to spowodowało, że w środowiskach budowlanych powstało ścisłe skojarzenie dyfuzji z paroprzepuszczalnością materiałów budowlanych, co nie jest zgodne z definicjami tych zjawisk (patrz ramka z definicjami).
Dyfuzja (lub efuzja) pary wodnej to jej przepływ z ośrodka o wiekszym ciśnieniu do ośrodka o mniejszym ciśnieniu pary wodnej w celu wyrównania ciśnień po obu stronach dyfuzyjnej przegrody; rys. arch. K. Patoki
Owszem, dyfuzja dotyczy również przenikania pary wodnej, ale nie jest jedynym i najważniejszym zjawiskiem powodującym paroprzepuszczalność takich materiałów.
W przypadku farb i wielu innych materiałów (np. paroizolacji) ich przepuszczanie pary zachodzi głównie dzięki zjawisku dyfuzji. Natomiast przez większość sprzedawanych membran wstępnego krycia para wodna przechodzi przede wszystkim dzięki zjawisku efuzji. W tej chwili śmiało możemy podzielić tę grupę produktową na trzy podgrupy, które uwzględniają sposób ich działania i budowę. Najczęściej sprzedawane i stosowane w całej Europie są membrany z filmem mikroporowatym, który jest przenikany przez parę przechodzącą na zasadzie efuzji.
Drugą grupę stanowią membrany z filmem monolitycznym, w których para wodna przechodzi na zasadzie dyfuzji. Natomiast wspomniane nowości można zaklasyfikować jako membrany z filmem wysokodyfuzyjnym stanowiącym odmianę tych monolitycznych. Czyli w nadchodzącej przyszłości będziemy stosowali na dachach MWK, które w zależności od rodzaju filmu będziemy mogli dzielić na: efuzyjne i dyfuzyjne ( TABELA ). Przy czym wśród tych dyfuzyjnych znajdą się wysoko dyfuzyjne.
TABELA. Podział stosowanych w MWK filmów (i samych MWK)
Przyjęty system określania możliwości przenikania pary wodnej przez materiały budowlane za pomocą parametrów z przymiotnikiem „dyfuzyjny” wynika z przyczyn praktycznych: zasady przechodzenia pary są różne, ale skutki ilościowe działania obu zjawisk można określić za pomocą tych samych parametrów. Zjawiska te są porównywalne i prowadzą do tego samego efektu i dlatego powszechnie używa się określeń „dyfuzyjny”.
Zrozumienie różnicy między dyfuzją a efuzją ma jednak duże znaczenie dla dobrego rozumienia procesów związanych z przenikaniem i skraplaniem się pary wodnej w materiałach tworzących współczesne dachy. Tak więc dyfuzja polega na samorzutnym mieszaniu się cząsteczek i atomów różnych substancji. Zachodzi ona pod wpływem ich ruchów cieplnych.
Efektem działania dyfuzji w gazach i cieczach jest wyrównywanie się stężeń wszystkich składników w całej ich objętości. Oczywiście, najszybciej zachodzi ona w gazach.
Natomiast efuzja polega na przepływie gazów lub cieczy przez bardzo małe otwory przegrody (materiały porowate) rozdzielającej ośrodki o różnym ciśnieniu cząstkowym. Wielkość otworów w stosunku do wielkości cząsteczek (molekuł) ma znaczący wpływ na wydajność objętościową przepływu pary przez przegrodę.
W praktyce dla materiałów stosowanych w dachach oznacza to, że para wodna przenikająca materiały takie jak folie lub powłoki (farby) przechodzi przez nie, mieszając się z ich molekułami (cząsteczkami) na zasadzie dyfuzji. Jej naturalne dążenie do wyrównania stężenia wszystkich składników prowadzi do przenikania cząsteczek pary przez takie przegrody.
Intensywność procesu dyfuzji zależy od temperatury, w jakiej się ona odbywa, a wyrównanie stężeń nie oznacza zakończenia dyfuzji. Proces mieszania się cząsteczek zachodzi bez przerwy.
Natomiast procesy związane z działaniem efuzji zależą od różnicy ciśnień cząstkowych. Co w przypadku takich materiałów jak membrany (z porami) oznacza, że gdy maleje różnica temperatur, maleje różnica ciśnień i wydajność objętościowa przepływu pary wodnej (gazu). Ilość porów (bardzo małych otworów) ma dla tej wydajności duże znaczenie, a ich wielkość musi być tak dobrana, aby przepływ wody nie był możliwy.
Warto dodać, że otwory te nie mogą przepuszczać innych składników powietrza w dużych ilościach, tak aby membrany stanowiły warstwę o określonej, bardzo ograniczonej przenikalności powietrza – membrany muszą spełniać warunki normy PN-EN 12114:2003.
Wielkość tych porów w membranach efuzyjnych jest tak dobrana, aby siły lepkości wody blokowały jej przepływ przez nie, a jednocześnie mogła przez nie przejść para wodna. Zasada ta jest podstawą działania większości membran wstępnego krycia (w wielu technologiach ich wytwarzania). Dzięki takiemu wykonaniu porów MWK przepuszczają parę wodną, a nie przepuszczają wody. Natomiast membrany dyfuzyjne i wysoko dyfuzyjne mają jeszcze lepszą odporność na przenikanie zarówno powietrza, jak i wody, ponieważ nie posiadają mikroporów.
Aktualne badania i definicje
Badanie paroprzepuszczalności metodą kubełkową: powietrze o określonej normą wilgotności, temperaturze i ciśnieniu pompuje się przez określony czas, a sól waży się przed upływem tego czasu i po nim; rys. arch. K. Patoki
W obecnie obowiązujących normach europejskich dotyczących zjawisk dyfuzji i paroprzepuszczalności większość współczynników jest precyzyjnie określona wzorami i zależnościami. Jednak jest ich bardzo dużo, a ich nazwy mogą się mylić. Ta mnogość wynika z różnorodności zalecanych badań zależnych od potrzeb danego działu techniki.
Sprawę komplikuje fakt funkcjonowania różnych sposobów prowadzenia wyliczeń oraz stosowania różnych jednostek w krajach UE (i USA). Wynika to z różnych tradycji, metod obliczeniowych i klimatu.
Na przykład opór dyfuzyjny definiowany jest jako stosunek różnicy ciśnienia cząstkowego pary wodnej po dwu stronach badanego materiału do gęstości pary wodnej przenikającej przez niego. Dużo bardziej odpowiednią nazwą dla tego parametru byłby opór przeciw przenikaniu pary wodnej lub opór przeciw dyfuzji pary wodnej i dlatego czasami nazywany jest krócej opór (dla) pary wodnej. Niestety ma on bardzo wiele jednostek:
- (m2·h·Pa)/mg,
- (m2·h·hPa)/mg,
- (m2·h·Pa)/g,
- (m2·h·hPa)/g,
- jak również (MN·s)/g.
To ostatnie miano jest bardzo często używane w krajach anglosaskich i jeżeli MWK lub inne elastyczne materiały wodochronne (folie) mają tak określone własności dyfuzyjne, to jest konieczność przeliczenia tak przedstawionego oporu dyfuzyjnego na równoważną dyfuzyjnie grubość powietrza ( Sd ) lub na współczynnik oporu dyfuzyjnego pary wodnej ( µ ).
W normie PN-EN 1931:2002 nie definiuje się pojęcia opór dyfuzyjny, chociaż parametr ten jest często wykorzystywany. Natomiast w p. 3 tej normy definiuje się następujące parametry:
- gęstość strumienia pary wodnej g [kg/(m2·s)],
- przepuszczalność pary wodnej wp [kg/(m2·s·Pa)],
- współczynnik przepuszczania pary wodnej δ [kg/(m·s·Pa)],
- współczynnik oporu dyfuzyjnego pary wodnej µ [-],
- grubość warstwy powietrza równoważna dyfuzji pary wodnej Sd [m].
W p. 9 normy określone i wyliczone są jeszcze inne ważne parametry, m.in. współczynnik przewodzenia pary wodnej powietrza, zależny od ciśnienia atmosferycznego i temperatury λ ma [kg/(m·s·Pa)]. W p. 9.1 normy został on wyliczony:
λ ma = 1,97762·10–7/ p (w temp. 23°C),
gdzie:
p – średnie ciśnienie atmosferyczne w czasie badania, zależne od miejsca i warunków atmosferycznych [hPa].
Jest to ważny parametr umożliwiający przeliczanie różnych współczynników, ponieważ wiele z nich opiera się na porównywaniu do dyfuzyjnych własności powietrza ( Sd , µ ).
Warto przytoczyć sposób przeliczania oporu dyfuzyjnego ( Z ) na współczynnik oporu dyfuzyjnego pary wodnej ( µ ) oraz na równoważną dyfuzyjnie grubość powietrza ( Sd ) stosowany w Wielkiej Brytanii (i innych krajach). Wykorzystuje się przy tym współczynnik przewodzenia pary wodnej powietrza, określając jego wielkość (w stanie suchym powietrza):
λ pow = 0,2 m·g/MN·s
Dzięki temu, po podstawieniu do wzoru:
μ = (Z·x·λpow)/d
gdzie:
d – grubość materiału,
można przeliczyć opór dyfuzyjny Z [MN·s)/g] na współczynnik oporu dyfuzyjnego lub częściej podawaną równoważną dyfuzyjnie grubość powietrza:
Sd = m·d
i stąd:
Sd = Z· λ pow
Przykład liczbowy:
Konkretny produkt (MWK) ma Z = 0,09 (MN·s)/g (według BS3177), stąd Sd = 0,09 (MN·s)/g·0,2 m·g/MN·s = 0,018 m
I tak podają w jego ulotkach informacyjnych z dopiskiem Sd – z wyliczenia. A przy okazji paroprzepuszczalność tego produktu MVTR wynosi 2409 g/m2/24h (według BS3177).
Wnioski
Jak z tego wynika, sposób badania paroprzepuszczalności membran wstępnego krycia nieuwzględniający ich sposobu działania jest odpowiedni, a opisany w artykule ich podział (efuzja/dyfuzja) nie ma żadnego znaczenia dla sensowności tych badań. Posługiwanie się tymi normami ma swoje uzasadnienie. Natomiast różnice w budowie MWK mogą być bardzo istotne przy ich wyborze i sposobie zastosowania.
Warto zauważyć, że wszystkie podawane w normach europejskich parametry są wykorzystywane w programach komputerowych wyliczających efekty działania procesów cieplno-wilgotnościowych zachodzących w przegrodach budowlanych.
Niektóre programy są wskazywane w normach do takich obliczeń. Na przykład w normie DIN 4108-3:2001-07 podane są dwa programy komputerowe do wyliczania takich procesów, a norma tylko określa klimatyczne warunki brzegowe, jakie trzeba wprowadzić (oprócz parametrów budynku i materiałów użytych do jego budowy), aby uzyskać dane określające wielkość przestrzeni wentylacyjnych w dachu. W ten sposób norma ta jest bezużyteczna w Polsce, ponieważ żadna instytucja nie określa warunków brzegowych odpowiednich dla naszego klimatu, które można by zastosować w programach podanych w tej normie.
Słowniczek |
|
Dyfuzja – proces rozprzestrzeniania się cząsteczek w gazach, cieczach lub ciałach stałych, spowodowany przypadkowymi, nieuporządkowanymi zderzeniami między cząsteczkami (ruchy Browna). Ten przypadkowy ruch jest tym intensywniejszy, im większą energię cieplną posiadają cząsteczki. Wyższa temperatura przyspiesza ten proces, a niska spowalnia. Dyfuzja prowadzi do samoistnego mieszania się gazów, cieczy, a także ciał stałych. Powoduje samorzutne wyrównanie koncentracji (stężenia) różnych związków chemicznych. Dyfuzja jest przyczyną przenikania gazów przez ciała stałe, w tym pary wodnej, przez niektóre materiały budowlane. Dyfuzja pary wodnej – ruch cząsteczek pary wodnej w mieszaninie gazów (na przykład w powietrzu) zmierzający do wyrównania stężenia pary w tej mieszaninie. Dzięki dyfuzji, para wodna może przechodzić przez przegrody na zasadzie wyrównania ciśnienia cząstkowego panującego po obu stronach przegrody. Przebieg tego procesu zależy od warunków panujących na przeciwnych stronach przegrody. Jeżeli mówimy o przegrodzie budowlanej, to proces dyfuzji pary wodnej przez tę przegrodę zależy od temperatury i wilgotności powietrza po obu jej stronach, od różnicy w ciśnieniach cząstkowych pary wodnej po obu stronach. Efuzja – proces przechodzenia gazów przez przegrodę porowatą (z bardzo małymi otworami) rozdzielającą przestrzenie o nierównych ciśnieniach. Gazy przechodzą z ośrodka o wyższym do ośrodka o niższym ciśnieniu. Wypływ gazu (lub cieczy) przez tak małe otwory wynika i zależy od różnicy ciśnień. Często różnica ciśnień jest efektem różnicy temperatur między ośrodkami wymieniającymi gaz. Film w MWK – warstwa funkcyjna przepuszczająca parę wodną i zatrzymująca wodę; najczęściej znajduje się w środku między włókninami osłonowymi lub na jednej włókninie nośnej (np. film z TPU na włókninie poliestrowej lub polipropylenowej). Opór dyfuzyjny materiału lub przegrody – miara odporności materiału lub przegrody na przenikanie pary wodnej. Jest tym większy, im grubszy jest materiał lub poszczególne warstwy przegrody, a tym mniejszy, im materiał jest bardziej paroprzepuszczalny. Określa się go, wyliczając stosunek różnicy ciśnień cząstkowych pary wodnej po obu stronach warstwy do gęstości strumienia pary wodnej (ilości pary wodnej przechodzącej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni materiału). Ciśnienie cząstkowe pary wodnej (prężność pary wodnej) – ciśnienie wywierane przez cząsteczki pary wodnej znajdującej się w powietrzu (jest częścią ogólnego ciśnienia atmosferycznego). Maksymalne ciśnienie pary wodnej w danej temperaturze występuje, gdy powietrze jest nią nasycone. W atmosferze w pobliżu poziomu morza zmienia się od ok. 40 hPa do niemal 0, typowe wielkości w klimacie równikowym to 30 hPa, w klimatach umiarkowanych ok. 10 hPa, a w strefie okołobiegunowej poniżej 5 hPa. Równoważna (lub ekwiwalentna) dyfuzyjnie grubość powietrza [Sd] – określa paroprzepuszczalność materiału przez porównanie jego właściwości dyfuzyjnych do dyfuzyjności powietrza o określanej grubości. Powietrze stawia opór parze wodnej uzależniony od grubości warstwy – im jest grubsza, tym para wodna trudniej przechodzi przez powietrze. Inaczej można powiedzieć, że współczynnik Sd charakteryzuje właściwości dyfuzyjne warstwy materiału budowlanego o określonej grubości w ten sposób, że porównuje je do grubości warstwy powietrza o tym samym oporze dyfuzyjnym. Dlatego też wymiarem tego współczynnika jest metr. Współczynnik oporu dyfuzyjnego [µ] – wielkość stała dla poszczególnych rodzajów materiałów, charakteryzująca ich opór dyfuzyjny. Określany jest jako wartość względna, oznaczająca, ile razy opór dyfuzyjny warstwy materiału jest większy od oporu takiej samej warstwy powietrza w tych samych warunkach. Dla powietrza µ = 1, a lekkie porowate materiały izolacyjne o dobrej izolacyjności cieplnej mają ten współczynnik mały dążący do 1. Sd = µ · d, gdzie d – grubość oznaczanego materiału. W przypadku MWK i wielu innych materiałów laminowanych z kilku warstw nie oznacza się µ, lecz tylko Sd, ponieważ nie są to materiały jednorodne. |
Literatura
1. PN-EN 1931:2002, „Elastyczne wyroby wodochronne. Wyroby asfaltowe, z tworzyw sztucznych i kauczuku do izolacji wodochronnej dachów. Określanie przenikania pary wodnej”.
2. PN-EN 12114:2003, „Właściwości cieplne budynków. Przepuszczalność powietrza komponentów budowlanych i elementów budynków. Laboratoryjna metoda badania”.
3. PN-EN ISO 12572-1:2007, „Cieplno-wilgotnościowe właściwości użytkowe materiałów i wyrobów budowlanych. Określanie właściwości związanych z transportem pary wodnej”.
4. PN-EN ISO 10456:2009, „Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe i procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych”.
