Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru Plebanii w Choroszczy Jak opisałem w raporcie Problemy z elewacją zabytkowej Plebanii w Choroszczy, w całym budynku nie osiągano wymaganych temperatur powietrza wewnętrznego zimą. Ponadto, zarówno na parterze, jak i piętrze przez cały czas wyczuwało się wyraźną stęchliznę - szczególnie w okresach wiosny i lata. Stanąłem zatem, przed koniecznością przeprowadzenia pełnej analizy cieplno-wilgotnościowej ścian plebanii. W związku z faktem istnienia zupełnie róŝnych układów warstw ścian parteru i piętra, analiza musi być wykonana oddzielnie dla kaŝdej kondygnacji. Stan istniejący - warunki ustalone W celu zbadania jakości i skutków zastosowanego ocieplenia ścian parteru styropianem oraz jego ew. wpływu na zaistniałą korozję biologiczną na elewacji, trzeba było najpierw wykonać sprawdzające obliczenia cieplno-wilgotnościowe w warunkach ustalonych - obejmujące stan istniejący. Uzyskano następujące wyniki: Opór cieplny: R = 2,631 m 2 K/W Współczynnik przenikania ciepła: U = 0,38 W/m 2 K Gęstość strumienia cieplnego: q = 15,203 W/m 2 Opór dyfuzyjny: R v = 14 871 m 2 hpa/g Gęstość strumienia dyfundującej pary: q v = 0,080 g/m 2 h Jak widać, wartość współczynnika przenikania ciepła U dla ścian parteru jest o 27 % za wysoka w stosunku do aktualnie zalecanej wytycznymi, co niepotrzebnie naraŝa uŝytkowników obiektu na zbyt wysokie straty ciepła i wynikające stąd zawyŝone opłaty na ogrzewanie budynku. W celu interpretacji geometrycznej wyników obliczeń sporządzono wykres rozkładu temperatur w ścianie oraz wykres rozkładu ciśnień cząstkowych pary wodnej w stanie obliczeniowym, a takŝe w stanie nasycenia, co przedstawia rysunek obok. Jak widać, występuje strefa skraplania się pary wodnej SK szerokości 22 mm zlokalizowana w styropianie tuŝ pod wyprawą elewacyjną. Wprawdzie gęstość strumienia dyfundującej pary wodnej jest niewielka, ale krzywe ciśnienia pary wodnej przecinają się pod łagodnym kątem, co świadczy o niestabilnym stanie i
Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru Plebanii w Choroszczy strona 2 tworzy sprzyjające warunki do skraplania się pary na znacznie większej szerokości niŝ zaznaczona strefa SK. Płaszczyzna temperatury 0 o C znajduje się wprawdzie w styropianie, ale tuŝ za granicą z murem ceglanym, co sprzyja utrzymywaniu się zwiększonej wilgotności muru. NajniŜsza temperatura muru wynosi +5 o C przy temperaturze zewnętrznej -20 o C. Stan po renowacji - warunki ustalone Dla sprawdzenia jak zmieniłyby się warunki cieplno-wilgotnościowe oraz zdolność do wysychania tej ściany wykonano ponowne obliczenia, zastępując styropian wełną mineralną grubości 10 cm z wyprawą mineralną o niskim oporze dyfuzyjnym. Uzyskano następujące wyniki: Opór cieplny: R = 3,713 m 2 K/W Współczynnik przenikania ciepła: U = 0,27 W/m 2 K Gęstość strumienia cieplnego: q = 10,773 W/m 2 Opór dyfuzyjny: R v = 9 358 m 2 hpa/g Gęstość strumienia dyfundującej pary: q v = 0,127 g/m 2 h Teraz wartość współczynnika przenikania ciepła U zmalała o 41 % w stosunku do stanu istniejącego, zaś strumień dyfundującej pary wodnej wzrósł o 59 %. Zatem, zmalały straty ciepła parteru, zaś większy strumień dyfundującej pary wodnej pozwoli na łatwiejsze wysychanie zawilgoconych ścian parteru. Wyniki obliczeń przedstawione są na wykresie obok. Występuje zdecydowanie lepszy rozkład temperatur wewnątrz ściany, bowiem płaszczyzna 0 o C znajduje się w większym oddaleniu od muru (w 1/3 grubości wełny). Uzyskuje się szczególnie lepszy rozkład ciśnień cząstkowych pary wodnej. Skraplanie teraz jest minimalne, a szerokość strefy SK wynosi zaledwie 3 mm. Jest istotne to, Ŝe krzywe ciśnień cząstkowych pary wodnej przecinają się pod ostrym kątem, co tworzy warunki wilgotnościowe bardzo stabilne. NajniŜsza temperatura muru wzrosła tym razem do +10 o C przy temperaturze zewnętrznej -20 o C. Stan istniejący i po renowacji - warunki rzeczywiste Oba przypadki dają tylko obraz wyjściowy, tj. w warunkach ustabilizowanych w danym czasie, natomiast nie oddają stanu dynamicznego, jaki zachodzi w rzeczywistości w ciągu pełnego roku - z uwzględnieniem padającego deszczu czy śniegu, zmiennych temperatur otoczenia w ciągu
Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru Plebanii w Choroszczy strona 3 doby, działania słońca, wiatru czy zmian wilgotności powietrza. Symulacji cieplno-wilgotnościowej zachowania się ściany w warunkach rzeczywistych w okresie pełnych 24 miesięcy - począwszy od dnia 01.10.2005 r. - dokonano za pomocą programu zespołu Kunzel a WUFI. PoniŜej podaje się wyniki porównawcze: w stanie istniejącym oraz po renowacji (z wymianą styropianu na wełnę mineralną ROCKWOOL 3) grubości 10 cm) pokrytą warstwą szpachlową EKOR 32 zbrojoną siatką szklaną oraz mineralną wyprawą elewacyjną EKOR 82 baranek 2 mm - pokrytą silikonową farbą hydrofobizowaną ANTOL SILICON. 4) Całkowita zawartość wilgoci w ścianie: W stanie istniejącym mamy do czynienia z duŝym całkowitym zawilgoceniem ściany wahającym się od 1,55 do 2,02 kg/m 3, zaś po zastosowaniu wełny mineralnej całkowita zawartość wilgoci waha się od 1,05 do 1,47 kg/m 3 - tj. maleje o 40-50 %. Znamienne jest to, Ŝe w stanie istniejącym mamy do czynienia ze wzrastającą zawartością wilgoci w ścianie w styczniu, która wynosi 1,65 kg/m 3 w pierwszym roku, zaś rok później juŝ 1,70 kg/m 3. Jest to stan niebezpieczny i nie do przyjęcia. Dzięki temu właśnie, powstają w warstwach elewacji i tuŝ pod nią procesy gnilne, co odczuwane jest przez uŝytkowników jako zawilgocenie i stęchlizna w powietrzu. Dzięki temu mamy do czynienia z nadmiernymi stratami ciepła wywołanymi przez wilgotne warstwy ściany - inaczej niŝ zakładano przy doborze mocy grzejników i kotła c.o. Po zamianie styropianu na wełnę mineralną wilgotność całkowita maleje średnio o 45 % i utrzymuje się na tym samym poziomie w
Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru Plebanii w Choroszczy strona 4 porównywalnym okresie stycznia (wynosi ok. 1,2 kg/m 3 ). Zatem, po zamianie styropianu na wełnę uzyska się poprawne wysychanie zawilgoconej dotąd ściany i wyraźnie lepsze w niej warunki cieplno-wilgotnościowe. Porównując oba wykresy moŝna stwierdzić ciekawe zjawisko. OtóŜ, wyraźny wzrost zawilgocenia ściany spowodowany skraplaniem się pary wodnej występuje nie w okresie zimy (jak się powszechnie uwaŝa), lecz w okresie od lipca do listopada (styropian) oraz od lipca do września (wełna), tj. w okresie przekraczania stanu nasycenia ciśnień cząstkowych przez parę wodną w warstwach ściany - zarówno w przypadku styropianu, jak i wełny mineralnej. W okresie zimy zaś, mamy do czynienia z lekkim obniŝaniem się zawilgocenia - z tym, Ŝe w przypadku wełny spadek jest bardziej dynamiczny i większy niŝ w przypadku styropianu. Jest to zjawisko korzystne, bowiem w okresie największych strat ciepła materiał ocieplenia jest w miarę suchy. NajniŜszą wilgotność całkowitą (czyli największy stopień wysychania) uzyskuje się na początku kwietnia (w przypadku styropianu) oraz w drugiej połowie marca (w przypadku wełny). Wilgotność warstw elewacyjnych: Ciekawie prezentują się wyniki porównawcze zawilgocenia w warstwie najbardziej naraŝonej na wpływy atmosferyczne: wyprawie elewacyjnej i warstwie szpachlowej.
Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru Plebanii w Choroszczy strona 5 W stanie istniejącym mamy do czynienia z niezwykle wysokim zawilgoceniem tych warstw, bo wynoszącym od 130 do 210 kg/m 3, co odpowiada wilgotności masowej od 7 do 11 % - nieprzerwanie przez cały rok. NaraŜa to istniejącą wyprawę akrylową na spękania spowodowane zamarzaniem wilgoci w niej zawartej 1), a takŝe naraŝa na powstanie na niej i tuŝ pod nią procesów gnilnych 2). Objawy zarówno licznych spękań, a takŝe silnej korozji biologicznej zaobserwowano na całej elewacji - szczególnie intensywne od strony północnej, gdzie w miejscach pęknięć wyprawy powstały wyraźne nacieki wodne z glonami (fot. 1 do 3 w poprzednim raporcie). W przypadku zamiany styropianu na wełnę mineralną pokrytą lekką wyprawą elewacyjną mamy do czynienia aŝ z 6-krotnym z zmniejszeniem najmniejszej zawartości wilgoci i 3-krotnym zmniejszeniem maksymalnej tj. uzyskuje się wartości 20-70 kg/m 3, co odpowiada wilgotności masowej od 1,3 do 4,2 %. W okresie dodatnich temperatur zewnętrznych mamy do czynienia z najmniejszą wilgotnością wyprawy elewacyjnej, co skutecznie wyeliminuje zagroŝenie korozją biologiczną. Izoplety stanów wilgotnościowych: Wnioski powyŝsze potwierdzają takŝe wykresy izoplet tj. relacji stanów wilgotności względnej powietrza i temperatury tuŝ przy powierzchni wyprawy elewacyjnej.
Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru Plebanii w Choroszczy strona 6 Najbardziej miarodajnym stanem jest wilgotność powietrza zewnętrznego tuŝ przy wyprawie elewacyjnej wynosząca 100%. Widać z wykresów wyraźnie, Ŝe w szerokim zakresie temperatur od -15 do +30 o C w stanie istniejącym mamy permanentne stany nasycenia wilgocią w płaszczyźnie elewacji, co daje stan najgorszy z moŝliwych. Jest to skutkiem narastającej zawartości wilgoci w ścianie w ciągu kolejnych lat i potwierdza istnienie warunków sprzyjających korozji biologicznej na elewacji. W przypadku wełny mineralnej obraz jest zupełnie odmienny! Nie ma stanów nasycenia wilgocią, a najwyŝsza wilgotność względna powietrza nie przekracza 93 %, co pozwala wysnuć pewny wniosek o braku zagroŝenia korozją biologiczną na elewacji. Zawartość wilgoci w warstwie termoizolacyjnej: Dla oceny stopnia izolacyjności termicznej warstwy ocieplenia (mającej zasadniczy wpływ na wielkość strat ciepła ścian przez przenikanie), dokonano sprawdzenia zawilgocenia w samych warstwach termoizolacyjnych: - styropianu FS-15 grubości 6 cm (w stanie istniejącym), - wełny mineralnej grub. 10 cm (w stanie po renowacji).
Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru Plebanii w Choroszczy strona 7 Masowa zawartość wilgoci w styropianie jest znaczna i wynosi od 2,5 do 5,1 %, co znacznie zwiększa współczynnik przewodzenia styropianu tj. zmniejsza opór cieplny tej warstwy i przyczynia się do zwiększonych strat ciepła oraz naraziło uŝytkownika na zawyŝone wydatki na ogrzewanie budynku plebanii. W przypadku wełny mineralnej wilgotność masowa jest ponad 2- krotnie mniejsza i wynosi od 0,8 do 2,3 %. Co jest istotne, to fakt iŝ w okresie zimy wilgotność wełny utrzymuje się na dość niskim poziomie ok. 1,3-1,9 %. Zapewni to utrzymanie komfortu cieplnego na oczekiwanym poziomie oraz pozwoli uzyskać planowane o ok. 30 % zmniejszenie strat ciepła ścian przez przenikanie. Niezwykle istotne jest i to, Ŝe w przypadku zastosowania wełny mineralnej grubości 10 cm zamiast istniejącego styropianu grubości 6 cm, aŝ 19-krotnemu zmniejszeniu ulega łączny opór dyfuzyjny warstwy termoizolacyjnej i dalszych na niej leŝących, tj. z wartości S d = 3,68 m do wartości S d = 0,19 m. Dzięki zastosowaniu specjalnej farby silikonowej ANTOL SILICON 4) o oporze dyfuzyjnym S d = 0,045 m, nowe warstwy po renowacji pozwolą na poprawne wysychanie ścian z nadal podciąganej kapilarnie wilgoci. Dzięki usunięciu wyprawy mozaikowej z fundamentów w strefie nadziemnej i przywróceniu stanu pierwotnego, znaczna część wilgoci będzie odparowywać jeszcze w fundamencie, a tylko jej resztki będą podciągane wyŝej, ale dzięki renowacji w większości odparują do otoczenia w strefie ścian leŝącej tuŝ nad cokołem. mgr inŝ. Jerzy Zembrowski Biuro Doradztwa Budowlanego Białystok Rysunki autora 1) Patrz: Destrukcja materiałów przez lód 2) Patrz: Korozja biologiczna materiałów 3) Produkty firmy ROCKWOOL 4) Produkty firmy TORGGLER