prawdy i mity - czyli co mówi fizyka budowli

dział 708
temat nr 034

Powszechnie, w licznych publikacjach popularnonaukowych oraz w internecie często i w nadmiarze szafuje się pojęciem „dyfuzji pary wodnej”, a tak naprawdę mało kto zna fizyczną istotę tego procesu. W środowisku projektantów i wykonawców szczególnie często nadużywane jest pojęcie „oddychania ścian”, które jest niczym innym jak zwykłą demagogią mającą jakoby świadczyć o znajomości tematu przez operującego tym terminem. Co gorsza, są też głosy nawołujące do bagatelizowania zjawiska dyfuzji pary wodnej - z uwagi na jej nikły udział w wymianie powietrza w budynku wobec wentylacji. Czas więc na przybliżenie zagadnień związanych z parą wodną i czas na obalenie mitów na jej temat.

Trudność w rozumieniu zjawisk fizyki pary wodnej bierze się stąd, iż pary nie widać gołym okiem, mimo iż istnieje i się przemieszcza oraz zmienia swój stan skupienia. O niej się przypomina dopiero wtedy, gdy pojawiają się negatywne skutki jej działania w postaci np. nieprzewidzianej kondensacji, zawilgocenia czy zagrzybienia - jak wskazują przykładowe fotografie. 

Para wodna jest jednym z nierozłącznych gazowych składników powietrza (patrz: rozdział 2.3.1. w książce), więc aby zrozumieć zjawiska jej dotyczące, konieczne jest zrozumienie fizyki powietrza. Otóż, w pewnym zakresie ciśnień i temperatur powietrze zachowuje się jako gaz do­skonały i podlega prawom Boyle-Mariotte’a,Gay-Lussac’a, Clapeyrona i Daltona, zaś w innym zakresie ciśnień zachowuje się jako gaz rzeczywisty. Z powietrzem mamy do czynienia zarówno we wnętrzu, jak i na zewnątrz budynku. Co ważne, powietrze a zatem także para wodna, znajduje się również wewnątrz porowatych materiałów budowlanych.

Powietrze w stanie naturalnym jest mieszaniną po­wietrza suchego oraz wilgoci w po­staci pary wodnej przegrzanej. W zjawiskach fizycznych masa suchego powietrza nigdy nie ulega zmianie, zaś zmienia się jedynie masa zawartej w nim pary wodnej. Ponieważ powietrze w stanie naturalnym zawsze zawiera większą lub mniejszą ilość pary wodnej, to z tego powodu po­wietrze traktuje się jako gaz wilgotny, ale jego parametry fizyczne odnosi się do masy powie­trza suchego, a nie mieszaniny.

Najważniejszą własność pary wodnej odkrył Dalton jeszcze w roku 1810, który wykazał iż w powietrzu para zachowuje się tak, jakby w mieszaninie składników tworzących powietrze nie było innych gazów i wywiera własne ciśnienie cząstkowe. W chwili, gdy ciśnienie cząstkowe pary osiąga wartość ciśnienia nasycenia w danej temperatu­rze powietrza, to para wodna ulega skropleniu. Temperaturę powietrza, przy której rozpoczyna się kondensacja zawartej w nim pary wodnej nazywa się temperaturą punktu rosy. Tak więc nie ma pojęcia "punkt rosy" co się spotyka często w praktyce, lecz pojęcie "temperatura punktu rosy". 

Im wyższa jest temperatura powietrza przy danej wilgotności powietrza, tym wyższa jest temperatura punktu rosy, ale też im wyższa jest wilgotność powietrza przy danej jego temperaturze, tym wyższa jest temperatura punktu rosy. Te dwie zależności są podstawą do takiego projektowania przegród budynku,by podczas eksploatacji na nich uniknąć kondensacji pary wodnej, a dzięki temu uniknąć występowania pleśni i zagrzybienia. Ten obowiązek istnieje w wymaganiach WT. Ma to szczególne znaczenie przy obliczaniu mostków cieplnych, co przedstawiłem w publikacji.

Ogromnym ułatwieniem w poznaniu procesów fizycznych powietrza stało się wynalezienie przez Mollier'a w roku 1923 zależności między entalpią a wilgotnością bezwzględną powietrza, tzw. wykresu I-x, którego ideę przedstawia poniższy rysunek:

To ważne osiągnięcie, bowiem wykres ten funkcjonuje do dzisiaj na całym świecie i stanowi podstawowy pomocnik podczas tworzenia projektów budowlanych. Dzięki temu wykresowi mając dowolne dwie wartości z pięciu (ciśnienia cząstkowego pary, zawartości wilgoci, temperatury, entalpii lub wilgotności względnej) powietrza, można odczytać pozostałe dane dotyczące stanu fizycznego powietrza i zawartej w nim pary wodnej. Jeśli w otoczeniu wody lub wilgotnych materiałów budowlanych występuje powietrze znajdujące się wstanie niedosyconym parą wodną (nad krzywą  φ = 100%), to asymiluje ono parę wodną pochodzącą z odparowania wody tak długo, dopóki nie osiągnie stanu nasycenia parą wodną. Obszerne omówienie procesów powietrza wilgotnego przedstawiłem w rozdziale 2.3. w książce. 

Ważnym też zjawiskiem związanym z parą wodną jest sorpcja wilgoci zachodząca w materiałach porowatych. Otóż, wewnątrz mikroskopowej struktury materiału na występującej tam powierzchni między ciałem stałym a powietrzem występuje adsorpcja (przyciąganie) zawartych w nim cząstek pary wodnej - spowodowana działaniem sił van der Waals'a. Dzięki temu na ich powierzchni powstaje błonka - najpierw o grubości równej średnicy molekuły wody, ale potem w miarę upływu czasu ilość rośnie i jest wprost proporcjonalna do ciśnienia cząstkowego pary wodnej w powietrzu. Proces ten zachodzi samoistnie, gdy tylko wilgotność względna powietrza wynosi co najmniej 20%. Im struktura materiału jest bardziej porowata, tym sorpcja wilgoci jest większa. Sorpcja ustaje z chwilą osiągnięcia przez materiał stanu, gdy już więcej nie może wchłonąć pary wodnej.

Wilgotność materiału w takim stanie nazywa się powietrzno-suchą albo maksymalną sorpcyjną. W technice budowlanej materiały takie nazywamy powietrzno-suchymi, zaś materiały których wilgotność jest większa niż maksymalna sorpcyjna, nazywamy wilgotnymi. Co ciekawe, jeżeli wilgotny materiał zostanie poddany procesowi samoistnego wysychania, zawartość w nim wilgoci nie zmniejsza się do stanu wyjściowego, lecz pozostaje nieco większa.

Niezależne badania na świecie wykazały, iż cząsteczki pary wodnej samoczynnie nie tylko wnikają w pory materiałów, ale także z niego się wydostają po drugiej stronie i przenikają do powietrza je otaczającego - jeśli tylko w tym powietrzu ciśnienie cząstkowe pary wodnej jest niższe niż ciśnienie cząstkowe pary w powietrzu będącym przed danym materiałem. Zjawisko to nazywamy dyfuzją pary wodnej i trwa ono tak długo zanim ciśnienia cząstkowe pary wodnej przed i za przegrodą się nie wyrównają. Zjawisko to istnieje dzięki temu, iż droga swobodna wynosząca 0,7x10^-5 cm cząstki pary wodnej jest mniejsza niż większość średnic porów w materiałach budowlanych - wynoszących znacznie więcej niż 10^-5 cm. Kierunek dyfuzji pary wodnej odbywa się nie od temperatury wyższej do niższej (jak się powszechnie sądzi), lecz od ciśnienia cząstkowego pary wodnej wyższego do niższego. Wielkość strumienia dyfundującej pary wodnej  jest wprost proporcjonalna do różnicy ciśnień cząstkowych pary wodnej po obu stronach oraz odwrotnie proporcjonalna do oporu dyfuzji warstw danej przegrody.

Jest to niezwykle ważne dla projektujących budynki i przegrody zewnętrzne: ściany, dachy, stropodachy, tarasy, fundamenty. Im we wnętrzu budynku panuje wyższa wilgotność powietrza, tym strumień dyfundującej pary wodnej z wnętrza na zewnątrz jest większy. Im grubość materiałów przegrody jest większa, tym strumień pary wodnej jest mniejszy, bowiem opór dyfuzyjny wobec pary wodnej S_d jest iloczynem grubości warstwy d i jej współczynnika oporu dyfuzji μ (S_d = d x μ).

Problem z dyfuzją pary wodnej jest taki, że jeśli zaprojektuje się warstwy w/w przegród o takim oporze S_d, że podczas dyfuzji pary jej ciśnienie cząstkowe będzie niższe na drodze przepływu niż ciśnienie nasycenia, to nie dojdzie w przegrodzie ani na jej powierzchni do kondensacji pary - czyli będzie ona cały czas w stanie gazowym. Jeśli jednak gdziekolwiek para wodna osiągnie ciśnienie nasycenia, przejdzie ona w stan ciekły, bo ulegnie kondensacji. Częstym skutkiem kondensacji pary tuż pod wyprawą elewacyjną są glony, plamy i zazielenia na elewacji. Ideowy stan przekroczenia ciśnienia nasycenia przez parę wodną podczas dyfuzji przez ścianę przedstawia rysunek poniższy:

Jakże beztroskie jest często spotykane bezkrytyczne dążenie przez projektantów, a także inwestorów do pogrubiania termoizolacji. Zapomina się, iż zmniejszenie współczynnika przenikania ciepła U poprzez zwiększenie grubości izolacji zwiększa także jej opór dyfuzyjny S_d, co zagraża powstaniem niekontrolowanej kondensacji pary wewnątrz przegrody lub na jej powierzchniach. Należy przypomnieć, że WT zakazują projektowania przegród, powodujących zagrożenie pleśnią i zagrzybieniem. Oznacza to, że każda przegroda powinna być przeanalizowana w zakresie cieplno-wilgotnosciowym czy nie powoduje kumulacji kondensujacej wilgoci, co jest obowiązkiem sporządzającego projekt budowlany.

Z przykrością stwierdzić trzeba, że wcale nie sporadycznie spotyka się podnoszone argumenty, iż przez przegrody dyfunduje zaledwie kilka procent wytwarzanej w budynkach pary wodnej, a zdecydowana większość pary usuwana jest przez wentylację. Takie tezy głoszą osoby nie wtajemniczone w procesy fizyki budowli. Do rozpoczęcia procesów gnilnych w warstwach przegrody wcale nie potrzeba wiadra wody na m² - wystarczy jedna kropelka skroplin, bo potem pleśń wytwarza własną wodę! Nie każdy przypadek kondensacji pary wodnej jest szkodliwy, bowiem w przegrodach zawierających materiały mineralne wystarczy, że kondensującej parze wodnej zapewnimy na tyle swobodne odparowanie skroplin na zewnątrz do otoczenia, że przed kolejnym sezonem grzewczym ilość wilgoci odparowanej będzie nie mniejsza niż powstających skroplin. Niedopuszczalne jest jednak, gdy wilgoć w przegrodach z każdym rokiem się kumuluje.

Z kolei, w przegrodach zawierających materiały organiczne (drewno, materiały drewnopochodne, słoma, konopie) nie wolno dopuścić do powstania najmniejszej nawet kondensacji pary, gdyż każde jej pojawienie się grozi powstaniem korozji biologicznej tych materiałów (patrz: Kondensacja pary wodnej w przegrodach oraz Korozja biologiczna materiałów).

W rzeczywistości strefa kondensacji pary wodnej w przegrodzie nie jest stała ani nieruchoma, lecz ulega ciągłym zmianom i wahaniom, bowiem kierunek strumienia dyfuzji pary wodnej, a także natężenia strumienia pary ulega ciągłym zmianom - raz na zewnątrz do atmosfery, raz do materiałów w przegrodzie, a nawet do pomieszczenia. Wynika to z tego, że stale występują wahania temperatury i wilgotności powietrza zewnętrznego w ciągu doby, pory roku,opadów atmosferycznych, nasłonecznienia, a także siły i kierunku wiatru. Wpływ ma także proces wysychania materiałów przegród z wilgotności nabytej podczas budowy oraz zmian wilgotności powietrza w poszczególnych pomieszczeniach budynku wynikający z działalności człowieka.

Właśnie z tego powodu podczas projektowania budynków konieczne jest wykorzystanie komputerowego modelowania procesów wymiany ciepła i przebiegu dyfuzji pary wodnej przez wszystkie przegrody danego budynku. Dzięki temu projektant może uwzględnić lokalizację budynku w danej strefie klimatycznej kraju, położenie względem stron świata, nasłonecznienie i zacienienie, wielkość opadów atmosferycznych i wiatrów, a także zarejestrowanych temperatur i wilgotności powietrza zewnętrznego oraz warunków panujących wewnątrz budynku. Z takich analiz uzyskuje się wymagane wartości oporów dyfuzji S_d paroizolacji, dopuszczalne opory dyfuzji warstw elewacyjnych, a nawet opory dyfuzji powłok wewnętrznych. Wszystko po to, by nie doprowadzić do niekontrolowanej kondensacji pary w przegrodach i na ich powierzchniach.