Kondensacja pary wodnej w budynkach

Co jest przyczyną kondensacji i zawilgoceń w budynku i kiedy to ma miejsce?

Gilles Mugnier

Obecnie możliwe jest tworzenie budynków, które wykorzystują szereg możliwości technologicznych pod względem systemów wymiany powietrza i klimatyzacji. Jednak kondensacja pary wodnej w przegrodach i newralgicznych miejscach (np. przy połączeniach ścian, stropów czy przy oknach) nadal stanowi źródło problemów. Wpływa to m.in. na powierzchnie wykończenia.

Pojawiają się pęcherze pod powłokami malarskimi, następuje odklejanie płytek ceramicznych, są ślady wilgoci i plamy w czasie użytkowania. Kondensacja negatywnie oddziałuje też na mocowania mechaniczne powodując korozję, a także pogarsza ochronę cieplną dachów, fasad czy podłóg. Tu ogromny wpływ ma zmniejszenie wydajności zawilgoconych materiałów termoizolacyjnych. Przyczyny kondensacji w 5 punktach.

Zasadniczo istnieją dwa rodzaje czynników fizycznych ściśle związanych z kondensacją w budynkach: temperatura i wilgotność. Temperatura mierzona w °C lub K jest wartością znaną i na ogół przewidywalną.

Na zewnątrz jest to związane z warunkami pogodowymi. Temperatura wewnątrz zależy od stanu powietrza w budynku , sposobu uzdatniania i wymiany powietrza (ogrzewanie, wentylacja, użytkowanie budynku). Wilgotność to ilość pary wodnej lub wilgoci w powietrzu.

Para wodna jest fazą gazową wody. Wilgotność można również wyrazić jako wilgotność względną w danej temperaturze (tj. ilość rzeczywistej pary wodnej obecnej w powietrzu wyrażona jako procent całkowitej ilości pary, którą powietrze może utrzymać w tej samej temperaturze).

Rysunek 1: Krzywa temperatury

Temperatura nie zmienia się od 20°C do 0°C w jednej chwili. W każdym rodzaju przegrody budynku, niezależnie od tego, czy jest to bardzo dobrze izolowana termicznie ściana, czy tylko pojedynczo szklone okno, możliwe jest wystąpienie każdej wartości temperatury z przedziału między 20°C a 0°C. Co do krzywej temperatury, wiemy gdzie się zaczyna i gdzie się kończy. Zmiany temperatury zależą od właściwości termicznych i grubości materiałów użytych do budowy przegrody budynku (patrz rysunek 1).

W przypadku dachów będzie występować większa różnica temperatur w termoizolacji o grubości 20 cm niż w przypadku płyty betonowej o tej samej grubości, ponieważ ta ostatnia jest mniej wydajna pod względem izolacyjności termicznej. Krzywa temp. jest niezależna od ogólnej wartości efektywności cieplnej budynku, ale zależy raczej od różnicy temperatur wewnątrz i na zewnątrz, jak również od parametrów termoizolacyjnych materiałów składowych przegrody.

Im cieplejsza pogoda, tym więcej pary wodnej może utrzymać powietrze. I odwrotnie, im jest zimniej, tym mniej pary wodnej może utrzymać powietrze. Wynika to z tak zwanego ciśnienia pary wodnej. Cząsteczki wody lub cząsteczki pary wodnej w powietrzu są utrzymywane razem przez ciśnienie.

W zimnym powietrzu maksymalne możliwe ciśnienie pary jest niższe niż w ciepłym powietrzu. Tak więc więcej cząsteczek wody może zostać wchłoniętych w przypadku ciepłego powietrza. Woda paruje wraz ze wzrostem ciepła. Im wyższa temperatura powietrza, tym więcej cząsteczek wody wyparowuje.

Dla każdej danej temperatury powietrze posiada stopień nasycenia, gdy zawiera maksymalną ilość pary wodnej, jaką może w tej temperaturze utrzymać (tzn. wilgotność względna wynosi wówczas 100%.). Powyżej tej temperatury para wodna staje się cieczą, tzn. następuje kondensacja. Dla danej temperatury i objętości powietrza istnieje maksymalna ilość pary wodnej, przy której powietrze staje się nasycone, a zatem para wodna zacznie kondensować. Ta temperatura jest nazywana temperaturą punktu rosy.

Przykłady:

W Sali lekcyjnej, do której rano przyszli uczniowie i oddychają (t.j. wytwarzają parę), ilość pary wodnej w powietrzu, jak również temperatura powietrza wzrosną, a w pewnym momencie para skondensuje się na powierzchniach wewnętrznych szyb, których temperatura jest niższa niż powietrze w klasie.

Problemy z kondensacją w dachach lub w ścianach w zimie (np. zawilgocone sufity podwieszane, przedwczesna korozja, skropliny spadające na podłogę w wyniku nagłych spadków temperatury na zewnątrz), nie są rzadkością w szkołach, które są szczególnie narażone na sporadyczną, ale wysoką wilgotność przy niskich temperaturach zewnętrznych.
Gdy w łazience odkręcamy kran z gorąca wodą, zwiększa się ilość pary i rośnie temperatura, powodując, że lustra są zaparowane.
Butelka wyjęta z lodówki latem: na zewnętrznej stronie butelki powstanie właśnie kondensacja pary wodnej.
W zimie bardzo często mamy zamarzniętą przednią szybie samochodu. Ponieważ przednia szyba jest zimniejsza niż powietrze zewnętrzne, a para wodna zawarta w powietrzu w połączeniu ze spadkiem temperatury nie tylko się skrapla, ale także zamarza w ujemnych temperaturach.

W ścianach: jeśli wilgoć wewnętrzna migruje na zewnątrz przez ścianę, napotka na coraz niższe temperatury, a zatem może skondensować. Może to wystąpić jeśli jest wystarczająco zimno na zewnątrz. Doprowadzi to do powstawania zawilgoceń w przegrodzie. Takie zjawiska wpływają na obniżenie efektywności energetycznej przegrody, a także mogą uszkadzać elementy ścienne i powodować korozję mocowań mechanicznych, itp.

Rysunek 2: Przenikanie pary wodnej przez ścianę

Gdy gęstość pary wodnej jest wyższe po jednej stronie ściany niż po drugiej, ściana będzie podlegać częściowemu przenikaniu pary. W słowach Arystotelesa „natura nie znosi próżni” i w zależności od wartości współczynnika przenikania pary wodnej dla poszczególnych warstw przegrody, para wodna będzie migrować przez przegrodę, aby dotrzeć na zewnątrz. W niektórych przypadkach istnieje ryzyko, że jeśli para wodna napotka coraz zimniejsze temperatury, doprowadzi to do powstania tzw. „punktu rosy”.

Wraz ze wzrostem temperatury rośnie zdolność wchłaniania pary wodnej przez powietrze. Gdy temperatura powietrza lub materiału budowlanego spada do wartości, przy której osiągnie wilgotność względną 100%, nadmiar pary wodnej wytrąca się w postaci wody kondensacyjnej. To miejsce styku obu wartości nazywane jest punktem rosy.

Dobrze izolowane termicznie budynki powinny być zaprojektowane w taki sposób, aby temperatura punktu rosy na powierzchni, jak i w samym elemencie budynku nie spadła poniżej tej wartości. To ważne w przypadkach np. unikania mostków termicznych. W ten sposób unika się kondensacji pary wodnej w przegrodach i zawilgoceń oraz wynikających z tego uszkodzeń budynku lub tworzenia się zagrzybień i pleśni.

Wykres Molliera (Rysunek 3) pokazuje stan powietrza w odniesieniu do jego temperatury i zawartości wilgoci: w odciętej jest temperatura i rzędna bezwzględnej wilgotności powietrza. Krzywe pokazują wilgotność względną (R.H.) powietrza (w%), która jest stosunkiem rzeczywistej zawartości pary wodnej powietrza do jego zdolności wchłonięcia pary wodnej (tj. maksymalnej ilości pary wodnej, jaką może przyjąć powietrze) w danej temperaturze.

Zatem wilgotność względna wynosi około 50%, gdy temperatura powietrza wynosi 0°C (1,88 g/kg suchego powietrza), ale również w 20°C (7,26 g/kg suchego powietrza). Krzywa nasycenia powietrza jest również krzywą wilgotności względnej 100%. Wtedy zaczyna się kondensacja. Na przykład w temperaturze 20°C powietrze jest nasycone, gdy poziom wilgotności wynosi 14,7 g/kg suchego powietrza. W temperaturze 0°C powietrze jest nasycone, gdy poziom wilgotności wynosi 3,77 g / kg suchego powietrza. Te dwie liczby ilustrują możliwy zakres kondensacji.

Punkt rosy to temperatura, w której powietrze jest nasycone parą wodną. To wtedy zaczyna się kondensacja. Na przykład, w dachu lub wewnętrznej okładzinie ściennej (rysunki 4 i 5), kondensacja wystąpi, jeśli para wodna z wewnątrz będzie w stanie migrować do struktury termoizolacji np. w okresie zimy, w miejscu gdzie osiągnie temperaturę punktu rosy. Odpowiednie i bezpieczne systemy termoizolacyjne pozwalają tego uniknąć.

Rysunek 3: Wykres Molliera

Rysunek 4: Wilgotność i wewnętrzne okładziny ścienne

Rysunek 5: Kondensacja i zimne dachy

Wykres punktu rosy służy do określania temperatur punktu rosy i lepszego zrozumienia ważnych problemów związanych z kondensacją w celu zapewnienia ochrony i trwałości przegród w budynkach. Najprostsze, ale użyteczne kalkulatory do obliczeń cieplno-wilgotnościowych można znaleźć w internecie.

Przykład 1: stan powietrza wewnętrznego, T = 21°C, 50% R.H. Poziom wilgotności wynosi 7,7 g / kg suchego powietrza. Dla tej wartości przekraczamy krzywą wilgotności względnej 100%, gdzie T = 10,2 ° C, która jest temperaturą punktu rosy dla tego stanu powietrza.
Przykład 2: stan powietrza wewnętrznego T = 15°C, 70% R.H. Poziom wilgotności wynosi 7,41 g / kg suchego powietrza. Dla tej wartości wilgotność względna wynosi 100%, gdy T osiągnie 9,6 ° C, co jest temperaturą punktu rosy dla tego stanu powietrza.
Przykład 3: stan powietrza wewnątrz basenu, T = 26°C i 65% R.H. Poziom wilgotności wynosi 14,5 g / kg, a na tym poziomie temperatura rosy wynosi T = 19,8°C; ta temperatura pokazuje, jak ważny jest problem kondensacji w basenach i wszystkich wilgotnych pomieszczeniach (kuchnie, przebieralnie, prysznice itp.).