Jak uniknąć kondensacji pary wodnej w budynku?

Kondensacja jako zjawisko fizyczne

Woda, czyli cząsteczka cieczy składająca się z dwóch atomów wodoru atomu tlenu (H₂O), przy kontakcie z powietrzem paruje w każdej temperaturze (również postaci stałej - lodu czy śniegu). Na granicy cieczy i powietrza następuje przemiana fazowana w wyniku, której powstaje mieszanina pary wodnej i powietrza. Przy takim sposobie odparowania powstaje para sucha, niewidoczna, a zawartość cząstek wody, czyli wilgotność powietrza, zależy głównie od temperatury. Jeśli woda będzie podgrzana do temperatury wrzenia, czyli 100°C jej parowanie wystąpi nie tylko na powierzchni, ale również z całej masie - tworząc charakterystyczne bąbelki, co powoduje porywanie drobin ciekłej wody wywołujących dostrzegalną mgiełkę i powstaje para mokra.

Zjawisko kondensacji pary wodnej na szybie okiennej wewnątrz pomieszczenia. Pilkington IGP Sp. z o.o.

Z wielu właściwości pary wodnej, w zakresie fizyki budowli i niektórych procesów spalania, najistotniejsze są zależności pomiędzy temperaturą powietrza i procentową zawartością pary wodnej, co pozwala na wyznaczenie tzw. punktu krytycznego, (gdy następuje kondensacja pary wodnej) oraz ciśnienia parcjalnego (cząstkowego), jakie wywiera zawarta w powietrzu para wodna. Zależności te znajdziemy w tabelach lub można je odczytać na wykresie Molliera.

Przykładowo, porównując dwa stany wilgotnego powietrza otrzymamy następujące wartości:

Wraz ze zmianą temperatury zmienia się również gęstość powietrza wilgotnego i zawsze jest ona mniejsza niż powietrza suchego. Uzasadnia to m.in. konieczność instalowania wywiewów wentylacyjnych u góry pomieszczenia.

Istotną cechą wody przechodzącej w parę wodną jest wysokie ciepło parowania (ok. 2300 kJ/kg) i o takiej samej wartości gdy zachodzi odwrotny proces - skraplania (kondensacji). Pozwala to na odzyskanie znacznej energii, gdy skroplimy parę zawartą, np. w spalinach.

Przenikanie pary wodnej przez przegrody

Para wodna, zawarta w powietrzu, wytwarza parcie, czyli ciśnienie cząsteczkowe, co sprawia, że dąży ono do wyrównania na styku dwóch ośrodków oddzielonych przegrodą. W budownictwie taki stan występuje zwłaszcza miedzy powietrzem zewnętrznym i wewnętrznym i w zależności od parametrów powietrza po obu stronach, para wodna „przepycha” się przez przegrody na zewnątrz bądź do środka. Jednak ściany, stropu, dachy stawiają pewien opór tzw. opór dyfuzyjny, który zależy od rodzaju materiału oraz jego grubości. Jego wartość dla konkretnych materiałów określana jest jako bezwymiarowy współczynnik oporu dyfuzyjnego względem oporu powietrza i oznaczany literą μ.

Poniżej zestawiono popularne materiały konstrukcyjne i ociepleniowe, przy czym podane wartości zawierają się często w szerokich granicach, a przy obliczeniach trzeba korzystać z dokumentacji technicznej producenta konkretnych wyrobów. Na sumaryczny opór dyfuzyjny przegrody znaczący wpływ mają też materiały wykończeniowe w postaci, np. tynków, farb, impregnatów, okładzin.

Współczynnik oporu dyfuzyjnego μ wybranych materiałów budowlanych:

• Beton komórkowy: 5-10,
• Cegła ceramiczna, silikatowa: 5-10,
• Pustaki ścienne: 3-10,
• Beton konstrukcyjny:70-150,
• Drewno: 40,
• Płyty gipsowo-kartonowe: 8-10,
• Cegła klinkierowa: 70-100,
• Tynk cementowo-wapienne: 10-15,
• Folie paroszczelne: 100000,
• Styropian EPS: 20-50,
• Styropian XPS: 80-200,
• Wełna mineralna: 1,
• Pianka PUR otwarto komórkowa: 2-4,
• Pianka PUR zamkniętokomórkowa: 30-40.

Ile pary wodnej może przeniknąć przez przegrodę?

Strumień pary wodnej, jaka przenika przez przegrodę można obliczyć na podstawie wzoru: i = Δp / (1,5 x 10⁶ μd), gdzie: i - ilość pary wodnej w kg/m²h; Δp - różnica ciśnień po obu stronach przegrody w Pa; μ - opór dyfuzyjny; d - grubość materiałów przegrody w m. Przykładowo (w uproszczeniu) mur ocieplony styropianem grubości 15 cm z pustaków ściennych grubości 25 cm stawia łączny opór dyfuzyjny (μd) równy 30 x 0,15 m + 5 x 0,25 m = 5,75 m.

Przyjmując warunki atmosferyczne wewnętrzne (temperatura i wilgotność) - 20°C i 50% i zewnętrzne - odpowiednio 0°C i 70%, z tablic odczytujemy różnicę ciśnień cząstkowych, które wynosi 741 Pa. Jeśli w przekroju przegrody po podstawieniu do wzoru otrzymujemy strumień pary o wartości 0,086 g/m²h - taki wynik najlepiej świadczy o możliwości „oddychania” ściany, która rzekomo mogłaby zastąpić skuteczną wentylację.

Jednak tak niewielka ilość pary wodnej wnikającej w przegrodę - gdy nie ma możliwości odparowania jej na zewnątrz - gromadzi się w niej, osiągając w pewnym przekroju poziom nasycenia, czyli 100% wilgotności w odpowiedni niskiej temperaturze. W efekcie następuje jej kondensacja, co zależnie od miejsca i materiału przegrody powoduje różne skutki.

Jeśli proces ten zajdzie w materiale o małej nasiąkliwości i jednocześnie odpornym na wilgoć, np. styropianie, nie spowoduje to większych szkód, a wilgoć odparuje w cieplejszych porach roku. Natomiast źle zestawiona paroprzepuszczalność przegród - zwłaszcza zawierających elementy drewniane - doprowadzi do trwałego zawilgocenia i niszczenia konstrukcji.

Zjawisko takie najczęściej występuje przy niewłaściwym ocieplaniu poddasza, gdy wytwarzana w pomieszczeniach para wodna kondensuje w powszechnie wykorzystywanej termoizolacji z wełny mineralnej. Określenie możliwości kondensacji pary wodnej w konkretnej wielowarstwowej przegrodzie jest dość skomplikowane i wymaga uwzględnienia ciepłochronności poszczególnych warstw. Generalnie chodzi o znalezienie miejsca w przekroju ściany, w którym mógłby wystąpić tzw. punkt rosy, czyli osiągnięcie temperatury, przy której prężność pary wodnej odpowiadać będzie stanowi nasycenia.

Jak zabezpieczyć przegrody przed możliwością kondensacji?

Profilaktyka przed kondensacją obejmuje, zarówno spełnienie odpowiednich wymagań wykonawczych, jak i odpowiednie użytkowanie domu. Pod względem konfiguracji warstw ściennych należy kierować się ogólną zasadą doboru materiałów o niskiej paroprzepuszczalności umieszczonych od strony wewnętrznej, a wysokiej paroprzepuszczalności i izolacyjności cieplnej po stronie zewnętrznej.

Z reguły nie można więc układać paroszczelnymi warstwami od strony zewnętrznej, gdyż uniemożliwi to samoczynne wysychanie i prowadzi do trwałego zawilgocenia muru. Trzeba też zwrócić uwagę na zapewnienie równomiernej ciepłochronności przegrody - tzw. mostki cieplne przyczyniają się do kondensacji pary wodnej w tych miejscach i rozwoju pleśni, bowiem miejscowe schłodzenie powierzchni, do np. 11°C (przy 50% wilgotności powietrza) prowadzi do wykroplenia się wody. Konieczne jest również zapewnienie dostatecznej wentylacji pomieszczeń i utrzymanie wilgotności powietrza na optymalnym poziomie - zalecana ze względów fizjologicznych i technicznych wilgotność powietrza to 40-60%.

Łatwym do realizacji sposobem modyfikacji przenikalności pary wodnej przez przegrody będzie użycie specjalistycznych membran - folii paroszczelnych lub paroprzepuszczalnych. Folie paraizolacyjne układane są zawsze od wnętrza pomieszczeń i standardowo wykorzystywane w konstrukcjach domów szkieletowych, termoizolacji poddaszy, chroniąc wełnę mineralną przed zawilgoceniem.

Po drugiej stronie izolacji cieplnej (na zewnątrz) układane są folie paroprzepuszczalne jako membrany dachowe, wiatroizolacje, przy czym charakterystyczną ich własnością jest zdolność do odprowadzenia wilgoci. Producenci często definiują ją jako ilość wody, która może przeniknąć przez 1 m² folii w ciągu 24 godzin. Folie te uważane są za wysoko paroprzepuszczalne, jeśli wskaźnik ten wynosi 2000-3000 g/m² na dobę.

Jednak bardziej wiarygodnym parametrem będzie podawany przez wytwórcę współczynnik paroprzepuszczalności (dyfuzji) Sd. Określa on, równoważną pod względem paroprzepuszczalności, grubość warstwy powietrza, wyrażoną w metrach. Dla folii wysoko paroprzepuszczalnych powinien on wynosić nie więcej niż 0,03 m.

Kondensacja w spalinach urządzeń grzewczych

W procesie spalania paliw gazowych, płynnych czy stałych powstaje również pewna ilość pary wodnej. Jej pochodzenie może być dwojakie - jako efekt łączenia się (spalania) zawartego w paliwie wodoru lub w wyniku odparowania wody zawartej w wilgotnym węglu czy drewnie. Pod względem energetycznym oczywiście korzystne jest tylko spalanie wodoru, a powstałą parę wodna można skroplić, odzyskując tzw. ciepło utajone.

Pompa Wilo-Plavis-C do odprowadzania kondensatu i skroplin z urządzeń grzewczych. fot Wilo

Takie możliwości zapewniają powszechnie już stosowane gazowe kotły kondensacyjne, które teoretycznie pozwalają na zwiększenie własności energetycznej paliwa o nawet 11% - co marketingowo określane jest jako, np. 108% sprawność. Jednak korzystny efekt kondensacji dotyczy tylko paliw zawierających znaczny udział wodoru i pod tym względem najlepszy jest gaz ziemny. Jego główny składnik to metan CH₄, który w reakcji z tlenem wytwarza dużo pary wodnej. (CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O). Nieco niższa efektywność kondensacji uzyskuje się przy spalaniu gazu płynnego (zysk teoretyczny do 9%).

Pojawiają się też kotły kondensacyjne na paliwo stałe, ale praktycznie ich funkcjonowanie nie zwiększa własności energetycznych paliwa (w stanie suchym). Np. wilgotne drewno trzeba najpierw wysuszyć przez odparowanie, co pochłania energię, a z wytworzonej pary po skropleniu odzyska się tylko część włożonej energii.

Zjawisko kondensacji zachodzące na wymienniku kotła gazowego. fot. Viessmann

Kondensacja pary wodnej zawartej w spalinach wymaga obniżenia ich temperatury do wartości odpowiadającej tzw. punktowi rosy. Dla gazu ziemnego początek skraplania wystąpi poniżej 57°C, gazu płynnego ok. 50°C, a oleju opałowego 46°C. Instalacje grzewcze zasilane z takich kotłów powinny być odpowiednio zaprojektowane do pracy przy niskich temperaturach czynnika grzewczego.

Również materiał, z jakiego wykonane są komory spalania, przewody spalinowe musi być odporny na kontakt ze spalinami mokrymi. Niezamierzony efekt szkodliwej kondensacji pojawia się często przy wadliwej eksploatacji - zwłaszcza kotłów węglowych - poprzez utrzymywanie zbyt niskiej temperatury wody w obiegu kotłowym (poniżej 60-70 °C), co nie tylko prowadzi do odkładania się osadów na ściankach wewnątrz kotła, ale również obniża temperaturę spalin, powodując powstawanie groźnego dla wymiennika i komina kondensatu.

autor: Redakcja BudownicwaB2B

opracowanie: Aleksander Rembisz

zdjęcia: Dorken, Wilo, Viessmann