Jak uniknąć kondensacji pary wodnej w budynku?

Para wodna, czyli woda w stanie gazowym - choć najczęściej niewidoczna - towarzyszy nam zawsze, niezależnie od miejsca przebywania. Jej obecność ma znaczący wpływ na nasze samopoczucie, kształtuje pogodę, a wewnątrz domu oddziałuje na wiele obszarów jego funkcjonowania. Najczęściej staje się przyczyną różnych problemów technicznych, ale są też dziedziny, gdzie może spełniać pożyteczną rolę. Najwięcej kłopotów sprawia zdolność pary wodnej do kondensacji, czyli przechodzenia ze stanu gazowego w ciecz, gdy wystąpią sprzyjające do tego warunki.

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

Z wielu właściwości pary wodnej, w zakresie fizyki budowli jak 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:

Parametr

Powietrze wewnętrzne

Powietrze zewnętrzne

Temperatura

21°C

-10°C

Wilgotność względna

40%

70%

Ciśnienie parcjalne

994 Pa

181 Pa

Zawartość pary wodnej przy aktualnej wilgotności

9,94 g/kg powietrza

1,13 g/kg powietrza

Zawartość pary wodnej w stanie nasycenia

24,85 g/kg powietrza

1,62 g/kg powietrza

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.

Istotna cechą wody przechodzącej w parę wodną jest wysokie ciepło parowania (ok. 2300 kJ/kg) i o takiej samej wartości gdy zachodzi odwrotny proce - 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 j 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 stopni Celsjusza i 50% i zewnętrzne - odpowiednio 0 stopni Celsjusza 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 mineralne. 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 prężności 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 zapewnieniu 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 stopni Celsjusza (przy 50% wilgotności powietrza) prowadzi do wykroplenia się wody. Konieczne jest również zapewnienie dostateczne 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 wysokoparoprzepuszczalne, 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 wysokoparoprzepuszczalnych powinien on wynosić nie więcej niż 0,03 m.

Kondensacja w spalinach urządzeń grzewczych

W procesie spalania paliw gazowych, płynnych czy stałych powstaje równie 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
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 spalani 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 energie, a z wytworzonej pary po skropleniu odzyska się tylko część włożonej energii.

Zjawisko kondensacji zachodzące na obudowie wymiennika kotła gazowego. fot. Viessmann
Zjawisko kondensacji zachodzące na wymienniku kotła gazowego. fot. Viessmann

Kondensacja pary wodnej zawartej w spalinach wymaga obniżenia ich temperatury do wartości odpowiadającej tzw. punkowi rosy. Dla gazu ziemnego początek skraplania wystąpi poniżej 57 stopni Celsjusza, gazu płynnego ok. 50 stopni Celsjusza, a oleju opałowego 46 stopni Celsjusza. Instalacje grzewcze zasilane z takich kotłów powinny wiec 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 węgłowych - 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: Cezary Jankowski

opracowanie: Aleksander Rembisz

zdjęcia: Dorken, Wilo, Viessmann

film: MARMA Polskie Folie

Komentarze

FILMY OSTATNIO DODANE