Rozwiązania techniczne dachu muszą spełniać obowiązujące wymagania podstawowe, umożliwiać zapewnienie komfortu cieplnego w pomieszczeniach i zachowywać swoje podstawowe właściwości w przewidywanym okresie i różnych cieplno-wilgotnościowych warunkach użytkowania.
Klasyfikacje dachów
Pod względem kształtu można wyróżnić m.in.: dachy z płaskimi połaciami, jedno, dwu, cztero lub wielospadowe, ewentualnie z uskokami, naczółkami, półszczytami, dachy mansardowe, pilaste, dachy w postaci kopuł, krzywizn.
Pod względem konstrukcyjnym dachy można podzielić na:
- stropodachy, o konstrukcji z elementów z betonu zbrojonego lub sprężonego, pozwalające, jeśli jest taka potrzeba, na przeniesienie znacznych obciążeń wynikających z dopuszczenia do ruchu po ich powierzchni pieszych lub pojazdów,
- o konstrukcji metalowej lub drewnianej, zwykle zaprojektowane do przenoszenia własnego ciężaru i obciążeń środowiskowych. Dachy współczesnych budynków, pod względem nachylenia połaci, można podzielić na: - strome, o znacznym, ułatwiającym odprowadzenie wody deszczowej i śniegu, nachyleniu połaci,
- płaskie (tarasowe), o małym pochyleniu, do kilku stopni, np. stropodachy, czyli pełniące funkcję dachu, stropy nad najwyższą kondygnacją.
Pod względem budowy można wyróżnić dachy:
- dzielone, z wentylowaną szczeliną lub przestrzenią pod pokryciem, które są stosowane z uwagi na cieplne i wilgotnościowe warunki eksploatacji (do pewnego stopnia współczesny odpowiednik poddasza nieużytkowego w dawnych budynkach),
- nie dzielone, w postaci kolejno stykających się ze sobą warstw materiałowych.
Dachy można podzielić z uwagi na zastosowany rodzaj pokrycia: dachówki, blachy, powłoki bitumiczne lub polimerowe lub dachy balastowe, z odwróconym układem warstw - izolacja cieplna nad izolacją wodochronną, z zewnętrzną warstwą dociskową w postaci żwiru, płytek betonowych oraz dachy zielone z zewnętrzną warstwą ziemną do uprawy niektórych gatunków roślin. Znaczną część przekryć stanowić mogą oszklenia.
Wymagania jakości cieplnej
Zgodnie z polskim prawem jednym z tzw. wymagań podstawowych jakie musi spełniać obiekt budowlany jest zapewnienie w przewidywanym okresie użytkowania oszczędnego zużycia energii i odpowiedniej izolacyjności cieplnej (pozostałe wymagania podstawowe dotyczą bezpieczeństwa konstrukcji, pożarowego, użytkowania, odpowiednich warunków higienicznych, zdrowotnych, ochrony środowiska, ochrony przed hałasem i drganiami).
Jakość cieplną obudowy, w tym dachu, charakteryzują:
- współczynnik przenikania ciepła,
- rozkład i ekstremalna wartość temperatury na jego wewnętrznej powierzchni.
Efektywne wartości właściwości cieplnych elementów obudowy w rzeczywistych warunkach zależą od ich szczelności na przenikanie powietrza i wilgotności. W przypadku zastosowania w dachu okien połaciowych, w odniesieniu do oszklenia zwykle wraz z współczynnikiem przenikania ciepła określa się również jego charakterystyki optyczne i współczynnik przepuszczalności całkowitego promieniowania słonecznego. Jakość cieplną połączenia dachu z innymi przegrodami zewnętrznymi charakteryzuje się podając wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła oraz minimalną wartość temperatury w obszarze połączenia.
Zła jakość cieplna dachu, zastosowanych w nim okien i świetlików oraz połączenia dachu z innymi przegrodami może przyczyniać się do:
- nadmiernego zapotrzebowania na energię do jego ogrzewania i ewentualnie chłodzenia,
- ewentualnego niedogrzewania lub przegrzewania i w konsekwencji odczucia dyskomfortu cieplnego przez osoby przebywające w pomieszczeniu,
- występowania powierzchniowej kondensacji pary wodnej, zwiększonego ryzyka rozwoju zagrzybienia.
Współczynnik przenikania ciepła dachu
Podstawowym parametrem jakości cieplnej jest współczynnik przenikania ciepła przegrody budowlanej, wyrażony w W/(m2K), który charakteryzuje jej izolacyjność cieplną w ustalonych (nie zmieniających się w czasie) warunkach, przy założeniu, że nie zachodzi przez nią intensywny przepływ powietrza i w warunkach bez oddziaływania promieniowania słonecznego.
W normach europejskich (PN-EN) oznaczany jest literą "U" (w dawnych normach używano oznaczenia literą "k"). Wyraża ilość ciepła, w W, przenikającą w warunkach ustalonych przez 1 m2 powierzchni rzutu przegrody w kierunku głównego strumienia ciepła (ściany, dachu, stropodachu, okna, drzwi), przy jednostkowej różnicy temperatury (1 K), rys. 1. Rys. 1
Współczynnik przenikania ciepła U z indeksem dolnym "c" uwzględnia dodatki ΔU np.:
- z uwagi na punktowe mostki cieplne występujące w miejscu zastosowania mocowań za pomocą łączników mechanicznych (kołków, wkrętów, śrub),
- lub z uwagi na wpływ opadów w odniesieniu do stropodachu o odwróconym układzie warstw.
Wartość współczynnika przenikania ciepła oblicza się na podstawie projektowych (obliczeniowych) wartości współczynników przewodzenia ciepła λ materiałów (lub wartości oporu cieplnego R). Wartość projektowa jest wartością oczekiwaną w warunkach uważanych za typowe w odniesieniu do zastosowanego wyrobu, najczęściej przy przyjęciu średniej temperatury w odniesieniu do wyrobu (10°C) i jego wilgotności w stanie równowagi termodynamicznej z powietrzem o określonej wilgotności względnej (np. 80%).
Wartości projektowe (obliczeniowe) w odniesieniu do izolacji cieplnych i innych wyrobów budowlanych (np. elementów murowych, okien) przyjmuje się na podstawie wartości deklarowanych przez producentów, opartych na wynikach badań przeprowadzonych w upoważnionym do tego celu laboratoriach. Badania izolacji cieplnych przeprowadza się tak aby na ich podstawie można było stwierdzić, że 90% produkcji danego wyrobu jest nie gorsze niż wartość deklarowana na poziomie ufności 90%.
W niektórych normach PN-EN są zamieszczone orientacyjne (zwykle znacznie zawyżone) wartości właściwości cieplnych materiałów, z tego powodu najlepiej opierać się na, potwierdzonych raportami z badań, deklaracjach producentów konkretnych wyrobów budowlanych.
W przypadku przegród, w których występują warstwy niejednorodne cieplne, (np. warstwa, w której konstrukcja drewniana lub metalowa jest wypełniona izolacją cieplną), wartość współczynnika przenikania ciepła może być określona na podstawie współczynnika sprzężenia cieplnego (strumienia ciepła przenikającego przez przegrodę w ustalonych warunkach, odniesionego do jednostkowej różnicy temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego), którego wartość określa się na podstawie wyników komputerowych obliczeń pola temperatury.
Rsi, Rse- opory przejmowania ciepła na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej przegrody, w odniesieniu do dachu można przyjmować ich łączną wartość równą 0,14 (m2K)/W;
d, λ - grubość i współczynnik przewodzenia ciepła jednorodnej cieplnie warstwy materiałowej;
L3D, A -współczynnik sprzężenia cieplnego i powierzchnia przegrody, z warstwami niejednorodne cieplnymi.
Wartości współczynników przenikania ciepła elementów obudowy oraz wartości liniowych współczynników przenikania ciepła w odniesieniu do ich połączeń niezbędne są określenia strat ciepła przez przenikanie w obliczeniach mocy cieplnej potrzebnej do ogrzania pomieszczeń lub sezonowego zapotrzebowania budynku na ciepło do tego celu. Wartości współczynników przenikania ciepła elementów obudowy nie mogą być niższe od wartości dopuszczalnych określonych w przepisach budowlanych. Wg aktualnych wymagań najniższa wartość współczynnika przenikania ciepła w odniesieniu do dachów jest równa 0,30 W/(m2K).
Normy dotyczące określania izolacyjności cieplnej przegród budowlanych w tym dachów:
1. PN-EN ISO 13789:2001: Właściwości cieplne budynków - Współczynnik strat ciepła przez przenikanie - Metoda obliczania
2. PN-EN ISO 6946:2004: Komponenty budowlane i elementy budynku - Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła - Metoda obliczania
3. PN-EN ISO 10211-1:2005: Mostki cieplne w budynkach - Obliczanie strumieni cieplnych i temperatury powierzchni - Część 1: Metody ogólne + Ap1:2006
4. PN-EN ISO 10211-2:2002: Mostki cieplne w budynkach - Obliczanie strumieni cieplnych i temperatury powierzchni - Część 2: Liniowe mostki cieplne
5. PN-EN ISO 14683:2001: Mostki cieplne w budynkach - Liniowy współczynnik przenikania ciepła - Metody uproszczone i wartości orientacyjne
6. PN-EN ISO 10456:2004: Materiały i wyroby budowlane - Procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych
7. PN-EN 12524:2003: Materiały i wyroby budowlane - Właściwości cieplno-wilgotnościowe - Tabelaryczne wartości obliczeniowe
8. PN-EN ISO 10077-1:2006 (U): Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji - Obliczanie współczynnika przenikania ciepła - Część 1: Postanowienia ogólne
Rozkład temperatury na wewnętrznej powierzchni
Od wartości temperatury wewnętrznej powierzchni przegród istotnie zależy ryzyko występowania powierzchniowej kondensacji pary wodnej i rozwoju zagrzybienia oraz odczucia komfortu cieplnego w pomieszczeniach. Zależy ona od izolacyjności cieplnej przegrody, warunków przejmowania ciepła na jej powierzchni oraz temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego.
W celu scharakteryzowania jakości cieplnej z uwagi na temperaturę powierzchni w sposób niezależny od wartości temperatury środowisk, stosuje się współczynnik temperaturowy fRsi. Jego wartość jest równa różnicy temperatury powierzchni i temperatury środowiska zewnętrznego, podzielonej przez różnicę temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego, określoną przy przyjęciu wartości oporu przejmowania ciepła fRsi na wewnętrznej powierzchni obudowy.
(2)
W odniesieniu dowolnego zestawu wartości temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego wartość temperatury powierzchni może być obliczona wg poniższego wzoru (przykłady graficzne zamieszczono na (rys. 2):
(3)
Normowe kryterium ochrony przed powierzchniową kondensacją pary wodnej jest podane w postaci:
(4)
Wewnętrzna powierzchnia obudowy jest zabezpieczona przed kondensacją pary wodnej jeżeli jej temperatura jest wyższa od punktu rosy powietrza. Punkt rosy jest wartością temperatury, w której powietrze zawierające określoną ilość pary wodnej osiąga stan nasycenia. W powyższym kryterium maksymalną dopuszczalną wilgotność względną w odniesieniu do temperatury powietrza równej temperaturze powierzchni jest stan nasycenia, czyli:
fRsi,dop = 1,0 (100%),
fRsi,dop = 0,8 (80%) - w odniesieniu do powierzchni obudowy wykonanej z materiałów o budowie kapilarno-porowatej np. wyrobów ceramicznych, wapienno-piaskowych, betonów kruszywowych i komórkowych, gipsów i zapraw, ze względu na zjawisko tzw. kondensacji kapilarnej.
Wartość dopuszczalną współczynnika temperaturowego określa się z uwzględnieniem intensywności wentylacji i emisji wilgoci w pomieszczeniu.
Wartości dopuszczalne w odniesieniu przegród o małej bezwładności cieplnej (np. lekkie konstrukcje szkieletowe), w zależności od wilgotności pomieszczenia i wartości temperatury środowiska zewnętrznego, podano na rys. 3.
Rys. 3
Rzeczywiste warunki przepływu ciepła w dachach
W rzeczywistości warunki przepływu ciepła przez dach ulegają nieustannym zmianom. Wahania temperatury i wilgotności powietrza w środowisku zewnętrznym i wewnętrznym, prędkości i kierunku wiatru i promieniowania słonecznego powodują nie tylko zmiany warunków wymiany ciepła na powierzchniach dachu, ale również mogą wpływać na izolacyjność cieplną samej przegrody.
Ponieważ badania procesów nieustalonych są skomplikowane i długotrwałe, do oceny zachowania się przegród często wykorzystuje się symulację komputerową przepływu ciepła lub, jeśli jest taka potrzeba, sprzężonego przepływu ciepła i wilgoci.
Istotny wpływ na rzeczywistą izolacyjność cieplną obudowy ma jej szczelność na przenikanie powietrza. W materiałach o zwartej budowie i spienionych tworzywach sztucznych filtracja powietrza nie występuje. Może ona powstawać w niezabezpieczonych przed "przewiewaniem" materiałach włóknistych, ułożonych luzem zasypkach materiałów izolujących cieplnie oraz przez szczeliny w obudowie miedzy materiałami lub elementami obudowy.
Zjawisko miejscowego pogorszenia izolacyjności cieplnej dachu na skutek intensywnego przepływu powietrza przez izolację cieplną (w trakcie działania silnego wiatru) może występować przy okapie, w dachu z wentylowaną szczeliną pod pokryciem połaci dachu stromego, co schematycznie przedstawiono na rys. 4. Skutki mogą być obserwowane w postaci zwiększonego zapotrzebowania na ciepło do ogrzania pomieszczenia lub jego niedogrzania oraz ewentualnego występowania powierzchniowej kondensacji pary wodnej.
Rys. 4
Ze względu na zastosowanie materiałów różniących się przewodnością cieplną i przestrzenny charakter połączeń przegród budynku pole temperatury w dachu w wielu miejscach jest dwu lub trójwymiarowe.
Rozkład temperatury w takim przypadku można wyznaczyć na podstawie wyników symulacji komputerowej, wg PN-EN ISO 10211-1. Na rys. 5 pokazano przykład obliczonego programem SOLIDO PHYSIBEL rozkładu izoterm w warunkach ustalonego przepływu ciepła w narożu dachu stromego i ściany szczytowej.
Rys. 5
Z powodu nieustannych zmian warunków cieplnych w środowisku zewnętrznym i w mniejszym stopniu w środowisku wewnętrznym pole temperatury w dachu zmienia się w czasie.
Na rys. 6 przedstawiono wartości temperatury wewnętrznej powierzchni obudowy w wybranych miejscach przykładowego naroża ścian i stropodachu (w obszarach jedno, dwu i trójwymiarowego pola temperatury), wykonane programem VOLTRA PHYSIBEL, przy przyjęciu periodycznych zmian wartości temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego.
Rys. 6
