Меню разделаНа главную

УТЕПЛЕНИЕ КРЫШ


Влияние водяного пара и температуры воздуха на эффективность теплоизоляции

Внутри дома, где большую часть года поддерживается температура воздуха выше, чем на улице, абсолютная насыщенность воздуха водяными парами всегда больше его атмосферной насыщенности. Люди выделяют пар дыханием и кожей, кроме того, влажность увеличивается за счет комнатных растений, приготовления пищи, стирки белья, купания и прочих причин. Поэтому пар практически всегда перетекает из помещения наружу и только в летние месяцы он может следовать в обратном направлении, когда воздух в комнатах прогревается меньше, чем воздух на улице.

Дело в том, что определенный объем воздуха способен удерживать в себе некоторое количество пара. Так, например, один кубометр воздуха, нагретого до 20°С, может содержать в себе 17,3 грамма водяных паров, что соответствует 100% относительной влажности. Большее количество пара этот объем воздуха при данной температуре не вмещает. Когда воздух полностью насыщается водяным паром, то при малейшем снижении температуры вода превращается обратно в жидкость. В природе это такое хорошо нам знакомое явление, как туман. При увеличении температуры воздуха и неизменном барометрическом давлении его плотность уменьшается и он способен принять еще некоторое количество пара, а при снижении температуры, наоборот, плотность воздуха увеличивается и он вытесняет «лишний» пар. Становится понятным, что в воздухе, например, нагретом до 20°С, в абсолютном значении содержится больше пара, чем в воздухе, остывшем на улице, предположим, до -10°С. В теплом воздухе такой температуры его может содержаться 17,3, а в холодном только 2,3 грамма при одинаковой 100% относительной влажности. Если мы сейчас на секундочку забудем, что этот пар находится в воздухе, то становится совершенно очевидным, что давление водяных паров внутри теплого помещения значительно превышает давление пара на улице. Его в кубометре теплого воздуха находится физически больше, чем в кубометре холодного. И что будет происходить? Как в сообщающихся сосудах пар будет перетекать из того места, где его много, в то место, где его мало, а воздух, находящийся под одинаковым барометральным (атмосферным) давлением и из-за разности температур незначительно различающийся по плотности, будет очень медленно просачиваться в помещение. Получается, что водяной пар перемещается в газовой среде воздуха. Перемещение пара называется диффундированием. Водяной пар диффундирует всегда в ту сторону, где ниже температура воздуха, то есть через стены, перекрытия и крышу на улицу и в холодные подвалы, а более холодный и плотный уличный воздух перемещается в обратную сторону и перемешивается с более теплым внутренним воздухом помещения, выдавливая «избыток» в атмосферу через вытяжку. По ряду причин доля инфильтрации воздуха через ограждающие конструкции значительно ниже доли диффундирования пара, а разность парциальных давлений водяного пара может достигать в обычных условиях значений более 1,3 кПа. В основном, через ограждающие конструкции диффундирует пар, а не воздух. Воздушная газовая среда, которой «за бортом» — целый океан, находит себе более легкие пути проникновения в помещение: через щели и неплотности дверей, окон и т. д.

В жилых мансардных помещениях и в неотапливаемых чердаках, в силу физических законов, температура воздуха под потолком помещения выше, чем температура воздуха возле пола на 2–4°С. Поэтому более теплый воздух под потолком способен удерживать в себе большее количество воды, чем воздух над полами. Из-за этого диффундирование водяных паров происходит неравномерно: большая часть проходит через верхние ограждающие конструкции (крышу и верхнюю часть стен), меньшая — через подвальное перекрытие и нижнюю часть стен. Воздух до предела насыщенный паром при понижении температуры «выдавливает» из себя пар и тот превращается в воду, это называется выпадением росы. Однако в помещении стопроцентное насыщение воздуха паром бывает редко, часто его относительная влажность бывает гораздо ниже. Например, в помещении при температуре воздуха 20°С и 50% влажности содержится всего 8,7 гр/м³ водяного пара. Что будет происходить, если температура воздуха будет понижаться? Абсолютное значение содержащегося в воздухе пара останется прежним, его как было 8,7 грамма, столько же и осталось, но при понижении температуры, а следовательно, увеличении плотности воздуха, растет величина относительной влажности. При достижении температуры воздуха примерно 9°С относительная влажность вырастет до 100% и выпадет роса. Тот же эффект будет, если в комнату внести холодный предмет, имеющий температуру ниже 9°С, он покроется росой. А если этим предметом окажется ограждающая конструкция дома (крыша, стена, перекрытие)? Роса выпадет на их поверхности или внутри них, то есть в помещении с нормальной температурой воздуха 20°С и 50% влажности, но с холодными ограждающими конструкциями (с температурой 9°С) будет конденсироваться влага. Температура, при которой выпадает роса, называется температурой точки росы. Эта температура — величина не постоянная и зависит от начальной температуры и влажности воздуха. Например, воздух, нагретый под крышей солнечным днем, остынет ночью и при неизменных абсолютной влажности и барометральном (атмосферном) давлении, но при снижении температуры, изменит свою относительную влажность и роса сконденсируется на внутренней поверхности кровли. Произойдет неожиданная вещь, на потолке вы вдруг обнаружите сырые пятна от протечки, хотя кровля абсолютно герметична и дождя не было.

Для того чтобы роса не выпадала на внутренней поверхности кровли необходимо постараться выровнять температуру воздуха сверху и снизу кровли. Раз мы не можем бороться с атмосферным давлением и абсолютным содержанием водяного пара в воздухе внутри помещения (не прекратить же нам свою жизнедеятельность), то остается только один параметр — температура. Если забыть, что человечеством изобретены кондиционеры и прочие осушители воздуха, то выравнивание температуры можно достичь единственным способом: обеспечить замещение внутреннего воздуха наружным, то есть устройством вентиляции (рис. 125).

Устройство вентиляции подкровельного пространства
рис. 125. Устройство вентиляции подкровельного пространства чердачной крыши (все, возможные, варианты)

Материал ограждающих конструкций обладает свойством паропроницаемости. Стены и крыша мансардного помещения изначально должны проектироваться таким образом, чтобы паропроницаемость росла от внутренней поверхности к внешней. Другими словами, пар, диффундируя в ограждающую конструкцию, должен сначала встретить слой с низкой паропроницаемостью, затем попадать в слои с более высокой паропроницаемостью. Пар должен с трудом попадать в конструкции крыши и стены, но уж если он туда попал, то легко выводиться на улицу. Что будет, если поступить наоборот, сделать для пара легкий вход и затруднить выход? Результат очевиден: в ограждающей конструкции он и останется, смачивая и разрушая строительный материал.

Кстати, именно такое расположение материалов, с расширением пор от внутренней поверхности к наружной и помогающей удалить пар, затрудняет инфильтрацию холодного воздуха в помещение.

Теплоизоляцию кровли обеспечивает слой, выполненный из специальных материалов с низкой теплопроводностью — утеплителей. Как ограждающая конструкция, кровля функционирует в жестком температурном режиме, испытывая на себе воздействие температурных колебаний. Ее нижняя поверхность, например, потолок мансарды, имеет температуру, близкую к температуре в помещении. В то же время температура наружной поверхности меняется в широком диапазоне от -50°С зимой до +90°С в солнечный летний день. При этом кровля должна надежно ограждать внутренние помещения здания от колебаний температур, защищая зимой от холода, а летом от жары. Установка в кровлю слоя утеплителя должна сохранять внутреннюю температуру помещения неизменной при любом колебании температуры наружного воздуха.

В зимний период года, а именно в это время диффундирование наиболее активно, просачиваясь сквозь стены и крышу, пар проходит несколько температурных зон. Попадая в ограждающую конструкцию с теплой внутренней, он движется к холодной наружной стороне. На пути движения пар остывает и может достичь температуры точки росы. В грамотно сконструированной мансарде вода и пар должны быть отведены из утеплителя (или не допущены в него) и не изменять (насколько это возможно) его теплотехнических свойств. Отвод водяных паров происходит за счет создания вентиляции прямо над слоем утеплителя. Устойчивый ветровой поток будет выполнять две функции: уличный воздух, попадая под кровлю, будет замещать собой насыщенный влагой подкровельный воздух и выравнивать температуру подкровельного пространства, делая ее близкой к температуре наружного воздуха.

Низкая теплопроводность утеплителей обусловлена наличием в них пор, заполненных воздухом. Чем больше таких пор, чем мельче их размер и меньшая доля в объеме материала приходится на его твердую фазу, тем большим термическим сопротивлением будет обладать материал. Теплосберегающие материалы различаются по характеру пор: поры бывают открытые и закрытые (заключенный в закрытых порах воздух не сообщается с атмосферным воздухом напрямую). В вентиляционных продухах воздействие устойчивого ветрового потока на теплосберегающую способность материалов с преобладанием закрытых пор невелико. Зато воздействуя на открытые поры, ветер выносит из них устоявшийся нагретый воздух и частички самого утеплителя, сводя утепляющие свойства материала на нет. Для предотвращения негативного воздействия ветра на продуваемые утеплители используют ветрозащитные покрытия. В качестве ветрозащиты применяются различные материалы, лучше всего себя зарекомендовали паропроницаемые мембраны. Это специальные перфорированные пленочные покрытия, которые с одной стороны могут пропускать водяной пар, а с другой задерживать воду. Накрывая утеплитель паропроницаемой мембраной, мы добиваемся того, что пар будет удаляться из утеплителя, а конденсат, осевший на внутренней стороне кровельного покрытия и по мере накопления воды стекающий на утеплитель, не проникнет в него.

Паропроницаемость мембраны должна быть выше либо равной паропроницаемости утеплителя. Приобретая утеплитель и мембрану, необходимо сверять их технические характеристики по паропроницаемости. Иначе все может случиться с точностью до наоборот: мембрана с меньшей, чем утеплитель паропроницаемостью оставит водяной пар в толще утеплителя, который со временем намокнет и перестанет «утеплять». В некоторых случаях дорогостоящую мембрану можно заменить более дешевой перфорированной (в мелких дырочках) полиэтиленовой пленкой. Перфорация выводит водяной пар из утеплителя, а диаметр «дырочек» таков, что конденсат не просачивается через пленку, так как ей не позволяет это сделать сила поверхностного натяжения воды. Однако повторимся, использование перфорированной полиэтиленовой пленки возможно только в том случае, если ее паропроницаемость выше паропроницаемости утеплителя.

Уменьшения количества пара, поступающего из помещения в утеплитель, добиваются устройством пароизоляции. Ее делают из паронепроницаемого материала: пергамина, полиэтиленовой пленки и других пленочных материалов. Пароизоляция устанавливается с нижней (внутренней) стороны утеплителя. Другими словами, водяной пар сначала должен встретиться с пароизоляцией, а уже потом то, что все-таки просочилось, с утеплителем, пройдя его, с паропроницаемой мембраной и уже после этого он подхватывается воздушным потоком и уносится в атмосферу (рис. 126).

Диффундирование водяного пара сквозь конструкцию мансардной крышы
рис. 126. Диффундирование водяного пара сквозь конструкцию мансардной крышы

Небольшое отступление от темы. Пароизоляция, если смотреть из помещения, всегда становится первым конструктивным слоем, например, при установке ее в полу первого этажа над неотапливаемым подвалом она устраивается вверху (под одеждой чистого пола), а не снизу (по перекрытию). При разделении помещений с разными температурными режимами или размежевании помещения с улицей пароизоляция должна быть первым конструктивным слоем со стороны теплого помещения. Как уже говорилось, водяной пар всегда диффундирует в сторону более холодного воздуха.

При утеплении мансарды, полностью сделанной по деревянному каркасу, пароизоляция устанавливается по всему контуру помещения: крыше и стенам. Поэтому, особенно при наличии в доме открытой лестницы, соединяющей мансарду с нижним этажом (этажами), весь теплый воздух будет скапливаться именно в мансарде. Она станет самым теплым помещением дома. При разной температуре воздуха (на этажах она будет ниже ), но равной относительной влажности во всем доме, пар, весовой объем которого в теплом воздухе мансарды будет больше, станет перетекать на нижние этажи. Поэтому необходимо заранее продумать систему вентиляции дома: смонтировать вытяжную трубную вентиляцию (на всех этажах, включая мансарду) либо установить осушители воздуха или кондиционер. Лестницы желательно проектировать в отдельной лестничной клетке, отгороженной перегородками и дверями.

В мансардах, фронтоны которых сделаны из того же материала, что и стены, эта проблема не столь заметна. Водяной пар теплого воздуха мансарды будет частично диффундировать сквозь стены мансарды, поскольку фронтоны не защищены пароизоляцией, а температура воздуха на улице заметно ниже, чем в помещениях под мансардой. В таких домах лестницы можно делать открытыми, то есть соединяющие помещения напрямую. И все же следует постараться отделить лестницу от самых «влагогенерирующих» помещений: кухни и санузлов. И разумеется, эти помещения в обязательном порядке должны быть обеспечены собственной системой вентиляции.

Но самое главное, это правильно организованные вентиляция и отопление во всем доме, вот главный залог здорового воздуха: и дышать будет легко, и конструкции от сырости не загниют, и температуру всех помещений можно регулировать по своему усмотрению. Пар должен диффундировать на улицу через вентиляционные трубы, а не через стены.

Задачи подкровельной вентиляции следующие:
1. Удаление остаточного водяного пара, проникающего наверх из внутренних помещений.
2. Выравнивание температуры по всей поверхности крыши (во избежание образования льда на холодных карнизных свесах вследствие таяния снега над обогреваемыми поверхностями скатов).
3. Снижение наплыва тепла, возникающего под кровельной обшивкой от действия солнечного излучения.

Площадь приточных и вытяжных отверстий, необходимых для вентиляции чердачного пространства, (рис. 2) должна быть рассчитана в зависимости от объема, функционального назначения, заданной температуры воздуха и других параметров. В СП 17.13330.2011 говорится: «Во избежание образования со стороны холодного чердака конденсата на поверхностях кровель должна быть обеспечена естественная вентиляция чердака через отверстия в кровле (коньки, хребты, карнизы, слуховые окна, вытяжные патрубки и т.п.), суммарная площадь которых принимается не менее 1/300 площади горизонтальной проекции кровли».

Для вентиляции подкровельного пространства жилой мансарды (рис. 2, 3) нужно создать конвективный воздушный поток внутри конструкции ската крыши — от карниза вверх к коньку. «Высота вентилируемых каналов и размеры входных и выходных вентотверстий канала зависят от уклона, площади кровли и влажности внутренних слоев крыши (таблица)» (СП 17.13330.2011).

Размеры вентиляционных продухов утепленных крыш
Уклон кровли Высо­та вент­кана­ла для выво­да паро­образ­ной влаги, мм Высо­та вент­кана­ла для выво­да паро­образ­ной и строи­тель­ной вла­ги, мм Раз­мер вход­ных вент­отвер­стий кана­ла от пло­ща­ди кров­ли Раз­мер выход­ных вент­отвер­стий кана­ла от площа­ди кров­ли
< 5° (9%) 100 250 1/100 1/200
5–менее 25° (9–менее 47%) 60 200 1/200 1/400
25–45° (47–100%) 40 150 1/300 1/600
> 45° (100%)

40

50 1/400 1/800

При монтаже кровельного покрытия нужно укладывать его правильной стороной. Не переворачивайте листы кровли. Обычно внутренняя сторона кровли шершавая или предприняты другие мероприятия для борьбы с конденсатом. Даже у всем нам хорошо знакомых волнистых асбестоцементных листов есть сторона, укладываемая вверх (на улицу), и сторона, направленная внутрь крыши. Верхняя сторона шифера имеет бороздки для стока воды, а нижняя — шершавая. Низ многих кровельных материалов изготовлен таким образом, чтобы оседающий на ней конденсат не собирался в критическую массу воды и не стекал по внутренней стороне кровли, а высыхал на ней. Либо кровельный материал допускает сбор конденсата, но в этом случае в кровле предусматриваются канавки для перехвата стекающей по внутренней стороне воды и отвод ее на крышу на нижележащие листы. Так, например, сделаны листы металлочерепицы.