Физики опровергают устойчивый миф о том, что под высокоотражающими кровельными мембранами накапливается избыточная влага
Для покрытия малоуклонных крыш с некоторых пор широко используются высокоотражающие мембраны, также известные как «холодные кровельные покрытия». В самом начале их применения в США, в 1990-х годах, практически из всех штатов, вне зависимости от климатических условий, поступали сообщения о том, что под такими мембранами накапливается избыточная влага. Так сформировался некий миф, под воздействием которого, владельцы жилья и профессиональные строители стали избегать применения высокоотражающих мембран, ведь накопление влаги под кровельным покрытием — серьезное и опасное явление, вызывающее снижение теплоизоляционных характеристик конструкции крыши, а также риск биологического разрушения.
Эта информация активно используется в рекламных листовках, продвигающих неотражающие типы покрытий, однако нигде не приводятся научные доказательства этого факта. Посмотрим, удастся ли опровергнуть заявление о том, что под высокоотражающими мембранами скапливается вода, с помощью физики.
Распределение температур
Давайте проанализируем, как работает высокоотражающая мембрана на малоуклонной кровле. Как следует из ее названия, мембрана отражает падающий на нее солнечный свет в диапазоне длин волн от 280 до 3000 нм. Отражая большую часть падающего света в течение дня, такая мембрана будет иметь более низкую температуру поверхности, чем ее неотражающий аналог более темного цвета.
На рис. 1 отображены данные эксперимента, проведенного Среднезападной ассоциацией кровельщиков. В едином воздушном пространстве были смонтированы две кровельные конструкции одинаковые во всем, кроме финишного покрытия. Первая из них была покрыта неотражающей мембраной (доля отраженного света — 7%), а вторая — высокоотражающей (доля отраженного света — 69%). Отражающая способность материалов измерялась рефлектометром в течение нескольких недель перед экспериментом.
Рис. 1. Распределение температуры кровельных покрытий по времени:
красная линия — температура неотражающего покрытия;
синяя линия — температура высокоотражающего покрытия;
зеленая линия — температура окружающей среды.
Анализируя рис.1, можно обнаружить ряд интересных фактов. Во-первых, белая высокоотражающая мембрана работает при более низкой температуре, чем менее отражающая темная, препятствуя тем самым перегреву низлежащих слоев кровельного «пирога». Во-вторых, ночью, в отсутствие солнечного излучения, температуры обеих мембран практически совпадают. И наконец, можно заметить, что в течение ночи температура обеих мембран ниже температуры окружающей среды. Эти выводы подтверждаются многими другими опубликованными работами.
Распределение влажности
Влага может попадать и распространяться внутри кровельного «пирога» с помощью четырех разных механизмов.
- Диффузия пара
- Капиллярное движение
- Движение под воздействием гравитации
- Массоперенос с воздушными течениями
- Диффузия пара — «страшный сон» проектировщиков и подрядчиков. Диффузия происходит в том случае, когда имеется значительная разница концентраций водяного пара (градиент) в разных точках системы, например, внутри и снаружи здания. Рассмотрим, например, хорошо кондиционируемое здание в горячем, влажном климате Флориды. Давление водяного пара вне здания выше, чем внутри него, поэтому массоперенос будет направлен извне — вовнутрь. Противоположный эффект наблюдается зимой, например, в Висконсине, когда мы имеем теплый увлажненный воздух внутри помещения и сухой холодный — снаружи. В этом случае направление массопереноса — из помещения во внешнюю среду, чтобы уравнять концентрацию водяного пара.
Фактически, если известен градиент давления водяного пара и паропроницаемость материалов между точками, где этот градиент измерен, то можно подсчитать массу воды, которая будет перемещаться в единицу времени из точки с более высоким давлением водяного пара в точку, где этот показатель ниже.
В пределах кровельной конструкции это также означает распространение влаги от более влажных участков утеплителя к более сухим. Скорость этого процесса заметно зависит от паропроницаемости материала. Например, паропроницаемость полиизоцианурата в 28 раз ниже аналогичного показателя минеральной ваты, это означает, что движение влаги через слой минеральной ваты происходит в 28 раз быстрее, чем через идентичный по толщине слой полиизоцианурата.
- Суть капиллярного движения легко проиллюстрировать с помощью обычного бумажного полотенца. Оно впитывает воду за счет сил поверхностного натяжения. В пределах кровельной конструкции это явление вызывает проникновение воды в местах перехлеста полотнищ рулонных материалов и даже металлических панелей. Также капиллярный эффект наблюдается в микроскопических порах материала, например, между отдельными волокнами стекловолоконных утеплителей. Этот эффект поддается расчету, точное количество жидкости, перенесенной по этому механизму можно подсчитать, равно как и количество жидкости перенесенное с помощью диффузии водяного пара.
- Движение, вызванное силой тяжести — также распространено в пределах кровельных систем. Вода бежит всегда «под гору» и если целостность кровельного покрытия нарушена, то действие силы тяжести неизбежно приведет к распространению воды в более глубокие слои «пирога», и в конечном итоге, к ее протечке внутрь помещения.
- Четвертый механизм массопереноса внутри кровельной конструкции — с помощью воздушных потоков естественного или искусственного происхождения. К естественным причинам относится ветер; движение воздуха от областей с более высокой температурой к более холодным областям; а также воздушные потоки, возникающие при приподнятии механически закрепленной мембраны порывами ветра. Искусственные воздушные потоки вызываются работой систем вентиляции здания. Вне зависимости от причин возникновения, любые воздушные потоки могут переносить водяные пары. Этот путь распространения влаги малопредсказуем, его интенсивность зависит от многих переменных, уникальных для каждого здания, и именно этот путь чаще всего недооценивают.
Движущая сила диффузии
Рассмотрим газовый закон Бойля-Мариотта:
pV = nRT, которому подчиняется насыщенный водяным паром воздух, где
p — давление;
V — объем;
n — число молей газа;
R- универсальная газовая постоянная;
Т — температура.
Проанализируем следующий случай. В мембране, уложенной на малоуклонную крышу, имеется воздушный «пузырь». Утром, когда мембрана еще холодная, «пузыри» малы и практически незаметны, однако, когда солнце нагреет крышу, температура «пузыря» увеличится. Чтобы уравновесить изменение температуры, объем «пузыря» также возрастет. Те же силы управляют и движением водяных паров. Если в слое теплоизоляции имеется вода, то вне зависимости от того, как она туда попала, при увеличении температуры должны увеличиться либо давление в системе или ее объем, в противном случае равенство Бойля-Мариотта нарушится. Однако в кровельной системе скорее увеличится давление, нежели объем, в результате чего поток воздуха, насыщенный водяным паром попадет внутрь здания, двигаясь от области с более высоким давлением водяного пара к областям с более низким давлением. Этот механизм может работать в обоих направлениях — солнечным днем поток воздуха, насыщенного паром, устремляется из кровельной конструкции внутрь помещения, а ночью, из влажных и теплых внутренних помещений воздух поднимается к более холодной крыше, насыщая ее влагой.
Самовысыхание кровельных систем
Концепция самовысыхания кровельных систем была выведена в 1980-х годах. идея заключается в том, что количество влаги, получаемой кровлей в течение холодных зимних месяцев уравновешивается количеством влаги, теряемой ею же за время жаркого лета. В результате годовой баланс влаги равен нулю. Вопрос самовысыхания крыш был заново поднят в 1990-е годы, в результате чего множество крыш было смонтировано без паробарьера, несмотря на то, что «ручным» расчетом была подтверждена его необходимость. Кровельная отрасль подтвердила, что в зимние месяцы имеет место увеличение влажности в конструкции крыши, а в летние — ее уменьшение.
Объединяя вышесказанное
Вернемся к рис. 1 и проанализируем каждый из четырех путей распространения воды в кровельной конструкции — влияет ли на них температура кровли, а значит и ее светоотражающая способность?
В общем случае — нет.
Зависит ли движение воды под воздействием силы тяжести от температуры кровельной мембраны?
Нет. Оно зависит от степени целостности мембраны, но не от ее температуры.
Зависит ли капиллярное движение воды от температуры кровли?
Снова нет.
Как насчет диффузии водяных паров?
А вот этот параметр напрямую зависит от температуры! Чем выше температура, тем выше скорость диффузии, при низких температурах этот процесс замедляется. Это значит, что более горячая кровля быстрее выводит водяной пар наружу, проще говоря — быстрее высыхает, в том числе и после зимнего накопления влаги.
Две модельных кровли, рассмотренных в эксперименте (рис. 1) смонтированы без паробарьера. Максимальный приток влаги путем диффузии в них будет наблюдаться в ночные часы, когда температура крыши минимальна. Однако обратим внимание на то, что именно ночью температуры обеих крыш равны, а значит приток влаги в них будет одинаковым. Однако с восходом солнца картина изменится — и неотражающая кровля высохнет быстрее, чем высокоотражающая. Если за день высокоотражающая кровля не успеет испарить всю влагу, поглощенную за предыдущую ночь, то — да! — влага в ее конструкции будет накапливаться. Но задайте себе вопрос — это вызвано напрямую светоотражающими способностями кровли? Нет, просто она находится в менее выгодном положении, нежели крыша, покрытая материалом, не отражающим свет. Существует ряд приемов, позволяющих облегчить высыхание кровли — в случае высокоотражающих покрытий нужно просто не забывать их применять, начиная с этапа проектирования.
Для того чтобы извлечь максимальную выгоду из более низких температур эксплуатации высокоотражающих кровель, необходимо внимательно проанализировать возможные пути накопления влаги в подкровельной конструкции и продумать приемы, облегчающие ее испарение.
(опубликовано: Professional Roofing, март 2015г,
автор: Mathew Dupuis, Ph.D., P.E., перевод: Полина Барбашова)