Nagrzewanie się dachów i stropodachów na skutek intensywnego działania promieniowania słonecznego w miesiącach letnich może nie tylko prowadzić do uszkodzenia konstrukcji i przyspieszać degradację pokrycia dachowego, ale również powodować straty energii oraz niekorzystnie wpływać na środowisko.
Niezwykle ważnym aspektem zarówno ekonomicznym, jak i ze względu na konieczność zapewnienia odpowiedniego komfortu cieplnego w budynkach jest prawidłowo zaprojektowana i wykonana izolacja termiczna dachów i stropodachów. Pierwszy dzień stycznia 2017 r. to data kolejnego zaostrzenia wymagań odnośnie do granicznej wartości współczynnika Uc(max) tych przegród budowlanych – dla elementów nad pomieszczeniem o temperaturze ti ≥ 16°C maleje ona z 0,20 do 0,18 W/m2•K. Tymczasem nagrzewanie się dachów i stropodachów na skutek intensywnego działania promieniowania słonecznego w miesiącach letnich może nie tylko prowadzić do uszkodzenia konstrukcji, np. w postaci rys poziomych odcinających warstwy stropodachu [fot. 1], czy też wpływać na szybką degradację pokrycia dachowego oraz innych elementów konstrukcyjnych przejmujących obciążenia przekazywane przez dach, ale również powodować straty energii oraz niekorzystnie wpływać na środowisko. Dlatego właśnie w Ameryce Północnej oraz Europie Zachodniej narodziła się idea tzw. chłodnych dachów (ang. Cool Roofs) [13], która w ostatnich latach zyskuje popularność również w Polsce.
Fot. 1 Pozioma rysa w attyce powstała na skutek nadmiernych naprężeń termicznych (fot. archiwum autorów)
Podstawowym prawem fizycznym opisującym zjawisko promieniowania cieplnego jest prawo Stefana-Botzmanna, określające związek między temperaturą a całkowitą energią emitowaną przez ciało w jednostce czasu o danej temperaturze przez element przekroju o jednostkowym przekroju, wyrażone wzorem [8]:
E = ε δ T4 [W/m2]
gdzie: E – ilość energii wypromieniowanej z jednostki powierzchni rozważanego ciała o temperaturze T [K], ε – współczynnik absorbcji lub emisyjności, δ – stała Stefana-Boltzmanna, wynosząca 5,67 • 10-8 W/[m2•K4), T – temperatura termodynamiczna bezwzględna [K].
Dwuczłonowa nazwa współczynnika absorpcji lub emisyjności ε (przy czym 0 ≤ ε < 1) wynika z prawa Kirchhoffa, które można zapisać wzorem [8] [3]:
ε = E/E0
gdzie: ε – natężenie promieniowania [ilość energii wypromieniowanej z jednostki powierzchni] rozważanego ciała, nazywanego ciałem szarym [W/m2], E0 – natężenie promieniowania ciała doskonale czarnego [W/m2].
Oznacza to, że stosunek natężenia promieniowania ciała szarego do zdolności pochłaniania jest równy natężeniu promieniowania ciała doskonale czarnego – ujmując rzecz inaczej: emisyjność ciała szarego jest równa jego zdolności pochłaniania. Współczynnik absorpcji lub emisyjności uzależniony jest od kąta padania na daną powierzchnię oraz od długości fal promieniowania. Na rys. 1 przedstawiono za [7] zależność współczynnika e dla wybranych materiałów od temperatury [a zatem również długości fal promieniowania].
Promieniowanie cieplne podlega wymianie między Ziemią i znajdującymi się na niej obiektami a atmosferą i chmurami (nieboskłonem) – temperatura tych obszarów zbliżona jest do temperatury ok. 300 K. Mamy więc do czynienia z promieniowaniem niskotemperaturowym, w przeciwieństwie do krótkofalowego i wysokotemperaturowego (temperatura Słońca wynosi ok. 6000 K) promieniowania słonecznego.
Rys. 1 Współczynnik absorpcji lub emisyjności wybranych materiałów w funkcji temperatury: 1 – biały szamot, 2 – aluminium polerowane, 3 – drewno, 4 – papa azbestowa, 5 – korek, 6 – porcelana, 7 – beton, 8 – grafit, 9 – papa dachowa [7]
Promieniowanie słoneczne to naturalne źródło energii docierającej do powierzchni Ziemi a zarazem podstawowy parametr klimatyczny, w zasadniczy sposób rzutujący na pozostałe parametry klimatu, takie jak temperatura czy wilgotność powietrza zewnętrznego [3]. Natężenie promieniowania słonecznego zmierzone w górnej części atmosfery wynosi 1370 W/m2 – wielkość tę określa się jako stałą słoneczną [8]. Zanim dotrze ono do Ziemi, część promieniowania słonecznego zostaje pochłonięta przez atmosferę, część zaś ulega rozproszeniu oraz odbiciu. W rezultacie tego do powierzchni planety dociera ok. 1000 W na metr kwadratowy prostopadły do padającego promieniowania [3].
Docierające do powierzchni Ziemi promieniowanie słoneczne można podzielić na promieniowanie bezpośrednie, czyli działające wzdłuż kierunku między miejscem obserwacji a Słońcem, promieniowanie rozproszone [dyfuzyjne], docierające do powierzchni planety ze wszystkich kierunków, na skutek często wielokrotnego odbicia w cząsteczkach atmosfery, od chmur oraz od powierzchni Ziemi. W spektrum promieniowania słonecznego znajdują się zakresy fal elektromagnetycznych od ultrafioletu [ok. 7%] o długości fali poniżej 350 nm, przez światło widzialne [ok. 46%] o długości fali od 350 do 750 nm, po bliską i środkową podczerwień [ok. 47%] o fali długości powyżej 750 nm [4]. Cały zakres promieniowania słonecznego przez człowieka odbierany jest jako światło białe. Gęstość strumienia promieniowania słonecznego jest taka sama w poszczególnych częściach globu, jednak ilość energii, jaka ostatecznie zostanie dostarczona, uzależniona jest od takich czynników, jak szerokość geograficzna [i związana z nią liczba dni o dużej liczbie godzin słonecznych], wielkość lądów i oceanów, prądy morskie, wysokość nad poziomem morza, ukształtowanie terenu, a także od stanu i składu atmosfery, zachmurzenia i zamglenia oraz nachylenia płaszczyzny, na którą pada promieniowanie.
Przy przechodzeniu promieniowania przez ośrodek energia promieniowania nie jest tracona [8]. Jeśli na drodze promieniowania znajduje się dowolne ciało, część promieniowania jest odbijana [odbicie], część jest pochłaniana i zmieniana w inną formę energii [absorpcja/ pochłanianie], część zaś bez przeszkód przechodzi przez ciało [transmisja/przenikanie]. Jeśli promieniowanie odbywa się między powierzchniami dwóch ciał stałych, następuje dwukrotna zamiana formy energii: cieplnej na elektromagnetyczną na powierzchni ciała promieniującego i elektromagnetycznej na cieplną na powierzchni ciała pochłaniającego [7]. A zatem pewna część docierającego do powierzchni Ziemi promieniowania słonecznego zostaje odbita, część zaś pochłonięta przez powierzchnię planety oraz znajdujące się na niej obiekty. Promieniowanie odbite [w wielu przypadkach wielokrotnie] ostatecznie również zostaje w znacznej części pochłonięte, podnosząc temperaturę pochłaniających obiektów, stając się zarazem źródłem promieniowania cieplnego długofalowego.
Rys. 2 Cechy definiujące chłodny dach [11]
Materiały wykorzystywane do wykonywania pokryć dachowych charakteryzują dwie cechy fizyczne (rys. 2). Pierwsza to współczynnik odbicia promieniowania słonecznego (określany również jako refleksyjność lub albedo). Jest to stosunek sumy energii słonecznej padającej na dach do ilości energii przez dach odbitej. Druga to emisja termiczna, czyli zdolność do odprowadzania zaabsorbowanej energii cieplnej [10]. Definicję chłodnego dachu podała Cool Roof Rating Council (Rada ds. Klasyfikowania Chłodnych Dachów): chłodny dach jest to produkt, który się charakteryzuje współczynnikiem odbicia promieniowania słonecznego (albedo) co najmniej 0,70 oraz emisją termiczną minimum 0,75 [2]. Należy jednak zaznaczyć, że w tym przypadku określenie „dach chłodny” odnosi się nie do przegrody, ale jedynie do materiałów zastosowanych jako wierzchnia powłoka.
Chłodne dachy odznaczają się wysoką refleksyjnością, co znaczy, że odbijają znaczną część padających promieni słonecznych i w ten sposób oddają energię z powrotem do atmosfery – tylko nieznaczna część promieniowania absorbowana jest jako energia cieplna [10]. Dzięki zmniejszeniu emisji ciepła do wnętrza budynku zmniejszone zostaje obciążenie urządzeń chłodzących podczas ciepłych pór roku. Szacuje się, że oszczędności energii używanej do chłodzenia powietrza przy zwiększeniu współczynnika odbicia z istniejącego 0,10-0,20 do 0,60 mogą wynosić nawet 20% [1]. Obok oszczędności energii stosowanie chłodnych dachów wpływa również na obniżenie emisji gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla (CO2). Energia słoneczna zaabsorbowana przez dach oddawana jest w późniejszym okresie w postaci energii cieplnej. Jak podają [1], zastosowanie jasnych powłok dachowych, zwłaszcza na obszarze wielkich aglomeracji miejskich (w połączeniu z jasnymi powierzchniami ulic), pozwoliłoby zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych (w skali światowej) o 44 mld ton – chłodny dach na typowym nowym budynku o powierzchni 180 m2 pozwala zredukować emisję CO2 o ponad 103 kg na rok. Dodatkowo stosowanie chłodnych dachów w aglomeracjach miejskich pozwoliłoby ograniczyć (a być może nawet zlikwidować) zjawisko tzw. miejskich wysp ciepła (rys. 3), polegające na wzroście średniej temperatury od 1 do 5°C w porównaniu z sąsiadującymi obszarami wiejskimi [10]. Prawdopodobnie najpowszechniej stosowanym materiałem na pokrycia dachowe są dachówki ceramiczne. Ze względu na szeroki asortyment kolorystyczny charakteryzują się one zróżnicowanym albedo, od 0,18-0,20 do nawet 0,73-0,74 w przypadku białych dachówek cementowych [12]. Podkreślenia wymaga fakt, że pokrycia wykonane przy zastosowaniu dachówek zawierają zazwyczaj przestrzeń wentylowaną, co ułatwia wymianę ciepła. Popularne pokrycie dachowe zarówno w Europie, jak i krajach Ameryki Północnej stanowią również gonty asfaltowe. Dlatego też w prowadzonych w USA badaniach [12] dużo miejsca poświęcono sprawdzeniu ich właściwości pod kątem wpływu na nagrzewanie się pokrycia dachowego. Wykazano jednak, że pod tym względem gonty asfaltowe zachowują właściwości zbliżone do tradycyjnej papy dachowej, a więc współczynnik odbicia promieniowania słonecznego utrzymuje się na poziomie ok. 0,20. Również zastosowanie kolorowych gontów dachowych nie pozwala na uzyskanie parametrów, które uznać by można za zadowalające do wykonywania chłodnych dachów. Przy zastosowaniu gontów w kolorze białym odnotowano wzrost albedo nie większy niż o ok. 30%. Jako przyczynę powyższego należy postrzegać możliwość zastosowania ograniczonej ilości pigmentu, znaczną szorstkość powierzchni (która powoduje wielokrotne rozproszenie światła) oraz fakt, że nie udało się do tej pory w sposób całkowity przekryć granulatem warstwy asfaltowej.
Rys. 3 Miejska wyspa ciepła (źródło: wikimedia.org)
W przypadku membran dachowych o ich właściwościach pod kątem odbijania światła decyduje w znacznej mierze rodzaj materiału, jakiego użyto do wykonania membrany. Ciemne membrany wykonane z materiałów bitumicznych posiadają właściwości zbliżone do gontów asfaltowych. Z kolei wykonanie membrany z jasnych odmian polimerów, takich jak np. EPDM, pozwala na uzyskanie materiału o albedo rzędu 0,70 [12]. Wierzchnia warstwa membrany może zostać pokryta barwionym materiałem, co dodatkowo poprawi jej właściwości.
W celu nadania pokryciu dachowemu odpowiedniego koloru stosuje się dachowe powłoki malarskie. Ich receptura oparta jest najczęściej na transparentnym materiale bazowym (np. żywicy akrylowej) oraz odpowiednio dobranych barwnikach (fot. 2). Współczynnik odbicia powłok dachowych może się kształtować na poziomie 0,70-0,85 [12]. Oprócz koloru powłoki znaczącą rolę odgrywa stopień jej chropowatości. Białe powłoki o strukturze tynku (chropowate) charakteryzować się będą gorszymi parametrami niż gładkie powierzchnie o nieco ciemniejszej barwie (np. żółtej). Pokrycia z zastosowaniem powłok malarskich wymagają jednak stosownej pielęgnacji oraz zapewnienia odpowiedniego odwodnienia powierzchni. Gromadzący się na powierzchni brud oraz porastające ją mchy lub algi mogą powodować obniżenie właściwości refleksyjnych pokrycia.
Fot. 2 Niskoenergetyczny budynek w angielskim Nottingham – pokrycie dachowe zabezpieczone powłoką zawierającą pigment odbijający promieniowanie słoneczne (fot. BASF)
Specjalne powłoki malarskie z wprowadzonym wypełniaczem aluminiowym powstały dzięki połączeniu materiału o wysokim współczynniku odbicia z substancją charakteryzującą się lepszymi właściwościami pod względem przewodności cieplnej. Zastosowano zatem płatki aluminiowe zatapiane żywicy typu asfaltowego. Płatki aluminiowe wypływają na powierzchnię wykonanej warstwy. Uzyskana w ten sposób powłoka chroni hydroizolację dachu przed promieniowaniem ultrafioletowym oraz zapewnia wysoki poziom odbicia promieniowania słonecznego. Szacuje się, że albedo pokrycia wzrasta z 0,04 (dla nieosłoniętych warstw asfaltowych) do nawet 0,50 [12].
Metalowe pokrycia dachowe wykonuje się najczęściej z aluminium, stali lub miedzi. Czyste aluminium odbija ok. 60% światła, lecz mimo tak dobrych parametrów materiał ten się nie sprawdza pod kątem zastosowania na chłodnych dachach. Stanowi on bowiem bardzo dobry przewodnik ciepła, co sprawia, że zaabsorbowana przez niego energia słoneczna bardzo szybko przenoszona jest na niższe warstwy dachu. Dlatego też w praktyce budowlanej stosuje się najczęściej barwione powłoki polimerowe, które w sposób znaczący podnoszą użyteczność dachów metalowych. Już cienka powłoka pozwala uzyskać współczynnik odbicia porównywalny ze znacznie grubszymi białymi powłokami naniesionymi na inne materiały dachowe [12].
Fot. 3 Układ wielowarstwowej powłoki hydroizolacyjnej w technologii chłodnego dachu: 1 – włóknina, 2 – podkład (szary), 3 – warstwa wierzchnia (biała) (fot. archiwum autorów)
Obecnie na rynku (również polskim) dostępne są także wysokorefleksyjne wielowarstwowe powłoki, stanowiące jednocześnie warstwę hydroizolacyjną. Dodatkową zaletę tych produktów stanowi fakt, że znajdują zastosowanie nie tylko w nowo wznoszonych budynkach, ale również przy renowacji starych pokryć dachowych, np. z papy (fot. 3).
Albedo tradycyjnych materiałów używanych do pokrywania dachów mieści się w zakresie od 0,10 do 0,25 można zatem bezpiecznie założyć, że średnie albedo dla istniejących dachów nie przekracza 0,20 [1]. Zastosowanie białych gontów nie przyniosło spodziewanych rezultatów ze względu na fakt, że szybko ulegały one zabrudzeniu [14]. Najlepsze parametry uzyskują natomiast jasne membrany dachowe, białe powłoki malarskie (w tym aluminiowe) oraz dachy metalowe z jednoczesnym zastosowaniem cienkich powłok malarskich.
Rys. 4 Materiały dachowe w świetle słonecznym [14]
Przy obecnej tendencji minimalizacji zużycia energii w warunkach meteorologicznych występujących w naszym kraju przede wszystkim dąży się do zastosowania odpowiednio dobranej (pod względem grubości) oraz zabezpieczonej przed wilgocią warstwy termoizolacyjnej [6]. Tymczasem przez zmniejszenie zapotrzebowania energii na klimatyzację można nie tylko osiągnąć znaczne oszczędności finansowe, ale również przedłużyć żywotność instalacji chłodniczych. Mimo że technologia chłodnych dachów niesie ze sobą pewne niebezpieczeństwo – powłoki o bardzo wysokiej refleksyjności mogą powodować olśnienie w sąsiednich budynkach daje ona projektantowi szeroką paletę możliwości w celu stworzenia tzw. piątej elewacji budynku. Znaczne oszczędności energii można osiągnąć nie tylko w przypadku klimatu ciepłego i gorącego, ale również w klimacie chłodnym, zwłaszcza w przypadku klimatyzowanych latem budynków o dużej powierzchni zabudowy. Oszczędności te mogą nawet przewyższać zyski ciepła uzyskiwane zimą [5].
mgr inż. Bartłomiej Monczyński
dr inż. Barbara Ksit
Literatura
1. H. Akbari, S. Menon, A. Rosenfeld, Global cooling: Increaslng worldwlde urban albedos to offset CO2, „Climatic Change” nr 3/2009.
2. M. Bianchi, A. Desjarlais, W. Miller, T. Petrie, Cool Roofs and Thermal Insulation: Energy Savings and Peak Demand Reduction, w: Thermal Performance of the Exterior Envelopes of Buildings X, Clearwater, FL, 2007.
3. A. Dylla, Fizyka cieplna budowli w praktyce – obliczenia cieplnowilgotnościowe, PWN, Warszawa 2015.
4. P. Klemm (red.), Budownictwo ogólne, tom 2 Fizyka budowli, Arkady, Warszawa 2005.
5. C.A. Novak, S. Van Mantgem, Whats So Cool About Cool Roofs?.http://coolroofs.org/documents/CEU_WhatsSoCool.pdf [dostęp 2016.09.30].
6. K. Patoka, Dlaczego izolacja jest najważniejsza?, „Izolacje” nr 2/2009.
7. J.A. Pogorzelski, Fizyka cieplna budowli, PWN, Warszawa 1976.
8. H. Stócker, Nowoczesne kompendium fizyki, PWN, Warszawa 2015.
9. K. Zieliński, M. Monczyńska, B. Monczyński, Wpływ pokryć dachowych o wysokiej refleksyjności na zużycie energii w budynku, „Dachy” nr 2/2010.
10. M. Van Tijen, R. Cohen, Dachy chłodne – sposób na obniżenie zużycia energii w budynkach, „Izolacje” nr 1/2009.
11. Cool Roof Rating Council: http://cool- roofs.org/ (dostęp 2012.05.08).
12. Cool Roofing Materials Database: http://eetd.lbl.gov/coolroof (dostęp 2010.01.05).
13. Cool Roofs: http://www.consumerenergycenter. org/coolroof/ (dostęp 2012.05.08).
14. Heat Island Group: Cool Roofs: http://eetd.lbl.gov/HeatIsland/CoolRoof. (dostęp 2010.01.05).
