Jak dach zielony wpływa na przenikanie ciepła przez jego konstrukcję

Stropodachy, zarówno posiadające, jak i nieposiadające funkcji użytkowej, coraz częściej wykonywane są w formie dachu zielonego. Przestrzeń dachu zielonego łączy w sobie nie tylko walory użytkowe i dekoracyjne, ale pozwala również na lepsze zagospodarowanie terenu oraz zachowuje naturalny wygląd obszarów wykorzystanych pod zabudowę.

Dach zielony – zalety techniczno-ekonomiczne [1]:

• zabezpiecza warstwy izolacyjne przed znacznymi wahaniami temperatury, jak również przed działaniem czynników atmosferycznych, takich jak mróz czy promieniowanie UV;
• poprawia trwałość warstw pokrycia;
• chroni pokrycie dachowe przed uszkodzeniami mechanicznymi, wynikającymi zarówno z działania warunków atmosferycznych (grad, śnieg), jak i człowieka;
• stanowi dodatkową ochronę akustyczną i termiczną zarówno w zimie, jak i latem;
• poprawia odporność ogniową stropodachu;
• zmniejsza ilość wody opadowej odprowadzanej do kanalizacji.

Fot. Dachy zielone na budynku w Singapurze (fot. A. Orłowska-Schlegel)

Czytaj też: ABC dachów odwróconych

Dach zielony ma wiele zalet z punktu widzenia ekologii [2, 3]:

• utrzymanie i odzyskanie powierzchni biologicznie czynnej,
• poprawa wyglądu miasta i krajobrazu,
• poprawa warunków pracy i zamieszkania przez stworzenie dodatkowych miejsc służących do rekreacji,
• umożliwienie dodatkowego obcowania z naturą,
• przeciwdziałanie negatywnym skutkom zmian klimatu,
• poprawa jakości powietrza w miastach,
• lepszy bilans wodny.

Wykonanie dachu zielonego pozwala na stworzenie dodatkowych terenów zielonych oraz otwartych przestrzeni na tej samej powierzchni gruntu bez konieczności ponoszenia dodatkowych wydatków (na zakup gruntu) – zachowanie powierzchni biologicznie czynnej [2]. Zgodnie z § 3 pkt 22 rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. przez powierzchnię biologicznie czynną należy rozumieć teren z nawierzchnią ziemną urządzoną w sposób zapewniający naturalną wegetację, a także 50% powierzchni tarasów i stropodachów z taką nawierzchnią, nie mniej jednak niż 10 m², oraz wodę powierzchniową na tym terenie [4].

Dach zielony w przestrzeni miasta na trzy sposoby wpływa na poprawę mikroklimatu (rys. 1) [3]:

Rys. 1. Oddziaływanie dachów zielonych na klimat [3]

• utrzymanie i odzyskanie powierzchni biologicznie czynnej,
• poprawa wyglądu miasta i krajobrazu,
• poprawa warunków pracy i zamieszkania przez stworzenie dodatkowych miejsc służących do rekreacji,
• umożliwienie dodatkowego obcowania z naturą,
• przeciwdziałanie negatywnym skutkom zmian klimatu,
• poprawa jakości powietrza w miastach,
• lepszy bilans wodny.

Znajdująca się na powierzchni stropodachów roślinność przyczynia się do odfiltrowania w procesie tzw. suchej depozycji wybranych zanieczyszczeń powietrza.

Dach zielony o powierzchni ok. 100 m² może w ciągu roku odfiltrować nawet 18 kg zawieszonego w powietrzu pyłu, co odpowiada produkcji pyłu przez 15 samochodów osobowych w tym samym czasie [3].

Nasadzona roślinność pozwala także opóźnić spływ wody opadowej z dachu. Możliwości retencyjne dachu zielonego, uzależnione od miąższości substratu, zagęszczenia roślinności, nachylenia dachu jak również częstości występowania i intensywności opadów, mogą być nawet trzy-, czterokrotnie wyższe niż dachu standardowego. Pozwala to na ograniczenie ryzyka powodzi i podtopień, zredukowanie zanieczyszczeń wody jak również (dzięki zwiększonej ewapotranspiracji) zmniejszenie kontrastów termicznych.

Przenikanie ciepła przez przegrodę dachową

Zadaniem systemu klimatyzacyjnego, obok wymiany powietrza z zanieczyszczonego na świeże, jest takie kształtowanie parametrów powietrza wewnętrznego, aby uzyskać warunki komfortu cieplnego. W celu określenia wydajności klimatyzacji należy wykonać bilans cieplny budynku.

O ile dla pełnej klimatyzacji, tj. obejmującej zarówno chłodzenie w miesiącach letnich, jak i ogrzewanie w zimowych, powinno się wykonywać pełny bilans cieplny, o tyle w polskich warunkach klimatycznych uwzględnia się najczęściej jedynie zyski ciepła, a więc wykonuje bilans cieplny dla miesięcy letnich.

Rys. 4 Graficzna interpretacja temperatury słonecznej powietrza wewnętrznego (źródło: archiwum autora)

Zyski ciepła w budynku należy podzielić na wewnętrze (pochodzące od ludzi, urządzeń – w tym oświetlenia – i innych przedmiotów znajdujących się wewnątrz budynków oraz od ścian sąsiadujących z innymi pomieszczeniami) i zewnętrzne (wynikające z różnicy temperatury po obu stronach przegród zewnętrznych oraz związane z nasłonecznieniem). Zyski ciepła pochodzące od promieniowania słonecznego generowane są zarówno przez promieniowanie bezpośrednie, jak i rozproszone oraz odbite i można je podzielić na zyski przez przegrody przezroczyste (np. okna) i nieprzezroczyste (ściany oraz dach).

Przenikanie ciepła do wnętrza budynku przez przegrody nieprzezroczyste związane jest z dwoma zjawiskami – różnicą temperatury oraz promieniowaniem słonecznym – których efekty są uzależnione i wzajemnie powiązane. Chwilową gęstość strumienia ciepła przenikającego przez przegrodę nieprzezroczystą określa wzór [6]:

gdzie:    q_pn – gęstość strumienia ciepła, [W/m²], U – współczynnik przenikania ciepła przez przegrodę [W/m²K], t_m – średnia dobowa temperatura słoneczna powietrza zewnętrznego [^oC], t_w – temperatura powietrza po wewnętrznej stronie przegrody [^oC], t_E – chwilowa temperatura słoneczna powietrza zewnętrznego [^oC], v – współczynnik zmniejszenia amplitudy.

Ciepło przenikające przez przegrodę nieprzezroczystą oddawane jest do pomieszczeń wewnętrznych z pewnym opóźnieniem (Δ τ), ponieważ pewna jego część jest w niej kumulowana, co z kolei powoduje zmniejszenie amplitudy wahań temperatury po stronie wewnętrznej w stosunku do amplitudy temperatury na zewnętrznej stronie. Współczynnik zmniejszenia amplitudy (v) można obliczyć wg wzoru [6]:

gdzie: A_w – amplituda wahań temperatury po wewnętrznej stronie przegrody, A_z – amplituda wahań temperatury po zewnętrznej stronie przegrody. Współczynnik zmniejszenia amplitudy, podobnie jak opóźnienie, zależy od parametrów przegrody, tj. jej grubości, współczynnika przewodzenia ciepła, ciepła właściwego oraz gęstości materiałów, z których wykonano poszczególne warstwy przegrody, struktury i kolejności tych warstw, a także współczynników wnikania ciepła po obu stronach przegrody (rys. 2).

Rys. 2. Przenikanie ciepła przez przegrodę nieprzezroczystą [6]

Przykładowe wartości opóźnienia przepływu oraz współczynnika zmniejszenia amplitudy dla jednorodnych przegród budowlanych przedstawiono w tabeli. W przypadku złożonych przegród budowlanych współczynnik zmniejszenia amplitudy v należy określić, korzystając ze schematu przedstawionego na rys. 3.

Rys. 3. Współczynnik zmniejszenia amplitudy v dla złożonych przegród budowlanych [7]

Temperatura słoneczna powietrza zewnętrznego to hipotetyczna (fikcyjna) wartość temperatury powietrza na zewnątrz budynku, przy której przenikanie ciepła przez nienasłonecznioną przegrodę byłoby takie samo jak pod wpływem nasłonecznienia przy rzeczywistej temperaturze powietrza zewnętrznego (porównaj rys. 4).

gdzie: t_E – temperatura słoneczna powietrza zewnętrznego [^oC], t_z – chwilowa temperatura powietrza zewnętrznego [^oC], E – współczynnik absorpcji promieniowania przez powierzchnię przegrody, I_c – natężenie całkowitego promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię przegrody [W/m²], a‘_e – skorygowana wartość współczynnika wnikania ciepła od strony zewnętrznej [W/m²K].

Temperaturę powietrza zewnętrznego (t_z) należy przyjąć na podstawie klimatycznych danych statystycznych – obszar Polski podzielono na dwie strefy klimatyczne (rys. 5), dla których dobiera się tabelarycznie obliczeniowe temperatury powietrza zewnętrznego. Natomiast wartość współczynnika absorbcji promieniowania (E) uzależniona jest od rodzaju materiału, jego koloru oraz matowości. Wartość całkowitego promieniowania słonecznego (I_c) dla ścian oraz dachów o nachyleniu połaci do poziomu pod kątem mniejszym niż 30^o przyjmuje się tabelarycznie (tabele można znaleźć w [6]).

Rys. 5. Strefy klimatyczne w Polsce w okresie letnim [6]

Mimo że współczynnik przenikania ciepła dachów pokrytych roślinnością nie odbiega znacząco od tego samego współczynnika dla dachów tradycyjnych [8], są one – podobnie jak tzw. chłodne dachy [9] – zdecydowanie chłodniejsze niż dachy i stropodachy z konwencjonalnym pokryciem.

Jednak dachy zielone oprócz tego, że charakteryzują się zwiększonym (na poziomie 0,15-0,40) albedo, dzięki zjawiskom ewapotranspiracji – czyli parowania z powierzchni roślin (transpiracji) i gruntu (ewaporacji) – oraz zacienienia – zasłonięcia powierzchni dachu roślinnością, która blokuje dopływ promieniowania słonecznego – posiadają dodatkową ochronę przed nadmiernym nagrzewaniem [3].

Jak wykazały badania prowadzone przez [10], latem temperatura dachu zazielenionego jest średnio o 19^oC w ciągu dnia i 8^oC podczas nocy niższa niż powierzchnia dachu standardowego, a gradient temperatury między tymi powierzchniami może sięgać nawet 40^oC.

Z kolei temperatura pomieszczeń poniżej dachu zielonego w ciągu dnia była średnio
o 2^oC niższa, a w nocy o 0,3^oC wyższa. Również analiza temperatury wybranych obiektów zlokalizowanych w jednym z polskich miast (w centrum Krakowa) [3] wykazała, że temperatura dachu zielonego w okresie letnim jest zbliżona do temperatury zieleni miejskiej, a od temperatury dachów z tradycyjnym pokryciem może być niższa od ok. 8^oC do nawet 20^oC. Dachy zielone przyczyniają się również do ograniczania emisji gazów cieplarnianych. Oprócz pochłaniania dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy wpływają także, analogicznie do dachów chłodnych, na mikroklimat wewnętrzny – na obniżenie temperatury w budynku oraz na ograniczenie zużycia energii na potrzeby klimatyzacji.

Rys. 6. Średnia temperatura powierzchni dachu zielonego i standardowego [10] (modyfikacja [3])

mgr inż. Bartłomiej Monczyński

Literatura

• M. Rokiel, Hydroizolacje w budownictwie. Wybrane zagadnienia w praktyce, Dom Wydawniczy MEDIUM, Warszawa 2009.
• DAFA DZ 1.01, Wytyczne do projektowania, wykonywania i pielęgnacji dachów zielonych wytyczne dla dachów zielonych, DAFA, grudzień 2015.
• J.P Walawender, Wpływ dachów zielonych na warunki klimatyczne w mieście, portal Zielona Infrastruktura (http://zielonainfra- struktura.pl), 2015.
• Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2002 r. Nr 75, poz. 690, z późn. zm.).
• J.P Walawender, Miejska wyspa ciepła negatywne skutki urbanizacji oraz możliwości przeciwdziałania (na przykładzie Krakowa), portal Zielona Infrastruktura (http://zielonainfrastruktura.pl), 2015.
• A. Pełech, Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
• J. Ferencowicz, Wentylacja i klimatyzacja, Arkady, Warszawa 1962.
• B. Monczyński, N. Rzeszowska, Wpływ typu dachu zielonego na poprawę parametrów termicznych stropu, „Izolacje” nr 5/2018.
• B. Monczyński, B. Ksit, Komu w Polsce są potrzebne chłodne dachy, „Inżynier Budownictwa” nr 2/2017.
• C. Rosenzweig, S. Gaffin, L. Parshall, Green Roofs in the New York Metropolitan Region: Research Report, Columbia University Center for Climate Systems Research and NASA Goddard Institute for Space Studies, New York, 2006.

Zobacz także: Proekologiczne pokrycia dachowe