Difúzní a kondenzovaná vlhkost v zatepleném zdivu z pórovitých materiálů

Dnešní novostavby z pórobetonu nebo cihelných bloků jsou stále častěji doplňovány vnějším kontaktním zateplením (ETICS). Zároveň, zejména na internetu, probíhá debata, nakolik je pro toto zateplení vhodný pěnový polystyrén, který se zde používá nejčastěji. Zkušenosti z realizací ukazují, že jde nejen o funkční, ale i ekonomické řešení, zvláště, když se věnuje pozornost návrhu a provedení. Podobněji o tom pojednává tento článek.

Diskutující na téma zateplování nových staveb polystyrénem lze rozdělit přibližně do tří skupin. V první skupině jsou ti, kteří v této věci nemají žádnou přímou zkušenost ani teoretickou znalost, ale čeká je rozhodování. Druhá skupina tvrdí, že polystyrén stavbu uzavírá, pórovité zdivo tudíž „nedýchá" a dřív či později provlhne (se všemi důsledky jako bujení plísní a řas, studené mokré zdi, alergie a nemoci). Ve třetí skupině jsou lidé, kteří si ničeho alarmujícího nevšimli, ač v takové stavbě už žijí.

Řeč je o laických postojích, ale i odborné debaty na toto téma uvádějí protichůdná tvrzení (někdy v emotivním podání), v nichž posluchač - neodborník těžko hledá záchytná místa, podle nichž by se rozhodl.

Pravděpodobně nejblíže vystihuje celou věc následující tvrzení:

• Při nízkých a velmi nízkých venkovních teplotách dochází jak ve vrstvených stěnách zateplených expandovaným polystyrénem, tak i v nezateplených (jednovrstvých) stěnách z lehčených zdicích materiálů (děrované lehčené cihly, pórobeton, plynosilikát ap.) ke kondenzaci vody.
• V nezateplených i zateplených stěnách nastává kondenzace většinou při venkovních teplotách pod bodem mrazu a je tím větší, čím je venku větší zima. U zateplených stěn začíná kondenzovat vlhkost při vyšších venkovních teplotách než u nezateplených. To v praxi znamená, že pokud dojde ke kondenzaci, pak u zateplených stěn k ní před zimou dojde dříve, než u nezateplených a naopak v předjaří nebo na jaře začínají zateplené stěny vysýchat později.
• Předpokládejme, že při dané (nízké) teplotě dochází ke kondenzaci jak u zateplené, tak u nezateplené zdi. Potom v zateplené zdi kondenzuje vlhkost s větší intenzitou jen tehdy, je-li tloušťka izolace malá. Při tloušťkách nad 100 mm je naopak množství kondenzátu vždy menší, než u nezateplené stěny, a s přibývající tloušťkou dál klesá.
• Dostatečnou tloušťkou polystyrénové tepelné izolace se nejen sníží množství zkondenzované vody, ale zároveň se znatelně zlepší jiné vlastnosti obvodové stěny, zejména její schopnost akumulovat teplo.

Obr. 1: Závislost hustoty difúzního toku vodní páry vstupující na vnitřní straně do konstrukce (červená křivka), hustoty difúzního toku vystupující na venkovní straně z konstrukce (zelená křivka) a hustoty kondenzace (modrá) na tloušťce vrstvy tepelné izolace z EPS. Teplotní a vlhkostní podmínky: vnitřní teplota 21 °C, 50 % rel. vlhkosti (RH), venkovní teplota -15 °C, vlhkost 80 % RH. Materiálové vlastnosti vrstev jsou popsány v tab. 1.

O difúzi jsme psali v časopise Stavebnictví a interiér v minulosti několikrát, např. v [1]. Voda v plynném skupenství (vodní pára) má ze všech atmosférických plynů nejmenší a nejlehčí molekuly, pokud neuvažujeme stopové prvky vodík a hélium. Může tedy difundovat stavebními materiály snadněji, než kyslík a dusík, tedy vzduch. To plyne nejen z malých rozměrů molekul H₂O, ale i z toho, že se tyto molekuly pohybují rychleji než molekuly kyslíku nebo dusíku. V rovnovážných podmínkách mají totiž všechny molekuly vzduchu stejnou střední pohybovou energii E_kin = konst. = 1/2 mv² = 3/2 kT (v je rychlost molekuly, m její hmotnost, k = 1,38·10^-23 J/K je Boltzmannova konstanta, T je termodynamická teplota); protože hmotnost molekuly vodní páry v relativních molekulových hmotnostních jednotkách je 18, pohybuje se tato molekula 1,33 krát rychleji než molekula kyslíku O₂ (rel. hmotnost 32) a 1,25 krát rychleji než molekula dusíku N₂ (rel. hmotnost 28).

Pro další úvahy budeme předpokládat, že difúze vodní páry probíhá v prostředí pórů a kapilár stavebního materiálu (zpravidla vyplněných vzduchem) a že zde nedochází k tzv. kapilární kondenzaci¹. Dalšími předpoklady jsou kontaktní ukotvení tepelně izolačních desek ke zdivu, tj. bez vzduchové mezery, a materiálová stejnorodost vrstev zdiva a izolace, které se dá vyjádřit pro každou vrstvu jedinou dvojicí hodnot tepelné vodivosti a faktoru difúzního odporu. Níže uvedená čísla popisují vlastnosti konstrukcí, nikoliv jejich chování v hraničních místech podél styku s jinými konstrukcemi.

Větší tloušťky izolace EPS snižují riziko kondenzace

Na obr. 1 je graficky znázorněn výsledek výpočtů difúze vodní páry a její kondenzace ve stěně z pórovitého materiálu tloušťky 300 mm s různými tloušťkami izolace z EPS. Na vnitřní straně vstupuje do konstrukce vodní pára, což je popsáno vstupní hustotou difúzního toku, a na venkovní z ní vystupuje (výstupní hustota difúzního toku). Rozdíl obou veličin je přírůstek zkondenzovaného množství za jednotku času v jednotce plochy konstrukce. Vše se děje při návrhových podmínkách (teplota 21 °C a 50 % relativní vlhkosti uvnitř a -15 °C a 80 % RH venku, zkráceně i-21 °C/50 % RH//-15 °C/80 % RH-e). Číselně je výpočet ukázán v tab. 1, která navíc obsahuje doplňující údaje, které z výpočtů plynou.

Je zřejmé, že u zdi bez tepelné izolace je tok vodní páry, který na vnitřní straně vstupuje do konstrukce (0,341 g/(m²·h)), a také tok, který na venkovní straně z konstrukce vystupuje (0,231 g/(m²·h)), největší. Rozdíl obou čísel vyjadřuje rychlost kondenzace 0,110 g/(m²·h).

Vrstva tepelné izolace na venkovní straně způsobí pokles toku vodní páry na vstupu i na výstupu. Na venkovní straně je pro malé tloušťky izolace z EPS pokles toku vodní páry rychlejší než na vnitřní straně. To vede k tomu, že (pro malé tloušťky izolace) se zvýší intenzita kondenzace. Při tloušťce izolace 20 mm EPS, což je jen teoretický příklad, vstupuje do stěny 0,276 g/(m²·h), vystupuje 0,121 g/(m²·h), takže intenzita kondenzace je 0,155 g/(m²·h), tedy více, než u nezateplené stěny. Ani po 60 dnech setrvalých podmínek však celkové zkondenzované množství 223 g/m² nedosáhne alarmujících hodnot. Tab. 1. ukazuje i na další zajímavé skutečnosti.

Budeme-li zateplovat tenkou vrstvou izolace z EPS, zvýšíme intenzitu kondenzace. Stále uvažujeme podmínky i-21 °C/50 % RH//-15 °C/80 % RH-e. Při tloušťce izolace 80 mm už intenzita kondenzace 0,086 g/(m²·h) klesne pod hodnotu, kterou vykazuje nezateplená stěna. Při tloušťce izolace 200 mm už intenzita kondenzace klesne na hodnotu 0,035 g/(m²·h), což je třetinové množství ve srovnání s nezateplenou stěnou.

Velkou předností nezateplené zdi je, že už při zvýšení venkovní teploty z -15 °C na -10 °C a při zachování ostatních podmínek, přestává ve zdi kondenzovat voda, a pokud tam nějaká je, začne se odpařovat. Při -6,7 °C se případná vlhkost začíná odpařovat ze stěny s 80 mm vrstvou izolace a při -8,1 °C se začne vysoušet stěna s 200 mm silnou vrstvou izolace. Jak už bylo řečeno v předešlém odstavci, i při extrémních mrazech je zde velikost kondenzace malá.

Tab. 1: Hustota difúzního toku vodní páry na okrajích konstrukce, plošná hustota kondenzace a teplota, při níž odpar začíná převyšovat nad kondenzací. Teplotní a vlhkostní podmínky jsou: vnitřní teplota 21 °C, vlhkost 50 % rel. vlhkosti (RH), venkovní teplota -15 °C, vlhkost 80 % RH. Jednovrstvá nebo vrstvená konstrukce je složena z vrstvy tepelné izolace o tloušťce 0 až 400 mm a nosného pórovitého materiálu o tloušťce 300 mm, tepelné vodivosti 0,11 W/(mK) a faktoru difúzního odporu pro vodní páru μ = 7,5. Parametry nosné vrstvy odpovídají přibližně hodnotám, které uvádí výrobce pórobetonu P2 - 400 a výrobci superizolačních cihlových bloků. Parametry izolantu jsou tepelná vodivost 0,035 W/(mK) a faktor difúzního odporu μ = 40.

Zvýšená a trvalá vnitřní vlhkost je riziko

Tab. 2 popisuje tři konstrukce - stěnu bez tepelné izolace, stěnu s tenkou izolací 20 mm z EPS a stěnu zateplenou vrstvou EPS tloušťky 200 mm. Proměnným parametrem je vnitřní prostorová vlhkost, která se mění od 90 % RH do 20 % RH, ostatní teplotní a vlhkostní podmínky jsou jako v předešlém případě, tedy i- 21 °C/X % RH//-15 °C/80 % RH-e.

Z tab. 2 je zřejmé, že vnitřní prostory, v nichž je trvale zvýšená vlhkost, zásobují obvodovou stěnu kondenzovanou vlhkostí v mnohem větší míře, než je tomu při návrhové vnitřní vlhkosti 50 % RH. Typickým příkladem mohou být místnosti, kde je provozován bazén (a kde bývají navíc udržovány i vyšší teploty než 21 °C a tudíž i vyšší absolutní vlhkosti). Vysoké relativní vlhkosti vnitřního vzduchu mohou být „docíleny" i bez bazénu, např. v novostavbách s moderními, těsnými okny a dveřmi, v nichž se naplno bydlí (vaří, koupe, pere, myje, zalévá okrasná vegetace atp.), ale kde investor neřešil automatickou výměnu vzduchu a kde se v zimě nevětrá.

Tab. 2:Plošná hustota kondenzace a teplota, při níž odpar začíná převyšovat nad kondenzací, pro typy konstrukcí - bez izolace, s tenkou izolací a silnou izolací. Proměnnou veličinou je vnitřní relativní vlhkost. Ostatní teplotní a vlhkostní podmínky a také materiálové parametry vrstev jsou stejné jako jako v tab. 1.

Intenzita kondenzace v obvodových stěnách, které oddělují takové prostory od venkovního prostředí, je v chladných obdobích několikanásobně vyšší než při obvyklé vnitřní vlhkosti 50 % RH. U nezateplené zdi při 90 % RH téměř 8 krát větší, když dosahuje hodnoty 0,807 g/(m²·h). Za 60 dní setrvalých podmínek to je 1,162 litru v jednom čtverečním metru. K tomu se přičítá, že po oteplení nastává odpařování až při teplotě 5,34 °C (místo -10 °C, jak tomu je při vnitřní relativní vlhkosti 50 %). V praxi to znamená, že na podzim začne ve zdi kondenzovat voda o jeden, možná i více měsíců dříve, kondenzace bude intenzivnější a na jaře začne kondenzát vysýchat o stejnou dobu později. Tyto zvýšené intenzity kondenzace ve spojení s výrazně prodlouženou kondenzační periodou nelze považovat za bezpečné.

Většími tloušťkami izolace, dejme tomu 200 mm, lze intenzitu kondenzace několikanásobně snížit. Při 90 % RH dosahuje intenzita kondenzace hodnoty 0,263 g/(m²·h), což za 60 dní setrvalých podmínek je necelých 380 ml/m². Celoroční zkondenzované množství je několikanásobně nižší, a i když o něco vzroste i kondenzační perioda (teplota, při níž nastává vysoušení, je až 9,5 °C), je tato konstrukce při extrémním namáhání vnitřní vlhkostí mnohem bezpečnější.

Tab. 3: Plošná hustota kondenzace a vnitřní prostorová relativní vlhkost, při níž v konstrukci začíná (přestává) kondenzovat vodní pára. Proměnnou veličinou je venkovní teplota. Ostatní teplotní a vlhkostní podmínky a také materiálové parametry vrstev jsou stejné jako jako v tab. 1.

Extrémní mrazy

Rozumný návrh dnes počítá nejen s tím, že ve vyšších a horských polohách je chladněji než v nížinách, ale počítá v souvislosti s často vyhlašovaným ukončením relativně klidného klimatického období i s častým výskytem extrémních teplot s dlouhým intervalem trvání, přestože střední celoroční teploty zůstávají na stejné úrovni nebo se mění o desetiny stupně.

Při poklesu venkovní teploty na -35 °C se v porovnání s venkovní návrhovou teplotou -15 °C zvýší intenzita kondenzace u nezateplené zdi víc než 4krát na hodnotu 0,46 g/(m²·h). Za 60 dní setrvalých podmínek to představuje 662 ml zkondenzované vlhkosti v jenom metru čtverečním. Někteří autoři považuji za riskantní už 500 g/m². Přestože 60 dní setrvalých třeskutých mrazů -35 °C je krajně nepravděpodobné, za tuhých mrazů se do stěny dostává více kondenzátu a ten má přinejmenším na svědomí zvýšení součinitele prostupu tepla, tedy vyšší ztráty tepla odváděného stěnou ven. Přičteme-li k tomu špatné větrání a zvýšenou vlhkost vzduchu uvnitř, což opět zvýší intenzitu kondenzace, může být rizikových množství zkondenzované vlhkosti už dosaženo spolu se známými doprovodnými jevy (studené vlhké zdi, plísně, tzv. vlhkostní poruchy, nevratné změny mechanických a fyzikálních vlastností stěny).

Uživatel se může bránit např. častým větráním studeným vzduchem, které snižuje vnitřní relativní vlhkost (a bez rekuperace ovšem také zvyšuje výdaje za vytápění). Při venkovní teplotě -20 °C je realistické dosáhnout větráním vnitřní vlhkost 30 % RH, při které už ke kondenzaci ve zdi nedochází (pomíjíme otázku vlivu takové vlhkosti na lidské zdraví).

200 mm silnou vrstvou tepelné izolace z EPS snížíme intenzitu kondenzace v konstrukci oproti nezateplené zdi víc než 3 krát pro všechny extrémně nízké teploty. Při teplotě venkovního vzduchu -35 °C je to snížení ze 0,46 g/(m²·h) na 0,127 g/(m²·h) a při teplotě -20 °C z 0,205 g/(m²·h) na 0,060 g/(m²·h). To má zásadní význam pro okamžitý prostup tepla stěnou i pro bezpečnost. Nejenže kondenzuje třetinové množství, ale kondenzace probíhá v polystyrénu a ne v nosné zdi, která je izolací dobře chráněna před vlhkostí i chladem.

Literatura a odkazy:

[1] Hejhálek, J.: Difúze vodní páry v konstrukci, Stavebnictví a interiér č. 2/2005, str. 16.