Zagadnienia konstrukcyjno-materiałowe oraz cieplno-wilgotnościowe dachów zielonych
Tematyka artykułu obejmuje głównie zagadnienia konstrukcyjno-materiałowe oraz cieplne dachów zielonych na podstawie informacji prezentowanych przez innych autorów. Wybór materiałów informacyjnych był wykonywany w taki sposób, by w maksymalnym stopniu wyeksponować walory techniczne i ekologiczne materiałów z tworzyw sztucznych lub kompozytów bitumicznych z ich udziałem. Właśnie te materiały kreują aktualnie nowoczesność w tego rodzaju budownictwie.
Ożywienie monotonnego pejzażu dużych aglomeracji miejskich za pomocą dachów zielonych znajduje coraz więcej zwolenników na Zachodzie, natomiast w Polsce zagadnienie to jest przyjmowane z dużą rezerwą; traktuje się je raczej jako „ciekawostkę budowlaną”.
Niezależnie od tego zdarzają się jednak u nas przykłady stosowania tej technologii, a korzyści z jej eksploatacji wyglądają na obiecujące, zarówno pod względem techniczno-ekonomicznym jak ekologiczno-urbanistycznym. Do korzyści techniczno-ekonomicznych ze stosowania dachów zielonych należy zaliczyć: dodatkową, znakomitą ochronę cieplną i akustyczną, ochronę przed oddziaływaniem skrajnych temperatur, ochronę przed promieniowaniem ultrafioletowym oraz pożytki z odciążenia urządzeń komunalnych od nadmiernego spływu wody podczas intensywnych opadów.
Pod względem ekologicznym korzyści są ewidentne, chociażby z powodu poprawy klimatu, wchłaniania kurzu i nadmiaru dwutlenku węgla (ruch samochodowy), regulacji wilgotności, uzyskiwania sztucznych siedlisk dla flory i fauny.
Pod względem urbanistycznym, należy brać pod uwagę takie profity jak: rekompensata za utracone parki i zieleń miejską, ożywienie przyrody na terenach utraconych ze względu na zabudowę, podniesienie wartości domów mieszkalnych, obiektów przemysłowych i użyteczności publicznej z „ogródkami” na dachach.
Dachy zielone w układzie odwróconym
Obecnie zielone dachy powstają w technologii dachu odwróconego jako jego szczególne rozwiązanie, a od zwykłego dachu odwróconego różnią się jedynie warstwą zewnętrzną, która w tym przypadku musi być uprawna [1].
W konstrukcji dachu odwróconego izolacja przeciwwodna umieszczona jest poniżej izolacji termicznej, co skutecznie zmniejszyło ryzyko uszkodzenia jej pod wpływem zróżnicowanych czynników zewnętrznych (niskie i wysokie temperatury, działanie tlenu i promieniowanie ultrafioletowe oraz oddziaływania mechaniczne np. praca konstrukcji dachu pod wpływem różnic w rozszerzalności termicznej i wiatru), które w poważnym stopniu wpływają na jej niezawodność oraz trwałość eksploatacyjną [2].
Przykład konstrukcji dachu zielonego odwróconego pokazano na rysunku 1.
Podkładem dla przyszłych warstw dachu zielonego jest najczęściej płyta żelbetowa, która oprócz ciężaru własnego powinna przenieść obciążenie wynikające z ciężaru wszystkich warstw, obciążenie wiatrem oraz śniegiem, jak również obciążenia użytkowe wynikające z późniejszej eksploatacji [2].
| Podkład pod warstwę hydroizolacji w konstrukcji dachu zielonego odwróconego powinien być równy, czysty i pozbawiony ostrych krawędzi. Z tego powodu układa się warstwę szlichty wyrównawczej, która stanowi dodatkowo warstwę poślizgową zapobiegającą przenoszeniu się ruchów podłoża na warstwę izolacji i tym samym przeciwdziała jej uszkodzeniu.
Na tak przygotowane podłoże układa się warstwę hydroizolacji. Z bogatej oferty materiałów przeznaczonych do wykonywania izolacji przeciwwodnej dachów zielonych na szczególną uwagę zasługują kompozyty bitumiczne modyfikowane polimerami, jednowarstwowe folie z PCW i EPDM (kauczuk etylenowo-propylenowy).
W warunkach krajowych w przypadku hydroizolacji zdecydowanie dominują rolowe bitumiczne materiały hydroizolacyjne, czyli papy. W papach termozgrzewalnych, które stanowią materiały nowej generacji najczęściej wykorzystuje się welon szklany, tkaninę poliestrową oraz szklaną – nie wchłaniają wilgoci i są odporne na gnicie.
Czasami łączy się włókninę poliestrową z welonem z włókien szklanych, co przejawia się zwiększeniem odporności i kurczliwości pap. Bitumiczna masa powłokowa stanowi właściwą izolację przeciwwodną – im grubsza, tym szczelniejsza papa. Dodatek polimeru APP (ataktyczny polipropylen) lub SBS (kopolimer blokowy styren-butadien-styren) do masy powłokowej zapewnia papie większą elastyczność w szerokim zakresie temperatur oraz dobrą przyczepność do podłoża (zwłaszcza dodatek SBS).
Warstwę izolacji przeciwwodnej układa się w postaci dwóch warstw papy polimerobitumicznej. Jako pierwszą warstwę izolacji przeciwwodnej stosowane są papy elastomerowo-bitumiczne z wkładką nośną z włókna poliestrowego. Natomiast drugą warstwę stanowi także papa elastomerowo-bitumiczna, z podwójną wkładką z włókna poliestrowego i taśmy miedzianej. Często obie papy są wyposażone w środki hamujące wzrost korzeni [2].
Wymagania stawiane izolacji termicznej w dachach zielonych (wykonanych w systemie odwróconym) są bardzo wysokie ze względu na ekstremalne warunki atmosferyczne i czynniki mechaniczne. Płyty ze styropianu ekstrudowanego (PN EN 13164:2001) spełniają wszystkie wymagania stawiane niezawodnej izolacji termicznej w dachach w systemie odwróconym dzięki swojej fizycznej budowie. Wiele drobnych i zamkniętych porów powoduje, że jest to materiał lekki, odporny na działanie wilgoci i kwasów humusowych zawartych w gruncie oraz ma pomijalnie niską nasiąkliwość. Ponadto jest to materiał odznaczający się niezmiennymi w czasie parametrami izolacyjności termicznej, stabilnością wymiarów, łatwością obróbki i wysoką wytrzymałością mechaniczną (odpowiednia wytrzymałość na ściskanie). Niektóre z płyt mają na powierzchniach rowki zapewniające sprawniejsze odprowadzenie wód opadowych i skroplin skondensowanej wilgoci do systemu odwadniającego dach.
Na warstwie izolacji termicznej konieczne jest ułożenie tkaniny z włókna sztucznego (geowłóknina, flizelina), która oddziela żwir od płyt izolacji termicznej. Powinna oczyszczać wodę opadową, która przesiąka pod i między płytami izolacji termicznej, aby nie uległy zanieczyszczeniu oraz umożliwiać dyfuzję pary wodnej przy jej wysychaniu. Nadają się do tego znakomicie geotkaniny z włókien polipropylenowych. Niedopuszczalne jest układanie na izolacji termicznej warstw paroszczelnych (np. folii polietylenowej).
Warstwa drenażowa konieczna jest zwłaszcza przy dachach o niewielkim nachyleniu połaci. Powinna gromadzić wodę i odprowadzać jej nadmiar z podłoża do specjalnie wykonanego systemu odpływów. Może tworzyć też przestrzeń dla korzeni rosnących roślin. Wykonywana jest często ze żwirów, grysów naturalnych, sztucznych lub pochodzących z recyklingu. Generalnie uziarnienie uzależnione jest od grubości warstwy drenującej i wegetacyjnej. Ponieważ rozwiązanie owo stanowi znaczne obciążenie dla konstrukcji dachu pewną alternatywę stanowią płyty drenażowe z rowkami odprowadzającymi wodę, maty i kształtki z tworzyw sztucznych [1].
Kolejną warstwą jest warstwa filtracyjna; winna ona zapobiegać zanieczyszczaniu warstw znajdujących się poniżej, a jednocześnie zapewniać dużą przepuszczalność wody. Materiał na nią musi charakteryzować się wysokimi parametrami mechanicznymi, dużą odpornością na działanie mikroorganizmów i roztworu glebowego oraz musi być przenikalny dla korzeni roślin. Wymogi te spełniają przede wszystkim włókniny z tworzyw sztucznych i flizeliny.
Warstwa wegetacyjna często jest nazywana podłożem. Podstawową jej funkcją jest odprowadzenie nadmiaru wody do warstw położonych niżej przy jednoczesnym okresowym jej magazynowaniu np. w okresie suszy. Powinna zapewniać też roślinom niezbędną ilość powietrza i składników odżywczych np. soli mineralnych, aby możliwa była prawidłowa wegetacja roślin.
Warstwę wegetacyjną stanowić mogą wszelkiego rodzaju substraty stanowiące najczęściej mieszanki ziemi z humusem i rozdrobnionym materiałem pochodzenia mineralnego np. żwiru, grysu kamiennego, dolomitu, pumeksu, kory i tuf wulkanicznych.
W celu wykonania warstwy wegetacyjnej można zastosować płyty i maty wegetacyjne. Pierwsze z nich produkowane są z tworzywa sztucznego, najczęściej modyfikowanego poliuretanu o profilowanej powierzchni. Natomiast maty wytwarzane są z włókien kokosowych lub wełny mineralnej nasyconych dodatkowo nasionami i substratem glebowym [1, 3].
Pewną alternatywą dla tradycyjnych materiałów (żwir, grys), które ze względu na duży ciężar własny lub z uwagi na dużą energochłonność procesu ich produkcji (łupki porowate, glińce, pumeksy) stanowią materiały produkowane na bazie gruzu ceglanego, dachówkowego oraz z porowatych materiałów ceramicznych w postaci granulatu o zróżnicowanych frakcjach.
Dachy zielone w układzie klasycznym
Poszczególne warstwy dachu zielonego oraz zastosowane materiały są prawie identyczne zarówno w przypadku dachów o konstrukcji tradycyjnej jak i odwróconej. Jedyną różnicą jest kolejność ułożenia poszczególnych warstw. W rozwiązaniu dachu zielonego w układzie klasycznym izolacja termiczna umieszczona jest pod hydroizolacją – odwrotnie niż w układzie odwróconym. Z tego też powodu niezbędna jest konieczność ochrony termoizolacji przed wilgocią z dołu, czyli zastosowanie paroizolacji.
Najlepiej w tym celu służy papa polimerobitumiczna z wkładką składającą się z włókna szklanego oraz odporną na korozję taśmą aluminiową. Przed przystąpieniem do ułożenia paroizolacji konieczne jest zagruntowanie podłoża impregnatem na bazie asfaltu. Przykładowy układ warstw w dachu zielonym w technologii tradycyjnej przedstawiono na rysunku 2.
Roślinność dachów zielonych
Dobór odpowiednich roślin zależy od szeregu czynników, takich jak: lokalne warunki klimatyczne (temperatura, ukształtowanie terenu, ilość opadów, siła wiatru) i indywidualnych upodobań klientów. Jednak najważniejszym czynnikiem jest grubość podłoża, a co za tym idzie – dopuszczalne obciążenie dachu. Właśnie ze względu na grubość podłoża można wprowadzić klasyfikację [1] dachów zielonych na:
– ekstensywne,
– intensywne o roślinności niskiej,
– intensywne o roślinności wysokiej.
Przy zazielenieniu ekstensywnym grubość warstwy wegetacyjnej nie powinna przekraczać 10 cm. Natomiast grubość warstwy drenażowej powinna wynosić 6÷9 cm. W takich warunkach możliwa jest uprawa roślin o wysokości do 20 cm, czyli roślin o najmniejszych wymaganiach wegetacyjnych. Do takich roślin można zaliczyć przede wszystkim mchy, porosty, trawy i rośliny skalne.
Przy dachach intensywnych o roślinności niskiej grubość podłoża powinna wynosić do 25 cm. Wysokość roślin nie może być wyższa niż 50 cm. Zieleń stanowią trawy, niektóre byliny oraz niskie krzewy. W konstrukcji dachu intensywnego z roślinnością wysoką grubość warstwy wegetacyjnej przekracza 50 cm. Wysokość roślin ograniczona jest w tym przypadku do 200 cm. Grubość warstwy drenażowej wynosi 10÷30 cm. Zaleca się również, by większe krzewy oraz pojedyncze drzewa zamocować za pomocą lin do elementów stałych co zabezpieczy je przed wywróceniem w czasie silniejszych wiatrów. W przypadku dachu o zazielenieniu intensywnym konieczne są systematyczne pracochłonne zabiegi pielęgnacyjne np. podlewanie w okresie długotrwałej suszy, usuwanie chwastów, przycinanie nadmiernie wybujałych odrostów. Nawet zazielenienie ekstensywne wymaga od czasu do czasu pielęgnacji, lecz jest ona ograniczona w tym przypadku do minimum.
Nowoczesne rozwiązania materiałowe pozwalają wykonywać dachy zielone przy bardzo zróżnicowanych spadkach połaci. Przy spadkach połaci do 2% zaleca się rozwiązania wielowarstwowe z cienką warstwą filtrującą i drenującą. Przy spadkach od 5 do 17% należy stosować grubszą warstwę wegetacyjną z uwagi na zwiększony odpływ powierzchniowy wód. Przy spadkach powyżej 17% zalecane jest stosowanie zazielenienia wyłącznie ekstensywnego. Bardzo często stosowane są specjalne zasobniki wody, które zabezpieczają warstwę wegetacyjną przed obsunięciem. Substrat glebowy ułożony jest bezpośrednio na zasobniku wody bez włókniny filtrującej. W celu dodatkowej ochrony substratu roślinnego układa się ruszt z łat drewnianych [3].
Wartość współczynnika przenikania ciepła określonego wg PN-EN ISO 6946:1999 nie może być większa niż Umax < 0,30 W/m2•K (wg Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12.04.2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie – Dz.U. nr 75 z dnia 15.06.2002 r., poz. 690). Ponieważ woda deszczowa w przypadku dachu zielonego w konstrukcji odwróconej może podciekać pod izolację termiczną należy ten fakt uwzględnić w obliczeniach cieplno-wilgotnościowych. Średnia strata ciepła powstająca w wyniku opadów deszczu na skutek podciekania polega na skorygowaniu współczynnika przenikania ciepła Umax, wówczas jego wartość dla dachów w systemie odwróconym nie powinna przekraczać 0,25 W/m2•K.
Na rys. 3 przedstawiono przykładową konstrukcję dachu zielonego w systemie odwróconym, dla której wykonano obliczenia cieplno-wilgotnościowe. Do obliczeń przyjęto następujące założenia:
– budynek mieszkalny w zabudowie jednorodzinnej w pierwszej strefie klimatycznej,
– wilgotność względna wewnątrz pomieszczenia ϕi = 55%, a na zewnątrz ϕe = 85%,
– temperaturę powietrza wewnętrznego ti = 20°C, a powietrza zewnętrznego te = –16°C,
– kierunek strumienia cieplnego: w górę, a więc opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni Rsi = 0,10 m2•K/W, a na zewnętrznej Rse = 0,04 m2•K/W.
W tabeli 1 podano własności fizyczne materiałów przyjętych do obliczeń cieplno-wilgotnościowych w uproszczonej konstrukcji dachu zielonego w systemie odwróconym.
Projektując przegrody zewnętrzne domu jednorodzinnego należy sprawdzić, czy są spełnione następujące wymagania:
U ≤ Umax, (1)
ϑi > ts (2)
w których:
U – współczynnik przenikania ciepła przegrody,
Umax – największe dopuszczalne wartości współczynnika przenikania ciepła przegrody,
ϑi – temperatura wewnętrznej powierzchni przegrody,
ts – punkt rosy przegrody.
Obliczenia współczynnika przenikania ciepła U przegrody, temperatury wewnętrznej powierzchni przegrody ϑi oraz punktu rosy ts dla założeń podanych wcześniej wykonano zgodnie z PN-EN ISO 6946:1999.
Dla tak przyjętych założeń, warunki (1, 2) są spełnione, ponieważ wartość współczynnika przenikania ciepła U przegrody wynosi 0,22 W/m2•K, a więc jest mniejsza od Umax = 0,25 W/m2•K. Natomiast temperatura wewnętrznej powierzchni przegrody ϑi = 18,68°C jest większa od temperatury punktu rosy ts = 10,50°C. Z tych obliczeń wynika, że nie nastąpi kondensacja pary wodnej na powierzchni wewnętrznej przyjętego układu przegrody. Nie nastąpi również kondensacja pary wodnej wewnątrz przegrody, ponieważ linie ciśnienia pary wodnej nasyconej i ciśnienia rzeczywistego nie przecinają się (rys. 3b).
Trwałość i własności użytkowe dachów zielonych w znacznym stopniu zależą do umiejscowienia izolacji przeciwwodnej i cieplnej. Wykonując dachy zielone w konstrukcji dachu odwróconego chronimy izolację przeciwwodną dzięki czemu przedłużamy jej trwałość, co w konsekwencji prowadzi do wydłużenia bezawaryjnego okresu użytkowania konstrukcji.
Należy również pamiętać, że w przegrodach zachodzi szereg zjawisk cieplno-wilgotnościowych związanych z przenikaniem strumienia ciepła i pary wodnej. Zjawiska te nasilone są w okresach, kiedy różnica temperatur pomiędzy temperaturą zewnętrzną, a temperaturą w pomieszczeniu dochodzi do 40°C.
Przy takim układzie temperatur często dochodzi do kondensacji pary wodnej w wyniku jej dyfuzji przez warstwy przegrody. Wykraplająca się para wodna może powodować zawilgocenie materiałów wchodzących w skład przegrody. Dlatego ważne jest, aby w każdym rozwiązaniu przeprowadzić dokładną analizę warunków cieplno-wilgotnościowych i na jej podstawie przeprowadzić odpowiednie obliczenia, pozwalające na prawidłowe zaprojektowanie grubości i kolejności poszczególnych warstw.
O trwałości dachu zielonego decyduje jakość wszystkich materiałów oraz solidność wykonania wszystkich robót. Z uwagi na to zaleca się stosowanie kompletnych rozwiązań dachów zielonych, ponieważ sprzyja to ich odporności.
Mgr inż. R. Jurczak
Politechnika Szczecińska
Literatura:
[1] Grocholska A.: Ogród na dachu. Dom 2003, nr 4, s. 76÷80.
[2] Sawicki J.: Dachy odwrócone. Izolacje 2003, nr 2, s. 30÷34.
[3] Zgoła B.: Dach zielony – nowoczesność w domu. Warstwy 2002, nr 2, s. 85÷87.
(numer 2/2007)
|