Устройство кровельного пирога

В данной статье рассказывается, почему при применении таких материалов как Экотермикс 600 при специальном подходе к проектированию можно отказаться как от наличия вентиляционного зазора, так и пароизоляционной пленки. Иными словами, вам не потребуется кровельный пирог! А это отличная экономия денежных средств.

Чердак

Основным назначением кровли является защита здания от атмосферных осадков. Традиционно дома имели холодный чердак, который образовывался скатной крышей и чердачным перекрытием. Скатная крыша выполняла функцию защиты от осадков, чердачное перекрытие обычно засыпалось сверху теплоизолятором (торфом, шлаком керамзитом или тем, что было под рукой) и играло роль теплоизоляционного ограждения. Нужно сказать, что наши дедушки и бабушки, использовавшие печное отопление, были не очень притязательны к микроклимату помещений.

Им было достаточно простого отсутствия сырости в углах и на потолке. Однако такая конструкция перекрытия, которое еще называется чердачным, вполне себя оправдывала. В настоящее время требования владельцев домов к микроклимату возросли. Кроме того, жители хотят максимально использовать внутреннее пространство дома. Поэтому вместо чердаков появились отапливаемые мансарды. Мансарда это отапливаемое помещение непосредственно под крышей. Помещение мансарды образовано наружными стенами и утепленным перекрытием, с установленной  на нем кровлей. На рис. 1 дана схема конструкции чердачного перекрытия.

Рис.1

Как видно из рис. 1. Конструкция чердачного перекрытия предельно проста. Разберем функции отдельных элементов.

1. На стропилах укреплена кровля. Под кровлей может должен быть слой гидроизоляционного материала.
2. На стенах лежат бревна, к которым снизу крепится обшивка потолка, а сверху настил пола на чердаке.
3. На чердачный настил насыпается так называемая засыпка из сыпучего теплоизоляционного материала или укладывается утеплитель.
4. Чердак вентилируется через слуховые окна (которые расположены обычно на фронтонах) и здесь не показаны.

Я думаю, что читателю понятно, зачем нужна засыпка или утепление чердачного перекрытия. Ответ для снижения тепловых потерь.  Не совсем очевидно для чего чердак следует вентилировать. Рассмотрим отапливаемое помещение, отделенное от окружающей среды. Оказывается, что наружный и внутренний воздух отличаются друг от друга не только температурой, но и концентрацией водяного пара. Так в воздухе внутри помещения содержится около 20 г водяного пара на один куб. метр воздуха, в то время как в наружном воздухе при зимних температурах содержится всего 1-5 г на один куб. метр.

Стена любого здания, если только она не из металла, содержит мельчайшие поры воздуха, которые сообщаются. Таким образом, через эти поры пар может проходить изнутри помещения наружу. Процесс перехода пара наружу происходит на молекулярном уровне, то есть молекулы пара внутри помещения как бы заменяются молекулами воздуха снаружи и происходит это очень медленно и данный процесс называется диффузией. Пар из помещения наружу будет переходить до тех пор, пока его концентрация на улице не станет равна концентрации внутри помещения.

Однако, если температура воздуха внутри помещения превышает температуру воздуха снаружи, выравнивание концентраций может не произойти. Для любой температуры воздуха существует максимальное количество водяного пара, которое может там находиться.  Эта величина определяется давлением насыщенного пара при данной температуре. Рассмотрим каплю воды. Над поверхностью капли всегда есть облако пара. Молекулы воды могут переходить с поверхности в облако, и тогда давление в облаке растет, и переходить обратно из облака в воду, тогда давление пара в облаке падает.

Для каждой температуры воды существует такое давление в облаке пара над ней, при котором количество молекул выходящих с поверхности воды, равно количеству молекул, возвращающихся в воду. То есть давление, при котором наступает равновесие между облаком пара и водой. Это давление и называется давлением насыщения или давлением насыщенного пара. Оно зависит только от температуры воды и пара. Давление насыщенного пара тем меньше, чем меньше температура воды и пара (они одинаковые).  Например, в воздухе с температурой -28 ° C  давление насыщенного пара составляет 0.0467 кПа. В то время как при температуре +18 ° C  это давление будет равно 2.063 кПа. Различие составляет сотни раз!

Теперь возьмем  1 м3 воздуха и вспомним закон Дальтона. Согласно этому физическому закону, давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений газов, входящих в смесь. Парциальное давление газа это такое давление, которое бы он оказывал, если бы занял весь объем смеси один.  Как уже говорилось выше, воздух представляет собой смесь газов, которые образуют воздух и паров воды. Как собственно воздух, так и пары воды в нашем случае подчиняются уравнению состояния идеального газа, так как их давление и плотность невелики. Вспомним теперь уравнение состояния идеального газа 

где R – универсальная газовая постоянная R = 8,314 Дж/(К моль); Т –абсолютная температура, К; ν  - количество вещества газа, моль. 

, где m – масса газа, кг; μ – молярная масса газа, кг/моль.  Молярная масса водяного пара составляет μ  =0.018 кг/моль. Тогда из этого уравнения вычислим количества водяного пара в состоянии насыщения для воздуха  с температурой -28 ° C  и для воздуха с температурой +18 ° С.

Для воздуха с температурой -28 ° C.

Для воздуха с температурой +18 ° C

Итак, различие очень существенно. Максимальная концентрация пара, которая может содержаться в холодном воздухе, составляет всего 0.41 г! Диффузия же из помещения не остановится, пока концентрация снаружи не станет  15 г в 1 м3. Это значит, что пар из отапливаемого помещения непрерывно будет поступать в наружный воздух, и его избыток будет конденсироваться. Конденсироваться пар может в воздухе с наружи ограждения или в его толще. Естественно, что конденсация в толще ограждения не нужна. Вернемся теперь к чердаку. Чердачное перекрытие обладает порами, следовательно, оно обладает паропроницаемостью.

Засыпка также обладает паропроницаемостью.  Как уже было сказано через паропроницаемые ограждения пар в процессе диффузии выходит наружу и процесс этот непрерывный. Таким образом , он выходит в холодный чердак, и если чердак не вентилируется, то скапливается и конденсируется внутри него. К счастью,  на Руси очень мало герметически плотных чердаков, поэтому пар беспрепятственно уходит из пространства чердака в окружающий воздух за счет ветра и естественной тяги. Рассмотрим теперь мансарду.

Мансарда

Мансарда – это хорошо утепленный чердак. Чердак, который используется как жилое помещение. Преимущество мансарды в том, что используется весь полезный объем жилого здания. Это преимущество достигается определенными техническими решениями. Часть этих решений направлено на утепление кровли, которая является частью ограждения жилого помещения. Другая часть направлена на защиту этих ограждений от накопления влаги.

Как уже сказано выше, пар из жилого, отапливаемого помещения будет стремиться выходить наружу. Выходить он будет через стены и через утепленную кровлю. Поэтому необходимы инженерные меры для того, чтобы пар мог проникнуть через кровлю и уйти в наружный воздух. Если он задержится кровлей или в слое внутри ограждения, то он там и сконденсируется.

Тепловая изоляция увлажнится, ухудшится ее работа и будет происходить дальнейшее более интенсивное накопление влаги. В настоящее время для утепления крыш применяются различные материалы: органические, неорганические, пористые и малопористые. Рассмотрим конструкцию утепленной кровли при утеплении неорганическим утеплителем – минеральной ватой. Утепленная кровля мансарды, при использовании минеральной ваты. Утепленная кровля имеет следующие элементы: несущая конструкция состоит из стропил, нижняя обрешетка (к ней крепится внутренняя отделка помещения), пароизоляционная пленка, плитный утеплитель (минеральная вата в данном случае), гидроизоляционная пленка, контробрешетка (к ней крепится обрешетка, обрешетка и собственно кровельное покрытие.

Монтаж утепленной кровли выполняется в следующей последовательности: монтируются стропила, на стропила натягивается гидроизоляционная пленка, по гидроизоляционной пленке на стропила прибивается контробрешетка, к которой крепится обрешетка, на которую устанавливается кровельное покрытие. Снизу устанавливается плитный утеплитель, далее устанавливается пароизоляционная пленка и на нее набивается нижняя обрешетка.

К нижней обрешетке прибивается отделка помещения. Плитный утеплитель устанавливается между стропил таким образом, чтобы между ним и гидроизоляционной пленкой образовывался заор не менее 40 мм. Этот зазор ветилируется наружным воздухом. Зазор между кровельным материалом и гидроизоляционной пленкой так же вентилируется. Сравним данную конструкцию с чердаком. Получается, что обширное вентилируемое пространство под скатной кровлей (чердачное пространство) превратилось в небольшой зазор между утеплителем и гидроизоляционной пленкой.

При этом его назначение осталось тем же самым: отвести пар, проникающий из жилого помещения (в данном случае мансарды) в атмосферный воздух и не дать ему задержаться в утеплителе. Вентиляция этого зазора обеспечивается за счет естественной тяги. Воздух внутри зазора нагревается от ограждения и становится легче окружающего воздуха и выходит через конек крыши. Новый воздух поступает в зазор, через специально оставленные для этого отверстия в торцах скатов.  Зазор между кровлей и гидроизоляционной пленкой нужен, для того чтобы удалялась роса, которая образуется на кровле с внутренней стороны при суточных перепадах температур.

Итак, появление мансарды привело к тому, что объемное воздушное пространство чердака, способное выводить значительные количества пара сократилось до «крохотного» вентиляционного зазора над утеплителем. Это в свою очередь приводит к повышению требований к сопротивлению паропроницанию утепления мансарды. В домах с чердаком эти требования сводятся лишь к тому, чтобы сопротивление паропроницаемости теплоизоляционной засыпки, было меньше сопротивления паропроницаемости чердачного перекрытия, включая отделку. В этом случае весь пар, поступающий изнутри помещения, может быть отведен из ограждения. Маленький зазор мансардного утепления не дает такой возможности.

Наличие значительного слоя эффективного утеплителя снижает теплопроводность ограждения, а значит и температуру воздуха в зазоре. Приближение температуры воздуха в зазоре к температуре окружающей среды снижает скорость обмена воздуха. Снижение скорости обмена воздуха и малая величина воздушного зазора не дает возможности отводить большие количества пара. Поэтому количество пара поступающего из помещения диффузией через мансардное ограждение стараются снизить пароизоляционной пленкой.

Если эта конструкция выполнена идеально (гидро- и пароизоляционные пленки уложены плотно), то ограждение не накапливает влаги и служит весьма надежно. Однако, при наличии дефектов монтажа очень трудно увязать между собой избыточное поступление пара, низкую скорость воздуха в зазоре из-за малых тепловых потерь (движущей силой вентиляционного воздуха является его нагрев), так как утеплитель все же эффективный, и малую величину зазора. При определенных неблагоприятных сочетаниях этих факторов ограждение (утеплитель) может накопить влагу.

Перекрытия

По изложенной схеме строятся ограждения все ограждения мансард и бесчердачные утепленные перекрытия. Главными элементами схемы являются вентилируемый зазор под гидроизоляционным ковром и паровая изоляция с внутренней стороны ограждения. Схема может немного меняться в зависимости от паропроницаемости утеплителя и требований к круглогодовому влажностному режиму ограждения.

Как известно утеплители можно разделить на паропроницаемые (неорганические ватные утеплители) и малопаропроницаемые (органические пенополиуретан, пенополистирол и т.д.). В случае применения малопаропроницаемых утеплитителей при определенных условиях можно отказаться от применения паро- и гидроизоляционной пленки или даже вент. зазора. Рассмотрим напыляемый пенополиуретановый утеплитель Экотермикс 600.

Паропроницаемость этого материала составляет всего 0.07 мг/(м Па ч), что сравнимо с паропроницаемостью клееной фанеры или сухого дерева поперек волокон. Для сравнения паропроницаемость минеральной ваты составляет в среднем 0.3 мг/(м Па ч). Таким образом, паропроницаемость материала Экотермикс 600 весьма мала. Следовательно, процессы влагонакопления в таком материале идут существенно медленее, чем в минеральной вате, например.

Расчеты влагонакопления в сухом дереве (Фокин, строительная теплофизика) показывают, что материал с низкой паропроницаемостью может не успеть накопить достаточно влаги за весь отопительный сезон, чтобы последствия такого накопления стали заметны. Поэтому при применении таких материалов как Экотермикс 600 при специальном подходе к проектированию можно отказаться как от наличия вентиляционного зазора, так и пароизоляционной пленки.