Υγροθερμική Συμπεριφορά και Ανθεκτικότητα των Σύνθετων Συστημάτων Εξωτερικής Θερμομόνωσης (ΣΣΕΘ)

Η ενεργειακή αναβάθμιση του κτηριακού περιβλήματος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη σωστή επιλογή και εφαρμογή των Σύνθετων Συστημάτων Εξωτερικής Θερμομόνωσης (Σ.Σ.Ε.Θ.), τα οποία συνδυάζουν θερμομονωτικές πλάκες και λεπτά επιχρίσματα και αποτελούν πλέον βασική πρακτική για την επίτευξη των απαιτήσεων που προβλέπονται από τον Κανονισμό Ενεργειακής Αποδοτικότητας Κτιρίων (ΚΕνΑΚ). Ωστόσο, οι θερμομονωτικές ιδιότητες των μονωτικών υλικών στα συστήματα αυτά, με κυριότερη τη θερμική αγωγιμότητα, μεταβάλλονται σημαντικά υπό την επίδραση της υγρασίας.

Η μη ορθή πρόβλεψη αυτής της παραμέτρου μπορεί να οδηγήσει τόσο σε μειωμένη ενεργειακή απόδοση όσο και σε μακροχρόνια φθορά του συστήματος. Η υγρασία που διεισδύει ή εγκλωβίζεται στους πόρους των μονωτικών υλικών αποτελεί κρίσιμο παράγοντα υποβάθμισης, επηρεάζοντας αρνητικά τη θερμική συμπεριφορά, τη μηχανική αντοχή, τη συνοχή των στρώσεων, την πρόσφυση, τη συμπεριφορά των επιχρισμάτων σε συνθήκες παγετού και μια σειρά άλλων προβλημάτων κτηριακής παθολογίας. Η βαθύτερη κατανόηση των μηχανισμών μεταφοράς θερμότητας και υγρασίας στα υλικά του κτηριακού περιβλήματος αποτελεί βασική προϋπόθεση για τον τεχνικό σχεδιασμό αποδοτικών και ανθεκτικών ΣΣΕΘ.

Μεταφορά Θερμότητας και Υγρασίας στα Υλικά των ΣΣΕΘ

Τα Σ.Σ.Ε.Θ. αποτελούνται από πολλαπλές στρώσεις υλικών με διαφορετικό πορώδες, οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να απορροφούν, να συγκρατούν και να μεταφέρουν υγρασία. Η υγροθερμική συμπεριφορά αυτών των υλικών είναι ιδιαίτερα σύνθετη, καθώς, αν και η μεταφορά θερμότητας και υγρασίας συμβαίνει μέσω διαφορετικών μηχανισμών, οι δύο διεργασίες αλληλοεπιδρούν στενά.

Η θερμότητα μεταδίδεται κυρίως μέσω αγωγής – από θερμότερες προς ψυχρότερες περιοχές – ενώ η υγρασία διακινείται είτε ως υγρό νερό μέσω τριχοειδών φαινομένων, είτε ως υδρατμός που διαχέεται διαμέσου των πορωδών στρωμάτων, καθοδηγούμενος από διαφορές στη μερική πίεση ατμών ή στη συγκέντρωση. Επιπλέον, μπορεί να παρατηρείται ταυτόχρονη δράση αυτών των μηχανισμών.

Στο στάδιο της μεταφοράς υδρατμών ενδέχεται να προκύψει τοπική συμπύκνωση ή εξάτμιση της υγρασίας, μεταβάλλοντας τη θερμική αγωγιμότητα των υλικών και προκαλώντας αντίστοιχα απελευθέρωση ή απορρόφηση θερμότητας, λόγω της ενθαλπίας αλλαγής των φάσεων. Αυτές οι φαινόμενες διεργασίες επηρεάζουν καθοριστικά τόσο την ενεργειακή συμπεριφορά όσο και τη μακροχρόνια απόδοση του συστήματος.

Επιπτώσεις Υγρασίας στη Θερμομονωτική Ικανότητα

Η παρουσία υγρασίας στους πόρους των θερμομονωτικών υλικών επηρεάζει καθοριστικά τη λειτουργικότητά τους, καθώς αυξάνει τη θερμική αγωγιμότητα και μειώνει την ικανότητα περιορισμού θερμικών απωλειών. Ένα υλικό που, σε ξηρές συνθήκες, εμφανίζει υψηλή θερμομονωτική απόδοση, μπορεί να υποβαθμιστεί σημαντικά όταν διαποτιστεί με υγρασία – είτε σε υγρή μορφή είτε ως υδρατμός. Όσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα νερού που απορροφά ή συγκρατεί το υλικό, τόσο αυξάνεται η δυνατότητα μεταφοράς θερμότητας μέσω αυτού, οδηγώντας σε υποβάθμιση της ενεργειακής συμπεριφοράς του κτηρίου.

Η υγρασία μπορεί να διεισδύσει στο μονωτικό υλικό του ΣΣΕΘ με τρεις κύριους τρόπους:

• μέσω φυσικής διάχυσης υδρατμών από την ατμόσφαιρα,

• με τριχοειδή απορρόφηση βρόχινου νερού στα εξωτερικά επιχρίσματα και ιδιαίτερα στα γηρασμένα,

• μέσω συμπύκνωσης υδρατμών στο εσωτερικό της διατομής, όταν η θερμοκρασία τοπικά πέσει κάτω από το σημείο δρόσου – φαινόμενο που εμφανίζεται συχνότερα κατά τους χειμερινούς μήνες.

Η επίδραση αυτή δεν είναι σταθερή και επηρεάζεται από παράγοντες όπως: η χημική σύσταση και δομή του υλικού, το ποσοστό και η γεωμετρία των πόρων, η υγροσκοπικότητά του (ικανότητα προσρόφησης υγρασίας) και η διαπερατότητά του σε υδρατμούς. Για τον λόγο αυτό, η αξιολόγηση της θερμικής συμπεριφοράς ενός συστήματος ΣΣΕΘ δεν πρέπει να βασίζεται αποκλειστικά στις τιμές θερμικής αγωγιμότητας σε ξηρή κατάσταση, αλλά να λαμβάνει υπόψη και τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, με μεταβλητά ποσοστά υγρασίας.

Υπολογισμός Κινδύνου Συμπύκνωσης και Κτηριακή Παθολογία

Γενικότερα, η συμπύκνωση υδρατμών αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους μηχανισμούς πρόκλησης φθοράς σε θερμομονωτικά υλικά και επιχρίσματα και γενικότερα προβλήματα κτηριακής παθολογίας. Όταν οι υδρατμοί που διαπερνούν το κτηριακό περίβλημα φτάνουν σε περιοχές όπου η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από το σημείο δρόσου, υγροποιούνται και παγιδεύονται εντός του δομικού στοιχείου. Εάν το φαινόμενο αυτό επαναλαμβάνεται περιοδικά, οδηγεί σε συσσώρευση υγρασίας, με αποτέλεσμα την προοδευτική υποβάθμιση της θερμομονωτικής ικανότητας, την απώλεια συνοχής των στρώσεων, την επιτάχυνση φθορών στα επιχρίσματά αλλά και προβλήματα όπως η ενανθράκωση του σκυροδέματος και η ανάπτυξη μούχλας, και άλλα.

Η αξιολόγηση του κινδύνου συμπύκνωσης απαιτεί την ανάλυση του θερμοκρασιακού και υγρασιακού προφίλ καθ’ όλο το πάχος της τοιχοποιίας. Με τη χρήση κατάλληλων υπολογιστικών εργαλείων είναι δυνατή η δυναμική προσομοίωση των μεταβολών αυτών, ενσωματώνοντας και τις κατά τόπους κλιματικές συνθήκες. Έτσι, ο μελετητής μπορεί να επαληθεύσει, σε ετήσια βάση, εάν η σχετική υγρασία σε κρίσιμες περιοχές της διατομής υπερβαίνει το κρίσιμο όριο (συνήθως >80% RH), το οποίο υποδηλώνει αυξημένο κίνδυνο συμπύκνωσης και ανάπτυξης παθογενειών.

Για τον σκοπό αυτό, μπορεί να χρησιμοποιηθεί το ελληνικής ανάπτυξης λογισμικό IsZEB HygroThermal, το οποίο δημιουργήθηκε στο πλαίσιο του cluster IsZEB του ΕΚΕΤΑ. Πρόκειται για διαδικτυακή πλατφόρμα ευφυούς υπολογισμού, η οποία επιτρέπει τη μοντελοποίηση της μονοδιάστατης υγροθερμικής συμπεριφοράς δομικών στοιχείων, λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιότητες των επιμέρους υλικών, τις περιβαλλοντικές μεταβολές και την αλληλεπίδραση θερμότητας και υγρασίας. Το εργαλείο αυτό μπορεί να υποστηρίξει τον μηχανικό τόσο στη φάση του σχεδιασμού όσο και στην ανακαίνιση υφιστάμενων κατασκευών, παρέχοντας τεκμηριωμένες προτάσεις για την επιλογή κατάλληλων θερμομονωτικών υλικών και την ορθολογική διαστρωμάτωση, με στόχο τη μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης και την αποφυγή υγροθερμικών προβλημάτων.

Υγροθερμικές Στρατηγικές Σχεδιασμού

Η χρήση προηγμένων εργαλείων, όπως το λογισμικό IsZEB HygroThermal, επιτρέπει την υπέρβαση των παραδοσιακών προσεγγίσεων που βασίζονται αποκλειστικά στις δηλωμένες τιμές θερμικής αγωγιμότητας (λ) υπό ιδανικές, ξηρές συνθήκες εργαστηρίου. Μέσα από δυναμικές προσομοιώσεις που ενσωματώνουν ρεαλιστικά δεδομένα υγρασίας, θερμικών ροών και τοπικού κλίματος, καθίσταται εφικτή η ολιστική αξιολόγηση της υγροθερμικής συμπεριφοράς των ΣΣΕΘ.

Από εφαρμογές του IsZEB HygroThermal σε αντιπροσωπευτικά κλιματικά σενάρια για την ελληνική επικράτεια, προκύπτει ότι δύο υλικά ξεχωρίζουν ως βέλτιστες επιλογές:

• Η εξηλασμένη πολυστερίνη FIBRANxps ETICS GF, χάρη στη σχεδόν μηδενική απορρόφηση υγρασίας και

• Ο πετροβάμβακας FIBRANgeo BP ETICS, λόγω της υψηλής υδροφοβίας και της ικανότητάς του να επιτρέπει τη διαπνοή.

Οι δύο αυτές διαφορετικές τεχνολογικές προσεγγίσεις αναδεικνύουν την ανάγκη στρατηγικού σχεδιασμού ανάλογα με το σύστημα τοιχοποιίας και τις κλιματολογικές παραμέτρους: είτε με χρήση υλικών που παρουσιάζουν αμελητέα υδατοαπορρόφηση (XPS), είτε με επιλογή υλικών που επιτρέπουν τη σταδιακή διαφυγή υδρατμών προς το εξωτερικό περιβάλλον (MW). Σε κάθε περίπτωση, στόχος είναι η αποτροπή εγκλωβισμού υγρασίας στο εσωτερικό του δομικού στοιχείου και η διασφάλιση μακροχρόνιας θερμικής και δομικής σταθερότητας.

Η υγροθερμική συμπεριφορά αναδεικνύεται τελικά ως κρίσιμος παράγοντας για την αξιοπιστία, την απόδοση και τη βιωσιμότητα των συστημάτων εξωτερικής θερμομόνωσης. Η δυνατότητα υπολογιστικής πρόβλεψης φαινομένων συμπύκνωσης, η επιλογή βέλτιστων διαστρωματώσεων και η προσαρμογή στον εκάστοτε μικροκλιματικό χαρακτήρα της περιοχής, αποτελούν βασικά εργαλεία στη φαρέτρα του μηχανικού.

Ο επιστημονικός σχεδιασμός και η εφαρμογή δυναμικών μεθόδων προσομοίωσης δεν είναι πλέον πολυτέλεια αλλά αναγκαιότητα, τόσο για την επίτευξη των στόχων ενεργειακής απόδοσης όσο και για την προστασία της κατασκευής στο βάθος του χρόνου.

Άρθρο του Χρήστου Χατζηάστρου | Χημικός MSc. Χημείας Δομικών Υλικών Δ/ντής Τεχνικής Υποστήριξης FIBRAN