Wpływ konstrukcji dachu na klimat i mikroklimat

Średnia temperatura globalna rośnie od początku XX w. i przewiduje się, że będzie rosła dalej – rok 2016 był najcieplejszym rokiem w historii świata, drugim najcieplejszym był rok 2020, a lata 2011–2020 były najcieplejszą dekadą w historii od czasu rozpoczęcia pomiarów temperatury. Globalna średnia temperatura powierzchni rosła w średnim tempie o 0,1°C na dekadę od 1901 r.

Efektem globalnego ocieplenia są m.in. fale ekstremalnych upałów, które są bardziej dotkliwe na obszarach miejskich i obejmują zagrożenie dla zdrowia (szczególnie osób w podeszłym wieku), wyższe stężenia zanieczyszczeń, niższą jakość wody oraz spadek wydajności pracy¹.

Efekty upałów potęgowane są dodatkowo przez efekt miejskiej wyspy ciepła (UHI, od ang. urban heat island), czyli zjawiska polegającego na wzroście średniej temperatury o 1 do 5°C w porównaniu z sąsiadującymi obszarami wiejskimi². Wyższa temperatura w zabudowie miejskiej jest skutkiem promieniowania absorpcyjnego spowodowanego sztucznymi materiałami miejskimi, transpiracji z budynków i infrastruktury, uwalniania antropogenicznego ciepła od mieszkańców i urządzeń oraz efektem blokowania przepływu powietrza przez budynki – znaczny udział w tym procesie mają ciemne powierzchnie, takie jak bitumiczne pokrycia dachowe (ale również nawierzchnie asfaltowe), które mają niską zdolność odbijania światła, a w konsekwencji pochłaniają więcej energii i latem mogą rozgrzewać się do bardzo wysokiej temperatury¹.

Pokrycia dachowe stanowią parasol bezpieczeństwa dla najwyżej położonych zewnętrznych, poziomych przegród budynków i budowli, a tym samym dla całych obiektów budowlanych – w budownictwie stosuje się wiele, często bardzo odmiennych, technologii krycia dachów, w tym tradycyjnych, takich jak pokrycia drewniane, ceramiczne, cementowe, włókno-cementowe, papowe, z tworzyw sztucznych, stali i metalu, szkła, a nawet strzechy³. Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe dachów płaskich stanowią jedną z odpowiedzi na zachodzące zmiany klimatu. Ekologiczne rozwiązania dachów płaskich to tzw. szara^5–7, zielona^8,9 oraz błękitna [10] infrastruktura.

Szara infrastruktura – chłodne dachy

Przy rosnących cenach energii coraz większą wagę przykłada się do tego, by dachy budynków posiadały prawidłową izolację termiczną – mówiąc potocznie, aby były ciepłe, szczególnie zimą. Tymczasem zbyt wysoka temperatura dachu latem (fot. 1–2, tab.1) również może powodować straty energii oraz wpływać na szybką degradację pokrycia dachowego. Dlatego właśnie narodziła się idea tzw. chłodnych dachów (z ang. cool roofs)⁵.

W warunkach meteorologicznych występujących w naszym kraju do zapewnienia odpowiedniego mikroklimatu wewnątrz budynku zazwyczaj dąży się, stosując odpowiednio dobraną (pod względem grubości) oraz zabezpieczoną przed wilgocią warstwę termoizolacyjną¹¹. O ile jednak znaczne oszczędności energii można osiągnąć szczególnie w przypadku klimatu ciepłego i gorącego, korzyści z zastosowania chłodnych dachów można również uzyskać w klimacie chłodnym, zwłaszcza w przypadku klimatyzowanych latem budynków o dużej powierzchni zabudowy. Oszczędności te mogą nawet przewyższać zyski ciepła uzyskiwane zimą^7,12.

Chłodne dachy odznaczają się wysoką refleksyjnością, co oznacza, że odbijają znaczną część padających promieni słonecznych i w ten sposób oddają energię z powrotem do atmosfery – tylko nieznaczna część promieniowania absorbowana jest jako energia cieplna¹³. Dzięki zmniejszeniu emisji ciepła do wnętrza budynku, zmniejszone zostaje obciążenie urządzeń chłodzących podczas ciepłych pór roku. Szacuje się, że oszczędności energii używanej do chłodzenia powietrza, przy zwiększeniu współczynnika odbicia z istniejącego 0,10–0,20 do 0,60 mogą wynosić nawet 20%¹⁴.

Materiały wykorzystywane do wykonywania pokryć dachowych charakteryzują dwie cechy fizyczne (rys. 2). Pierwsza to współczynnik odbicia promieniowania słonecznego (określany również jako refleksyjność lub albedo). Jest to stosunek sumy energii słonecznej padającej na dach do ilości energii przez dach odbitej. Druga to emisja termiczna, czyli zdolność do odprowadzania zaabsorbowanej energii cieplnej¹³. Definicję „chłodnego dachu” podała Cool Roof Rating Council (Rada ds. Klasyfikowania Chłodnych Dachów): jest to produkt, który charakteryzuje się współczynnikiem odbicia promieniowania słonecznego (albedo) co najmniej 0,70 oraz emisją termiczną minimum 0,75¹⁵. Należy jednak zaznaczyć, że w tym wypadku określenie „dach chłodny” odnosi się nie do przegrody, a jedynie do materiałów zastosowanych jako wierzchnia powłoka.

Obok oszczędności energii stosowanie chłodnych dachów wpływa również na obniżenie emisji gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla (CO₂). Energia słoneczna zaabsorbowana przez dach, oddawana jest w późniejszym okresie w postaci energii cieplnej. Jak podają Akbari, Menon i Rosenfeld¹⁴, zastosowanie jasnych powłok dachowych, zwłaszcza na obszarze wielkich aglomeracji miejskich (w połączeniu z jasnymi powierzchniami ulic), pozwoliłoby zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych (w skali światowej) o 44 mld ton – chłodny dach na typowym nowym budynku o powierzchni 180 m² pozwala zredukować emisję CO₂ o ponad 103 kg/rok. Dodatkowo stosowanie chłodnych dachów w aglomeracjach miejskich pozwoliłoby ograniczyć (a być może nawet zlikwidować) zjawisko tzw. miejskich wysp ciepła (rys. 3), polegające na wzroście średniej temperatury o 1–5°C w porównaniu z sąsiadującymi obszarami wiejskimi¹³.

Albedo tradycyjnych materiałów używanych do pokrywania dachów mieści się w zakresie od 0,10 do 0,25 – można zatem bezpiecznie założyć, że średnie albedo dla istniejących dachów nie przekracza 0,20¹⁴. Zastosowanie białych gontów nie przyniosło spodziewanych rezultatów, z uwagi na fakt, że szybko ulegały one zabrudzeniu¹⁸. Najlepsze parametry uzyskują natomiast jasne membrany dachowe, białe powłoki malarskie (w tym aluminiowe) oraz dachy metalowe z jednoczesnym zastosowaniem cienkich powłok malarskich.

Zielona infrastruktura – dachy zielone

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.

Wykonanie pokrycia dachu w formie dachu zielonego posiada niebagatelne zalety techniczno-ekonomiczne¹⁹:

• 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 zimą, jak i latem,
• poprawia odporność ogniową stropodachu,
• zmniejsza ilość wody opadowej odprowadzanej do kanalizacji.

Ale również, może przede wszystkim, dach zielony to rozwiązanie posiadające szereg zalet z punktu widzenia ekologii^19,21:

• utrzymanie i odzyskanie powierzchni biologicznie czynnej,
• poprawa wyglądu miasta i krajobrazu,
• poprawa warunków pracy i zamieszkania poprzez 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 to stworzenie dodatkowych terenów zielonych oraz otwartych przestrzeni na tej samej powierzchni gruntu bez konieczności ponoszenia dodatkowych wydatków (na zakup gruntu) – zachowanie powierzchni biologicznie czynnej. Zgodnie z § 3 pkt 22 rozporządzenia²² 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 wód powierzchniowych na tym terenie.

Wprowadzenie dachów zielonych do przestrzeni miasta na trzy sposoby wpływa na poprawę mikroklimatu (rys. 5)²²:

• redukuje zjawisko miejskiej wyspy ciepła,
• opóźnia odpływ wód opadowych,
• redukuje zanieczyszczenie powietrza.

Dachy pokryte roślinnością, podobnie jak chłodne dachy, są zdecydowanie chłodniejsze niż dachy i stropodachy z konwencjonalnym pokryciem. Jednak dachy zielone oprócz tego, że charakteryzują się zwiększonym albedo (na poziomie 0,15–0,40), również dzięki zjawiskom ewapotranspiracji, czyli parowania z powierzchni roślin (transpiracji) i gruntu (ewaporacji), oraz zacienienia – zasłonięcia powierzchni dachu roślinnością, która blokuje dopływ promieniowania słonecznego, nie nagrzewają się nadmiernie²¹. Jak wykazały badania prowadzone w Stanach Zjednoczonych²³, latem temperatura dachu zazielenionego jest średnio o 19°C w ciągu dnia i o 8°C w ciągu nocy niższa niż powierzchnia dachu standardowego, a gradient temperatury między tymi powierzchniami może sięgać nawet 40°C. Z kolei temperatura pomieszczeń poniżej dachu zielonego w ciągu dnia była średnio o 2°C niższa, a w nocy o 0,3°C wyższa.

Dachy zielone przyczyniają się również do ograniczania emisji gazów cieplarnianych. Obok pochłaniania dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy wpływają również, analogicznie do dachów chłodnych, na mikroklimat wewnętrzny – na obniżenie temperatury w budynku oraz na ograniczenie zużycia energii na potrzeby klimatyzacji.

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 czasie²⁰.

Nasadzona roślinność pozwala również 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 termicznych²⁴.

Układ, liczba oraz grubość warstw dachu zielonego uzależnione są od konstrukcji dachu, planowanych w danym przypadku rodzaju roślinności i formy wegetacji, jak również typu materiałów, z których zbudowane są poszczególne warstwy. W Tab. 2 zestawiono grubości struktur dla różnych rodzajów zazielenienia.

Błękitna infrastruktura – dachy retencyjne

Ciągły rozwój tkanki miejskiej wymusza zmianę podejścia do gospodarki wodami opadowymi. Z jednej strony należy sprawnie odprowadzać wodę z powierzchni nieprzepuszczalnych, takich jak chodniki, ulice czy dachy, z drugiej należy zadbać o wodę niezbędną do podlewania terenów zielonych oraz zielonych dachów i elewacji. Przemyślana gospodarka wodna może sprawić, że w obrębie budynku powstanie zamknięty obieg wody opadowej, co nie tylko odciąży kanalizację deszczową (a w przypadku intensywnych opadów może nawet zapobiec lokalnym podtopieniom), ale pozwoli na oszczędności na opłatach za odprowadzanie wody do kanalizacji deszczowej, wydatkach na wodę do podlewania bądź do spłukiwania nieczystości w budynku (tzw. woda szara). Taki samowystarczalny układ wymaga jednak zastosowania specjalnego zbiornika na wodę, lub też gromadzenia wody w układzie dachów zielonych, które w tym wypadku przybierają formę dachów retencyjnych (określanych czasem jako dachy błękitne)¹⁰.

Założeniem działania dachu retencyjnego jest ujemny bilans wodny między opadami (można w nim uwzględnić wodę dostarczaną z innych powierzchni, np. pozostałych, uszczelnionych dachów czy tarasów) a parowaniem. Oznacza to, że ilość wody dostarczanej nie powinna być większa od tej, jaka jest w stanie odparować. Z drugiej strony zwiększone parowanie (w stosunku do dachów zielonych) stanowi dodatkową zaletę dachów retencyjnych. Dzięki temu działają one jak tzw. pasywny solar, dodatkowo przyczyniając się do obniżenia temperatury powietrza.

W zależności od ilości i rodzaju roślinności znajdującej się na dachu, dachy retencyjne kształtowane są na cztery różne sposoby¹⁰:

• jako dachy zielone z drenażem magazynującym,
• jako dachy bagienne,
• jako dachy z roślinnością pływającą,
• jako dachowe zbiorniki wody pozbawione roślinności.

Dachy zielone z drenażem magazynującym (rys. 6) konstruowane są zazwyczaj w taki sposób, że woda opadowa gromadzona jest w warstwach substratu. Można także zastosować specjalnie tłoczone folie lub elementy z tworzyw sztucznych, których zadaniem jest magazynowanie wody, lub też warstw drenujących z kruszyw mineralnych. Ilość gromadzonej wody uzależniona jest od grubości warstw glebowych i jest ona najczęściej wykorzystywana przez rosnące na dachu rośliny.

Na dachach bagiennych (rys. 7) obsadza się najczęściej rośliny łąkowe i bagienne, których cechą charakterystyczną jest bardzo dobra zdolność transpiracji (800–1600 mm/m²/rok). Buduje się je z użyciem substratów, co pozwala na poszerzenie ich zastosowania i budowanie trzcinowych oczyszczalni ścieków [10]. Flora na dachy z roślinnością pływającą (rys. 8) dostarczana jest w formie gotowych zazielenionych mat. Zaletą tego rozwiązania jest relatywnie niska waga oraz odporność na zmienny poziom lustra wody. Umiejscowione nad najwyższą kondygnacją zbiorniki wody pozbawione roślinności mogą służyć celom rekreacyjnym, na przykład jako basen dla mieszkańców.

Wykonanie dachu retencyjnego wymaga przeprowadzenia tzw. bilansu wodnego, który uwzględnia takie parametry jak wielkości opadu i parowania, zużycie wody, bilans powierzchni czy współczynnik spływu¹⁰. Musi on też jednak spełniać pozostałe wymagania stawiane tego typu konstrukcjom. Szczególnie istotne jest prawidłowe zaprojektowanie i wykonanie warstw hydroizolacyjnych, które muszą sprostać takim obciążeniom jak przy budowie basenu. Hydroizolacja nie może ponadto wpływać na jakość i skład chemiczny wody. Niezależnie od sprawnie funkcjonującej izolacji wodochronnej należy przewidzieć możliwość awaryjnego odprowadzenia nadmiaru wody z dachu, a także wykonać systemy oczyszczania i napowietrzania gromadzonej na dachu wody.

Literatura 

1. F. Pacheco-Torgal, „Introduction to eco-efficient materials for reducing cooling needs in buildings and construction”, [w:] F. Pacheco-Torgal i in. (red.), „Eco-efficient Materials for Reducing Cooling Needs in Buildings and Construction”, Elsevier Ltd., 2021, pp. 1–11.
2. M. Van Tijen, R. Cohen, „Dachy chłodne – sposób na obniżenie zużycia energii w budynkach” „IZOLACJE” 1/2009, s. 44–45.
3. D. Bajno, „Jak zwiększyć trwałość pokryć dachowych?”, „Inżynier Budownictwa” 3/2019, s. 51–56.
4. F. Pacheco-Torgal, „Introduction to eco-efficient materials for reducing cooling needs in buildings and construction”, [w:] F. Pacheco-Torgal i in. (red.), „Eco-efficient Materials for Reducing Cooling Needs in Buildings and Construction”, Elsevier Ltd., 2018, 2021, pp. 1–11. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-820791-8.00001-8
5. K. Zieliński, M. Monczyńska, B. Monczyński, „Wpływ pokryć dachowych o wysokiej refleksyjności na zużycie energii w budynku”, „Dachy” 2/2010, s. 13–17.
6. B. Monczyński, B. Ksit, „Komu w Polsce są potrzebne chłodne dachy”, „Inżynier Budownictwa” 2/2017, s. 96–100.
7. B. Monczyński, N. Rzeszowska, „Opłacalność zastosowania chłodnych dachów w polskich warunkach klimatycznych”, „IZOLACJE” 9/2018, s. 96–101.
8. B. Monczyński, N. Rzeszowska, „Wpływ typu dachu zielonego na poprawę parametrów termicznych stropu”, „IZOLACJE” 5/2018, s. 96–101.
9. B. Monczyński, „Wpływ dachu zielonego na przenikanie ciepła przez jego konstrukcję”, „Inżynier Budownictwa” 5/2019, s. 58–62.
10. P. Kożuchowski, „Dachy zielone bagienne i retencyjne jako magazyn wody opadowej”, „Inżynier Budownictwa” 4/2016, s. 86–91.
11. K. Patoka, „Dlaczego izolacja jest najważniejsza?”, „IZOLACJE” 2/2009, s. 35.
12. C.A. Novak, VS. an Mantgem, „What’s So Cool About Cool Roofs?”: https://coolroofs.org/documents/CEU_WhatsSoCool.pdf
13. M. Van Tijen, R. Cohen, „Dachy chłodne – sposób na obniżenie zużycia energii w budynkach”, „IZOLACJE” 2/2009, s. 44–45.
14. H. Akbari, S. Menon, A. Rosenfeld, „Global cooling: increasing world-wide urban albedos to offset CO2”, „Climat Change” 2/2009, pp. 275–286.
15. M. Bianchi, A. Desjarlais, W. Miller, T. Petrie, „Cool Roofs and Thermal Insulation: Energy Savings and Peak Demand Reduction”, [w:] „Thermal Performance of the Exterior Envelopes of Buildings X”, Clearwater, FL, 2007.
16.  „Cool Roofing Materials Database”: http://eetd.lbl.gov/coolroof
17.  „Above All Roofing – Coatings”: http://www.aboveallroofingct.com/ /coatings.asp
18.  „Heat Island Group: Cool Roofs”: http://eetd.lbl.gov/HeatIsland/ /CoolRoofs
19. M. Rokiel, „Hydroizolacje w budownictwie”, Dom Wydawniczy MEDIUM, Warszawa 2009.
20. DAFA DZ 1.01, „Wytyczne do projektowania, wykonywania i pielęgnacji dachów zielonych – wytyczne dla dachów zielonych”, DAFA, 2015.
21. J.P. Walawender, „Wpływ dachów zielonych na warunki klimatyczne w mieście”, portal Zielona Infrastruktura: http://zielonainfrastruktura.pl.
22. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002 r., nr 75, poz. 690).
23. 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.
24. J.P. Walawender, „Miejska wyspa ciepła – negatywne skutki urbanizacji oraz możliwości przeciwdziałania (na przykładzie Krakowa)”, portal Zielona Infrastruktura: http://zielonainfrastruktura.pl.

Artykuł ukazał się w druku w miesięczniku Izolacje nr 6/2022