Ochrona cieplna dachów i stropodachów – materiały i technologie

Skomplikowane dachy wymagają najczęściej licznych detali projektowych, które powinny być właściwie zaprojektowane. Projektowanie detali należy zaś poprzedzić szczegółowymi obliczeniami z zakresu cieplno-wilgotnościowego, które w większości wypadków powinny być wykonywane przy użyciu programów komputerowych, pozwalających na budowę i analizę modeli dwu- i trójwymiarowych. Takie obliczenia są szczególnie wymagane tam, gdzie mają być stosowane nowe materiały i technologie.

Wybrane wymagania w zakresie ochrony przed zawilgoceniem, korozją biologiczną i ochrony cieplnej

Dach to zespół elementów przykrywających budynek od góry i osłaniających go przed opadami atmosferycznymi, śniegiem, słońcem, wiatrem. Dach przenosi obciążenia od śniegu i wiatru [1], a także pełni, jak inne przegrody, funkcję ochronną w zakresie ochrony akustycznej i ochrony przeciwpożarowej.

Dachy i stropodachy powinny być wykonane ze spadkami umożliwiającymi odpływ wód opadowych i z topniejącego śniegu do rynien i wewnętrznych lub zewnętrznych rur spustowych. W budynkach o wysokości powyżej 15 m nad poziomem terenu dachy powinny mieć spadki umożliwiające odpływ wody do wewnętrznych rur spustowych. Wymaganie to nie dotyczy budynków kultu religijnego, budynków widowiskowych, hal sportowych, a także produkcyjnych i magazynowych, w których taki sposób odprowadzenia wody jest niemożliwy ze względów technologicznych. W budynkach wolno stojących o wysokości do 4,5 m i powierzchni dachu do 100 m² dopuszcza się niewykonywanie rynien i rur spustowych pod warunkiem ukształtowania okapów w sposób zabezpieczający przed zaciekaniem wody na ściany.

Na wewnętrznej powierzchni dachu lub stropodachu, a w szczególności w miejscach połączenia dachu ze ścianami, nie może występować kondensacja pary wodnej umożliwiająca rozwój grzybów pleśniowych. Wymaganą wartość krytyczną współczynnika temperaturowego fRsi w pomieszczeniach ogrzewanych do temperatury co najmniej 20°C w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej określa się według polskiej normy przy założeniu, że średnia miesięczna wartość wilgotności względnej powietrza wewnętrznego jest równa 50%, przy czym dopuszcza się przyjmowanie wymaganej wartości tego współczynnika równej 0,72. Stosowne wymagania w tym zakresie zawarte są w rozporządzeniu ministra infrastruktury z 2008 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2].

W dachach o znacznie rozbudowanych połaciach takich miejsc można wyróżnić kilka, a czasami kilkanaście. Fot. 1 przedstawia przykładowy dach, w którym można wyróżnić kilkanaście miejsc, w jakich należałoby przeprowadzić analizę połączenia elementów dachu i ścian pod kątem ryzyka wystąpienia kondensacji powierzchniowej.

Na podstawie wieloletnich obserwacji takich dachów przeprowadzanych z użyciem kamery termowizyjnej można pokusić się o stwierdzenie, iż takie miejsca są dodatkowo narażone na kondensację wilgoci z uwagi na błędy wykonawcze polegające najczęściej na pocienieniu lub lokalnych nieciągłościach izolacji cieplnej. Takie wady pokazano na przykładowych termogramach (fot. 2a–3a) wykonanych od strony wewnętrznej pomieszczeń mieszkalnych na poddaszach.

Sprawdź dlaczego warto ocieplić poddasze wełną celulozową >>

Rozwiązania materiałowo-konstrukcyjne dachu lub stropodachu, warunki cieplno-wilgotnościowe, a także intensywność wymiany powietrza w pomieszczeniach powinny uniemożliwiać powstanie zagrzybienia. Do budowy dachu lub stropodachu należy stosować materiały, wyroby i elementy budowlane odporne lub uodpornione na zagrzybienie i inne formy biodegradacji, odpowiednio do stopnia zagrożenia korozją biologiczną. Budynek dodatkowo należy tak zaprojektować i wykonać, aby ograniczyć ryzyko jego przegrzewania w okresie letnim. Istotną rolę odgrywa tu poprawne zaprojektowanie dachu i stropodachu, a zwłaszcza wszystkich detali połączeń.

W budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej, a także w produkcyjnych dachy lub stropodachy, złącza między przegrodami i częściami przegród należy projektować i wykonywać pod kątem osiągnięcia ich całkowitej szczelności na przenikanie powietrza [2].

Nowe rozwiązania technologiczne i materiałowe a zagadnienia fizyki budowli

Stosowanie nowych materiałów i technologii w miejsce sprawdzonych od wieków rozwiązań wymaga szczególnego podejścia w ­zakresie ­obliczeń. Starsze rozwiązania materiałowe w przypadku dachów stromych charakteryzowały się na ogół prostotą budowy i łatwością wykonania detalu (fot. 4, rys. 1). Wadą takich rozwiązań jest w dzisiejszym pojęciu ich słaba izolacyjność cieplna. Dotyczy to w szczególności poddaszy, które w przeszłości były eksploatowane jako strychy nieużytkowe, a dziś zaczynają pełnić funkcje mieszkalne.

Poprawne zaprojektowanie nowoczesnego dachu w zakresie fizyki budowli (fot. 5, rys. 2) wymaga dokonania obliczeń jak w odniesieniu do komponentu składającego się z warstw cieplnie jednorodnych i niejednorodnych równolegle do powierzchni; dotyczy to praktycznie wszystkich dachów skośnych izolowanych cieplnie. Obliczenia należy wykonać jako średnią arytmetyczną dolnego i górnego kresu całkowitego oporu cieplnego według wzoru:

gdzie:

R’_T – kres górny całkowitego oporu cieplnego,

R’’_T – kres dolny całkowitego oporu cieplnego.

Szczegółowy tok obliczeń cieplnych w odniesieniu do takich dachów można znaleźć w normie PN-EN ISO 6946:2008 [3] lub podręcznikach do fizyki budowli, np. „Bauphysik” [4].

Im bardziej skomplikowana konstrukcja budowy przegrody, zwłaszcza dachu skośnego, tym większy wpływ jakości danych materiałowych na uzyskany wynik.

Jedną z dużych trudności dla projektanta jest przyjęcie do obliczeń stosownych danych materiałowych. Projektant powinien je czerpać tylko z odpowiednich źródeł, takich jak normy, certyfikaty zgodności, krajowe i europejskie aprobaty techniczne lub instrukcje ITB. Takie dane w przypadku obliczeń cieplno-wilgotnościowych to:

• λ [W/(m·K)] – współczynnik przewodzenia ciepła materiału (na swoją odpowiedzialność projektant może przyjąć do obliczeń wartość l_D – deklarowana wartość współczynnika przewodzenia ciepła, podawana zazwyczaj przez producenta w materiałach technicznych),
• μ – bezwymiarowy współczynnik oporu dyfuzyjnego.

Przy projektowaniu dachów płaskich ważne jest prawidłowe uwzględnienie punktowych mostków cieplnych wynikające z zastosowania łączników do termoizolacji. Wartości χ_p – punktowych mostków cieplnych – można już znaleźć w kilku europejskich aprobatach technicznych.

Rozwiązania przegród zewnętrznych i ich węzłów konstrukcyjnych powinny charakteryzować się współczynnikiem temperaturowym f_Rsi o wartości nie mniejszej niż wymagana wartość krytyczna, obliczona zgodnie z polską normą dotyczącą metody obliczania temperatury powierzchni wewnętrznej koniecznej do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacji międzywarstwowej, zgodnie z rozporządzeniem ministra infrastruktury [2].

Przykładowe rozwiązanie połączenia dachu skośnego ze ścianą zewnętrzną, jak dla dachu pokazanego na fot. 1, z poddaszem użytkowym, oraz obliczony przy użyciu programu komputerowego współczynnik temperaturowy f_Rsi w miejscu mostka termicznego dla wybranych detali przedstawiono na rys. 3–4.

Przykładowe rozwiązanie połączenia dachu skośnego ze ścianą zewnętrzną w wypadku poddaszy nieużytkowych oraz obliczony przy użyciu programu komputerowego współczynnik temperaturowy f_Rsi dla mostka termicznego przedstawiono na rys. 5–6.

Dachy skośne mimo elegancji nie są jednak dachami, które można by zakwalifikować jako elementy energooszczędne w kubaturze budynku. Całkowite straty ciepła w budynku są bowiem proporcjonalne do powierzchni przegrody. Im więc bardziej rozbudowany dach, tym większa jego powierzchnia i tym większe straty ciepła, nawet przy zastosowaniu bardzo dobrej izolacji cieplnej.

W ostatnim czasie wracają do łask dachy płaskie. Są łatwiejsze w wykonaniu, mają też zdecydowanie mniejszą powierzchnię, a nowoczesne materiały i technologie zapewniają dużą ich trwałość. Jedną z takich technologii jest technologia stropodachu odwróconego. Stropodachy odwrócone lub z warstwą pozwalającą na rozwój roślinności, zwane też dachami zielonymi, są coraz częściej stosowane przez projektantów jako alternatywa dla dachów skośnych. Niestety, takie rozwiązania można oglądać najczęściej na zdjęciach pokazujących ich zastosowanie w budynkach wznoszonych poza granicami kraju.

Klasyfikacja stropodachów, uwzględniając m.in. zagadnienia cieplno-wilgotnościowe, została przedstawiona w opracowaniu „Dachy i stropodachy oraz materiały do pokryć dachowych” [5]. Zróżnicowane rozwiązania materiałowo-konstrukcyjne stropodachów pełnych przedstawiono na rys. 7.

W odniesieniu do takich rozwiązań materiałowo-technologicznych należy wykonać podobny zestaw obliczeń cieplno-wilgotnościowych, jak dla dachów skośnych. Obok współczynnika przenikania ciepła przegrody pełnej istotną rolę w bilansie cieplnym budynku odgrywają straty ciepła przez przenikanie w miejscach mostków cieplnych. W dachach płaskich takim newralgicznym miejscem jest połączenie attyki z dachem i ścianą zewnętrzną.

Poniżej przedstawiono optymalizację rozwiązań attyki pod kątem uzyskania optymalnego liniowego współczynnika przenikania ciepła. Dla przykładowego rozwiązania (rys. 7) współczynnik przenikania ciepła stropodachu U = 0,23 W/(m²·K), ściany – U = 0,29 W/(m²·K). Aby obliczyć wpływ mostków cieplnych na całość konstrukcji, jak na rys. 7, wykonano obliczenia na modelach 2D (RYS. 8).W zależności od lokalizacji i rodzaju zastosowanej izolacji cieplnej liniowy współczynnik przenikania ciepła ψ wynosi: 0,23 W/(m·K) (a), 0,11 W/(m·K) (b), 0,06 W/(m·K) (c), 0,02 W/(m·K) (d).

Rozwiązania materiałowe, materiały do izolacji cieplnej

W ostatnim dziesięcioleciu pojawiły się dwie grupy materiałów izolacyjnych, które można zakwalifikować jako materiały dość nowe i mało stosowane w Polsce [7]:

• materiały do izolacji cieplnej typu organicznego łączone z materiałami pochodzenia syntetycznego lub materiały czysto organiczne,
• materiały do izolacji oparte na zaawansowanych technologiach wytwarzania.

Do pierwszej grupy można zaliczyć materiału typu:

• płyty i maty z konopi lnianych na podkładzie z włókien syntetycznych,
• maty izolacyjne z włókien lnianych modyfikowanych włóknem syntetycznym,
• maty z wełny owczej,
• płyty i maty z wełny drzewnej (wyroby ze zrębków drewna).

Do grupy drugiej można zaliczyć praktycznie tylko dwa materiały:

• panele próżniowe typu VIP (fot. 6),
• wyroby z aerożelu (nanożele w postaci mat) (fot. 7).

Zarówno płyty typu VIP, jak i maty aerożelowe można stosować jako izolację cieplną. W dachach skośnych w miejscach skosów polecana jest izolacja z aerożeli w postaci maty. Autorom nie są jednak znane zastosowania tych materiałów w Polsce poza nielicznymi wyjątkami, choć maty aeorożelowe są już dostępne.

Materiały organiczne i kompozyty materiałów organicznych i nieorganicznych wymieniane w pierwszej grupie znalazły już zastosowanie do izolacji cieplnej głównie w budynkach niskoenergetycznych i pasywnych, gdzie coraz skuteczniej konkurują ze znanymi materiałami typu wełna skalna, szklana czy styropian.

Materiały do pokryć dachowych pozyskujące energię słoneczną

Stosunkowo nowym rozwiązaniem są zintegrowane systemy fotowoltaiczne, umieszczane na dachach płaskich i spadzistych. Mogą one pokrywać całą powierzchnię dachu (najczęściej skierowaną na południe lub przy niekorzystnym usytuowaniu budynku na wschód lub zachód). Moduły fotowoltaiczne są montowane do systemu szyn położonych na warstwie izolacyjnej i wodoszczelnej lub w postaci folii naklejanej na pokryciu z blachy (fot. 8, rys. 9). Połączenia pomiędzy modułami w większości wypadków nie są wodoszczelne. Na rynku dostępne są systemy fotowoltaicznych pokryć dachowych zapewniające całkowitą szczelność dachu.

Oprócz modułów fotowoltaicznych można stosować dachówki z ogniwami fotowoltaicznymi. Na dachach płaskich stosuje się moduły fotowoltaiczne jako pokrycie dachowe. Umieszcza się je horyzontalnie, co sprawia, że na ich powierzchni pozostaje więcej zanieczyszczeń, wymagają więc one okresowego czyszczenia w celu uzyskania większego uzysku energii. Jednym z ciekawszych rozwiązań jest dopasowanie elastycznych paneli fotowoltaicznych do kształtu dachu (fot. 9).

Podsumowanie

Przedstawione w artykule przykłady obliczeń cieplnych, w tym głównie liniowych mostków cieplnych zostały wykonane przy użyciu bezpłatnych programów komputerowych ­dostępnych w internecie. Takie obliczenia powinny być wykonywane przez projektantów indywidualnie w miarę potrzeb projektowych dla różnych detali, zwłaszcza w odniesieniu do dachu spadzistego o dużym nachyleniu i wzajemnie przenikających się połaciach połączonych ze ścianami, w którym takich detali jest wiele. 

Literatura

1. C. Byrdy, D. Kram, K. Korepta, M. Śliwiński, „Podstawy budownictwa”, cz. II, Wydawnictwo PK, Kraków 1997.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, ze zm.)
3. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
4. W. Blaesi, „Bauphysik”, Verlag Europa Lehrmittel, Koeln 2004.
5. P. Krause, „Dachy i stropodachy oraz materiały do pokryć dachowych”, [w:] „Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji. Budownictwo Ogólne”, PZiTB, Bielsko-Biała 2011, s. 1–47.
6. D. Neuman, U. Weinbrenner, U. Hestermann, L. Rongen, „Frick/Knoell. Baukonstruktionslehre 2”, Vieweg + Teubner 2008.
7. T. Steidl, „Nowe rozwiązania w zakresie izolacji termicznych i docieplania budynków”, [w:] „Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji. Budownictwo Ogólne”, tom II, PZiTB, Bielsko-Biała 2011, s. 307–328.
8. C. Byrdy, „Dachy i stropodachy ocieplone i nieocieplane”, Wydawnictwo PK, Kraków 2003
9. E. Cziesielski, „Bauphysik-Kalender”, Ernst & Sohn, Berlin 2001.
10. M, Bernaś, E. Sauć, „Przekrycia dachów – wymagania w zakresie odporności ogniowej”, www.abc-dachy.pl
11. „Ausfuehrungssichere und kostenguenstige Waermebrueckendetails monolithischer Ziegelgebaeude”, Unipor Ziegel Systeme.
12. „KS-Original. Das Passivhaus”, Verlag Bau + Technik, Düsseldorf 2006.
13. T. Steidl, P. Krause, „Nowe rozwiązania materiałowe dachów i stropodachów”, [w:] „Interdyscyplinarna Konferencja Naukowo­‑Techniczna – Ekologia a Budownictwo”, Bielsko-Biała 2011, s. 149–158.
14. Materiały informacyjne firmy RHEINZINK.

STYCZEŃ 2012

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!