Analiza wybranych parametrów cieplnych podłóg nieogrzewanych i ogrzewanych

Pod określeniem podłogi należy rozumieć poziomą przegrodę budowlaną składającą się z reguły z kilku warstw pełniących różne funkcje, wśród których należy wymienić warstwy: podkładową, wyrównawczą, izolacyjną (z izolacją cieplną i/lub akustyczną) oraz powłoki: wodochronna i/lub parochronna. Cały ten warstwowy układ ułożony jest na warstwie konstrukcyjnej lub wkomponowany w układ nośny, jak ma to miejsce np. w przypadku podłóg na legarach, gdzie izolacja cieplna lub akustyczna może wypełniać przestrzenie między belkami.

Elementem konstrukcyjnym w podłogach na gruncie może być płyta położona na gruncie lub warstwie podbudowy, natomiast w podłogach nad pomieszczeniami lub przestrzeniami powietrznymi - strop.

Nieodłącznym elementem podłogi jest warstwa lub powłoka wykończeniowa od strony pomieszczenia, która niezależnie od zastosowanego materiału określana jest jako posadzka. Zdarza się czasami, nie do końca poprawne, zastosowanie terminu podłoga do warstwy użytkowej, czyli posadzki.

Przepisy techniczne budowlane podają wartości dopuszczalne parametrów izolacyjności cieplnej, jakie muszą spełniać konstrukcje cieplne stropów i podłóg stanowiących element osłony termicznej pomieszczeń ogrzewanych. Istotne różnice w tym zakresie można zauważyć w wymaganiach odnoszących się do podłóg ogrzewanych i nieogrzewanych. Wymagania w zakresie energooszczędności stosunkowo łatwo spełniane są dla tych konstrukcji w budynkach nowo realizowanych, natomiast zazwyczaj sprawiają duży problem w obiektach poddawanych działaniom termomodernizacyjnym.

Równocześnie powyższe przepisy nie regulują jednoznacznie właściwości wspomnianych konstrukcji, pod względem ich wpływu na odczucia cieplne czy komfort cieplny użytkowników danych pomieszczeń.

W przypadku strat ciepła przez podłogi wpływ na to zjawisko ma cała konstrukcja podłogi, natomiast na procesy aktywności cieplnej wpływ mogą mieć jedna, a czasami dwie lub trzy warstwy podłogi, licząc od góry. Przy czym największy wpływ ma zawsze warstwa pierwsza, wierzchnia, czyli posadzka.

Takie podejście do zagadnienia oceny konstrukcji podłogi pod względem cieplnym podyktowane jest tym, iż na straty ciepła z pomieszczeń mogą mieć wpływ nie tylko właściwości izolacyjne konstrukcji przegrody. Po części na straty ciepła wpływają również odczucia cieplne użytkowników, którzy w zależności od tego czy odczuwają zimno, czy ciepło, mogą decydować się na podwyższenie lub obniżenie temperatury powietrza w pomieszczeniu.

Analiza wymagań dotyczących właściwościami cieplnych podłóg

Współczynnik przenikania ciepła służy nie tylko do wyznaczania strat ciepła przez przegrodę budowlaną, ale pozwala również określić wartość temperatury powierzchni przegrody/posadzki. Temperatura powierzchniowa wpływa w tym przypadku na wartość temperatury odczuwalnej, wpływającej na odczucia cieplne użytkowników pomieszczeń, uwzględniającej oprócz temperatury powietrza, również temperaturę powierzchni otaczających pomieszczenie.

Zbyt niska lub zbyt wysoka temperatura powierzchni posadzki przekłada się na tworzenie dyskomfortu związanego z kontaktem stóp użytkowników pomieszczenia z taką podłogą.

Niska temperatura powierzchni przegród to automatycznie naturalna potrzeba podniesienia temperatury powietrza, w celu uzyskania przez użytkowników komfortowych warunków użytkowania. I odwrotnie, w przypadku wzrostu temperatury powierzchni przegród pojawia się chęć obniżenia temperatury powietrza w pomieszczeniu w celu zachowania odpowiedniego poziomu odczuć cieplnych. Pojawia się wówczas efekt oszczędnościowy w postaci zmniejszenia ilości ciepła niezbędnego na pokrycie potrzeb grzewczych pomieszczenia.

Z danych zamieszczonych w opracowaniu [1] wynika, iż wraz ze wzrostem wartości współczynnika przenikania ciepła U stropu nad przejazdem z 0,10 do 0,70 W/(m2·K) znacząco spada wartość temperatury na powierzchni posadzki. W najchłodniejszym okresie (temperatura zewnętrzna -20°C), przy podanym wyżej obniżeniu izolacyjności cieplnej przegrody, średnia wartość temperatury na jej powierzchni spada z 19,3°C do 15,2°C.

Wraz ze zmniejszeniem wartości współczynnika przenikania ciepła przegrody obniża się przedział zmian średniej wartości temperatury na powierzchni posadzki. W przypadku zmiany temperatury powietrza zewnętrznego z 10°C do –20°C zmniejsza się on z 3,6 K (współczynnik U = 0,70 W/(m2·K) do wartości raptem 0,5 K (współczynnik U = 0,10 W/(m2·K). Wskazuje to, iż przy bardzo dobrej izolacyjności cieplnej konstrukcji przegrody temperatura powierzchni posadzki, niezależnie od zewnętrznych warunków temperaturowych, utrzymuje się praktycznie na stałym poziomie.

Izolacja cieplna w podłogach ogrzewanych

W przypadku podłóg ogrzewanych w normie PN-EN 1264­‑3:2009 [2] znaleźć można wymagania dotyczące jedynie izolacyjności cieplnej warstwy znajdującej się pod warstwą grzewczą.

W przypadku tego rodzaju przegród warstwa izolacji cieplnej pod warstwą grzewczą w podłodze powinna zapewnić minimalne straty ciepła z systemu grzewczego. Należałoby zwrócić uwagę na fakt, iż w przypadku konstrukcji podłogi ogrzewanej w szczególny sposób, inny niż w konstrukcjach podłogi nieogrzewanej, powinno podchodzić się do kwestii zapewnienia izolacyjności cieplnej i określania strat ciepła.

Ponieważ element z warstwą grzewczą ma za zadanie dostarczać ciepło do pomieszczenia, wymaganą na podstawie warunkach technicznych budowlanych izolacyjność cieplną (współczynnik U_C) należy uzyskać już dla części przegrody znajdującej pod warstwą grzewczą. Dlatego też w tego rodzaju konstrukcjach zastosowana warstwa lub warstwy termoizolacyjne, a nie cała przegroda (jak to jest w przypadku przegród bez warstw grzewczych), powinny spełniać również podstawowe wymagania w zakresie ochrony cieplnej, wynikające z warunków technicznych budowlanych [3]. Takie podejście jest tym bardziej zasadne ze względu na to, że warstwa grzewcza może mieć temperaturę na poziomie 35-55°C, a więc zacznie wyższą niż temperatura powietrza w pomieszczeniu ogrzewanym (np. 16-24°C).

Innego rodzaju wymagania w zakresie właściwości cieplnych formułuje się dla warstw nad powierzchnią grzewczą. Opór warstw podkładu i posadzki nie powinien przekraczać wartości 0,15 (m2·K)/W dla przypadku zastosowania tylko ogrzewania podłogowego. Mniejszą wartość maksymalnego oporu równą 0,10 (m2·K)/W przyjmuje się dla przypadku ogrzewania w okresie zimowym i chłodzenia podłogowego w okresie letnim.

W normie PN-EN 1264-3:2009 [2] wymagania dla warstw izolacyjnych, czyli znajdujących się pod warstwą grzewczą, są bardzo łagodne, dalekie od tych podanych warunkach technicznych. Ponadto nie wymieniono tam wymagań dla przegród zewnętrznych, w odniesieniu do których w warunkach budowlanych zostały one ustalone. Przegrody te to np. strop na przejazdem, podcieniem, arkadami itp., w których również może występować system ogrzewania podłogowego.

Z prostego porównania powyższych wymagań normowych [2] z wymaganiami odnoszącymi się do izolacyjności cieplnej przegród chłodzących w budynkach ogrzewanych wynika, iż są one niewystarczające (TAB. 1). Podano tam szacunkowe minimalne wartości oporu cieplnego warstwy izolacji cieplnej wyznaczono z wartości 1/UCmaxpo odjęciu oporów przejmowania ciepła R_si i R_se oraz oporu warstw wierzchnich przegrody na poziomie 0,15 (m2·K)/W.

Dla stropu nad przejazdem i tym podobnych konstrukcji, z racji braku wytycznych w normie PN-EN 1264-3:2009 [2], przyjęto wymóg jak dla podłogi na gruncie. Różnice procentowe między przytoczonymi wartościami normowymi a wynikającymi z warunków budowlanych podano jedynie dla przypadku, kiedy nie zostają spełnione wymagania techniczne budowlane.

Szczególnie duże dysproporcje między wymaganiami wynikającymi z warunków budowlanych i normowych dla konstrukcji z ogrzewaniem podłogowym zauważalne są dla stropu nad przejazdem, stropu nad pomieszczeniem nieogrzewanym lub zamkniętą przestrzenią podpodłogową. Procentowa różnica w wymaganiach w przypadku stropów nad przejazdami, w pomieszczeniach z temperaturą powietrza wewnętrznego 16°C i wyższą wynosi 127% i dojdzie do 175%, w momencie kiedy będą obowiązywały przepisy wprowadzone od roku 2021.

W przypadku stropów nad pomieszczeniami nieogrzewanymi procentowa różnica między wymaganiami sięga 75,5%, na niekorzyść wymagań normy [2].

Z przytoczonych w pracy [4] wyników analiz wymiany ciepła konstrukcji podłóg ogrzewanych wynika, iż zalecane przez systemodawców układów ogrzewania podłogowego grubości izolacji cieplnej pod warstwą grzewczą, określone prawdopodobnie jedynie na podstawie wymagań normy [2], są niewystarczające.

Na podstawie zestawionych w TAB. 1. wartości minimalnych oporów cieplnych wyznaczono minimalne grubości warstwy izolacji cieplnej, wynikające z wytycznych normy [2] i wymagań warunków budowlanych [3], dla dwóch przypadków przewodności cieplnej izolacji cieplnej 0,040 i 0,035 W/(m·K) (TAB. 2.).

Podane w TAB. 2. wartości zostały zaokrąglone w górę do pełnych centymetrów.

Z porównania powyższych danych wynika, iż wytyczne normowe, w szczególności dla stropów nad przejazdami i pomieszczeniami nieogrzewanymi, w pomieszczeniach z temperaturą wewnętrzna powyżej 8°C, są znacznie zaniżone, w stosunku do wartości wyznaczonych na podstawie warunków budowlanych. Jest to szczególnie ważne w świetle zaostrzania wymagań budowlanych w zakresie charakterystyki energetycznej budynków.

Kierowanie się jedynie wytycznymi normy [2] w zakresie izolacji cieplnej konstrukcji z ogrzewaniem podłogowym pogarsza efektywność energetyczną tych systemów, poprzez generowanie dodatkowych strat ciepła. Odnosi się to w szczególności do izolacji cieplnej ogrzewania podłogowego w stropach nad przejazdami, podcieniami itp. oraz nad przestrzeniami nieogrzewanymi. Z obliczeń wynika, iż dla tego rodzaju konstrukcji należy przyjmować grubości dochodzące odpowiednio do 21 i 14 cm, a od roku 2021 nawet 25 cm, kiedy z wymagań normowych wystarczyłoby zastosować warstwy izolacyjne o grubości 7-9 cm.

Innym ważnym zagadnieniem związanym z ochroną cieplną jest odpowiednia izolacja cieplna w miejscu występowania mostków cieplnych liniowych, czyli np. na połączeniu podłogi ze ścianą zewnętrzną. Przy zastosowaniu ogrzewania podłogowego następuje tam istotna zmiana właściwości cieplnych danego węzła konstrukcyjnego.

Ciepło z rur grzewczych wpływa na zwiększenie, czasami bardzo znaczące, gęstości strumienia ciepła przenikającego przez przegrodę.

Miejscem szczególnie narażonym na podwyższone straty ciepła jest połączenie ściany zewnętrznej z podłogą na gruncie, ze stropem nad piwnicą, płytą balkonową i inne. W pracy [5] podane zostały zależności graficzne wartości współczynnika Ψ_e mostka cielnego liniowego dla różnych układów konstrukcyjnych przegród z ogrzewaniem podłogowym i różnej wartości temperatury wody zasilającej w ciepło system grzewczy. Wynika z nich, iż w przypadku zastosowania systemu grzewczego w stropie na połączeniu ze ścianą zewnętrzną współczynnik Ψ_e może wzrosnąć z 0,001 W/(m·K) do 0,012 W/(m·K), a w przypadku stropu połączonego z żelbetową płytą balkonową o konstrukcji wspornikowej z 1,15 W/(m·K) do 1,32 W/(m·K).

Wyniki tych badań w szczególny sposób podkreślają potrzebę odpowiedniego zadbania o minimalizowanie strat ciepła w danym węźle konstrukcyjnym. Z tego też względu szczególnie w przypadku podłogi ogrzewanej zalecać należy stosowanie odpowiednich kształtek i bloczków izolacyjnych cokołowych i balkonowych, które w pewnym zakresie minimalizują straty ciepła.

Właściwe zaizolowanie wymienionych węzłów konstrukcyjnych, ograniczające straty ciepła, przekłada się na poprawą efektywności działania samego systemu grzewczego.

Charakterystyka podłóg pod względem odczuć cieplnych

Właściwości cieplne podłóg wpływają również na odczucia komfortu cieplnego ludzi przebywających w pomieszczeniu. Oceniany on może być na podstawie wskaźników ujętych w przepisach normowych.

Norma PN-EN ISO 7730:2006 [6] zawiera podział pomieszczeń na kategorie A, B i C, różnicujące pomieszczenia pod względem odczuć cieplnych:

• kategoria A - najwyższe wymagania w zakresie odczuć komfortu cieplnego, ze względu na obecność w pomieszczeniach użytkowników szczególnie wrażliwych, np. dzieci, osób niepełnosprawnych, chorych lub w podeszłym wieku; np. pomieszczenia w żłobkach, przedszkolach, szpitalach, domach seniora i pomocy społecznej oraz łazienki, baseny itp.,
• kategoria B - średnie wymagania w zakresie odczuć komfortu cieplnego, które powinny spełniać pomieszczenia dla nowo oddawanych budynkach, o innych funkcjach niż wymienione w kategorii A, np. pomieszczenia mieszkalne, szkolne, biurowe itp.,
• kategoria C - najgorsze akceptowalne warunki, zazwyczaj w istniejących budynkach, np. pomieszczenia biurowe o obniżonym standardzie, przemysłowe.

Poszczególne kategorie opisywane są przez szereg wskaźników, takich jak:

• PMV (Predicted Mean Vote) - wskaźnik przewidywanego przeciętnego odczucia,
• PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) - wskaźnik procentowy osób niezadowolonych z warunków termicznych odczuwalnych przez ciało;
• wskaźniki procentowe liczby osób odczuwających dyskomfort wywołany poprzez różne czynniki:
  DR (Draught Rating) - przeciąg,
  PD_V (Percentage of Dissatisfied from Vertical air temperature difference between head and feet) - pionową różnicę temperatur,
  PD_F (Percentage of Dissatisfied caused by warm or cold Floor) - ciepłą lub zimną podłogę,
  PD_Δ (Percentage of Dissatisfied from radiant asymmetry) - asymetrię temperatury promieniowania.

W TAB. 3 zestawiono wymagane wartości wskaźników, wyrażające dopuszczalny poziom odczuć użytkowników pomieszczeń w zależności od kategorii komfortu cieplnego. Znajdują się tam również parametry związane z właściwościami cieplnymi podłóg/posadzek.

Dyskomfort lokalny wyrażony wskaźnikiem PDF, wywołany odczuciami związanymi z temperaturą posadzki zimnej lub ciepłej, określa się za pomocą wzoru:

gdzie:

θ_F,m - temperatura powierzchni posadzki, [°C].

Wyniki obliczeń wskaźnika PD_F dla podłóg, w stropach nad przejazdami, różniących się współczynnikiem przenikania ciepła, w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego, wskazują na to, iż tylko konstrukcje o bardzo wysokich parametrach izolacyjności cieplnej są w stanie zapewnić parametry odpowiadające kategorii A i B pomieszczeń, w całym zakresie przyjętej do obliczeń zmiany temperatury zewnętrznej (RYS. 1). Są to konstrukcje charakteryzujące się współczynnikiem przenikania ciepła rzędu 0,10-0,12 W/(m2·K). Wynika z tego, iż tego rodzaju konstrukcje nie tylko przyczyniają się do minimalizowania strat ciepła, ale również korzystnie wpływają na odczucia cieplne użytkowników pomieszczeń. Kategorię odczuć cieplnych na poziomie C zapewnią z kolei konstrukcje o współczynniku U_C nieprzekraczającym wartości 0,40 W/(m2·K).

Wyniki obliczeń wskaźnika PDFw zależności od temperatury powierzchni posadzki odnoszą się do przypadku podłogi, tak nieogrzewanej, jak i ogrzewanej (RYS. 2).

Lewa część wykresu odpowiada przypadkowi podłogi nieogrzewanej, natomiast prawa i środkowa podłogi ogrzewanej.

Z wykresu wynika, iż konstrukcje podłogi nieogrzewanej nie są w stanie zapewnić najkorzystniejszych warunków temperaturowych związanych z odczuciami cieplnymi. Takie parametry zapewnią jedynie konstrukcje podłóg ogrzewanych, oczywiście w sytuacji włączonego systemu grzewczego.

Z RYS. 2 wynika, iż pomieszczenia zaliczane do kategorii A i B powinny charakteryzować się temperaturą powierzchni posadzki w zakresie od 19°C do 28°C, a w przypadku kategorii C od 17°C do 30°C. Najkorzystniejsze warunki uzyskuje się wówczas, kiedy temperatura powierzchniowa posadzki jest bliska wartości ok. 23,5°C.

Dyskomfort lokalny wyrażony jest również wskaźnikiem PDV, który ocenia skalę odczuć cieplnych związanych z różnicą temperatury powietrza w pionie na poziomie głowy i kostek człowieka, znajdującego się w pozycji siedzącej. Parametr określany jest za pomocą wzoru:

gdzie:

Δt_v - różnica temperatury powietrza w pionie między głową a kostkami nóg człowieka, [K].

Zestawienie wyników obliczeń wskaźnika PD_V z dopuszczalnymi poziomami tego wskaźnika dla różnych kategorii odczuć cieplnych, przedstawiono w formie wykresu na RYS. 3.

Z przebiegu zależności PDVna RYS. 3  wynika, iż aby spełnione było kryterium PDVto:

• dla pomieszczeń kategorii A, różnica temperatury powietrza w pionie między głową a kostkami nóg człowieka nie może przekroczyć wartości ok. 2,7 K,
• dla kategorii B 3,3 K,
• a dla kategorii C - 4,2 K.

Porównując dane obliczeń temperatury powierzchni posadzki w podłodze nieogrzewanej, w zależności od temperatury na zewnątrz budynku, zawarte w opracowaniu [1], z danymi z RYS. 3.  można wnioskować, że w przypadku podłóg nieogrzewanych kryterium wskaźnika PDVdla pomieszczeń kategorii A, B i C powinna spełnić konstrukcja stropu nad przejazdem o współczynniku przenikania ciepła równym i mniejszym od 0,30 W/(m2·K).

Wnioski

1. W przypadku konstrukcji podłogi ogrzewanej wymaganą na podstawie warunkach technicznych budowlanych izolacyjność cieplną (współczynnik UC) należy uzyskać dla części przegrody znajdującej pod warstwą grzewczą.
2. Zauważalna jest istotna różnica w wymaganiach dotyczących izolacyjności cieplnej warstw pod warstwą grzewczą w podłogach ogrzewanych według normy i w przypadku przyjęcia wymagań warunków technicznych budowlanych. Różnica ta dla niektórych konstrukcji dochodzi do 127% i dojdzie do 175%, w momencie kiedy zaczną obowiązywać przepisy przewidziane od 2021 r.
3. Według wymagań normowych w różnych rodzajach przegród wystarczy zastosować warstwy izolacyjne pod warstwą grzewczą o grubości 7-9 cm. Natomiast na podstawie wymagań warunków technicznych budowlanych grubości takiej warstwy powinna dochodzić do 14 cm w stropie nad pomieszczeniem ogrzewanym, a 21 cm w stropie nad przejazdem.
4. Odpowiednie podejście do izolowania węzłów konstrukcyjnych podłoga–ściana zewnętrzna, w celu minimalizowania efektu mostka cieplnego liniowego, okazuje się bardzo ważne w przypadku stosowania ogrzewania podłogowego. Niedostateczna izolacja cieplna w tym miejscu powoduje wzrost strat ciepła i pogorszenie efektywności działania systemu grzewczego.
5. Istotnym aspektem w odniesieniu do strat ciepła z pomieszczeń okazują się odczucia cieplne użytkowników pomieszczeń, w tym związane z temperaturą powierzchni podłogi. Przy zbyt niskiej temperaturze i poczuciu chłodu, są oni skłonni do podwyższania temperatury powietrza, a w konsekwencji wzrostu strat ciepła. Z kolei przy podwyższeniu temperatury powierzchni przegród, które powinno skutkować obniżeniem temperatury powietrza, należy oczekiwać obniżenia strat ciepła.
6. W celu uzyskania efektu komfortowych odczuć u użytkowników i zminimalizowania strat ciepła, analizowane w artykule konstrukcje połóg na stropie nad przejazdem, podcieniem itp., o współczynniku przenikania ciepła nie przekraczającym 0,10-0,12 W/(m2·K), należy stosować dla pomieszczeń z kategorii A i B, a dla kategorii C można stosować o współczynniku przenikania ciepła nieprzekraczającym 0,40 W/(m2·K).
7. Pomieszczenia zaliczane do kategorii A i B powinny charakteryzować się temperaturą powierzchni posadzki w zakresie od 19°C do 28°C, a w przypadku kategorii C od 17°C do 30°C. Najkorzystniejsze warunki uzyskuje się przy temperaturze powierzchniowej posadzki bliskiej 23,5°C.
8. W przypadku kryterium PDVdla pomieszczeń kategorii A, różnica temperatury powietrza w pionie między głową a kostkami nóg człowieka nie może przekroczyć wartości ok. 2,7 K, dla kategorii B - 3,3 K, a dla kategorii C - 4,2 K.

Literatura

1. A. Ujma, "Evaluation of Selected Thermal Parameters of Floors and Floorings", "Building Physics Problems in the Design and Exploatation of Civil Constructions", pod. red. I. Pokorskiej, Wydawnictwo Uniwersytetu Humanistyczno-Przyrodniczego im. Jana Długosza, Częstochowa 2016.
2. PN-EN 1264-3:2009, "Ogrzewanie podłogowe - System i jego części składowe".
3. Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 18 września 2015 r., poz. 1422).
4. P. Rynkowski, "Optymalna izolacja termiczna ogrzewania podłogowego", "IZOLACJE" 11/12/2015.
5. A.J. Werner-Juszczuk, "Wpływ ogrzewania podłogowego na wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła", "Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja" 12/2015.
6. PN-EN ISO 7730:2006, "Ergonomia. Środowisko termiczne umiarkowane. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!