Analiza parametrów fizykalnych ścian zewnętrznych po termomodernizacji w świetle wymagań cieplno‑wilgotnościowych

Działania energooszczędne stosowane w budynkach o niskim zużyciu energii można podzielić na trzy podstawowe grupy:

• Pierwsza polega na wykorzystaniu technologii związanych z redukcją strat ciepła przez przegrody, a są to w szczególności:
  ocieplanie przegród zewnętrznych (podłogi na gruncie, stropy, dach, ściany)
  oraz dobór stolarki okiennej i drzwiowej z uwzględnieniem wymagań cieplnych wg rozporządzenia [1].
• Druga grupa dotyczy redukcji strat oraz poprawy sprawności systemu instalacyjnego poprzez takie działania, jak:
  wymiana lub modernizacja grzejników,
  wymiana lub modernizacja systemu grzewczego (wstawienie ogrzewania podłogowego, powietrznego itp.),
  instalacja termostatów,
  montaż nowoczesnych regulatorów pogodowych bądź pokojowych,
  izolacja przewodów c.w.u i c.o.,
  wymiana lub modernizacja systemu wytwarzania ciepłej wody,
  wymiana lub modernizacja systemu wentylacji (zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła - rekuperator).
• Trzecią grupę stanowią prace projektowo-wykonawcze lub modernizacyjne skupiające się na źródle ciepła, do których mogą należeć:
  zaprojektowanie i zainstalowanie lub wymiana źródła ciepła (zamiana kotła na nowy cechujący się lepszą sprawnością bądź zamiana źródła lokalnego na miejską sieć ciepłowniczą),
  zmiana nośnika energii (zamiana kotła na inny, który wytwarza energię, spalając paliwo innego rodzaju; wyjątkiem jest zamiana paliwa w tym samym kotle, który jest przystosowany do spalania kilku rodzajów surowców),
  zastosowanie technologii wykorzystującej odnawialne źródła energii na potrzeby grzewcze (np. pompy ciepła, biopaliwa, kolektory słoneczne),
  zastosowanie kogeneracji (jednoczesna produkcja prądu oraz ciepła – dotyczy spółdzielni),
  zastosowanie automatyki sterującej źródłem.

W dalszej części artykułu przedstawiono analizy i obliczenia w zakresie jakości cieplnej obudowy budynków w trakcie docieplenia.

Docieplenie ścian zewnętrznych i ich złączy

Aby uzyskać odpowiednią izolacyjność cieplną przegród zewnętrznych w postaci współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)], należy dobrać odpowiednią grubość izolacji cieplnej w postaci płyt styropianowych EPS, płyt styropianowych grafitowych, wełny mineralnej, płyt z pianki poliuretanowej PIR lub innych innowacyjnych materiałów, takich jak płyty aerożelowe, izolacje transparentne i izolacje próżniowe VIP.

Do podstawowych metod ocieplenia ścian zewnętrznych od zewnątrz można zaliczyć:

• metodę ciężką mokrą, która polega na oklejeniu całych powierzchni ścian styropianem, zawieszeniu na stalowych bolcach siatek konstrukcyjnych z prętów stalowych i wykonaniu wyprawy zewnętrznej z trójwarstwowego tynku cementowo-wapiennego na siatce stalowej podtynkowej,
• metodę lekką mokrą, która polega na wykonaniu ocieplenia najczęściej ze styropianu, a następnie pokryciu go powłoką zewnętrzną, w skład której z reguły wchodzi warstwa zbrojona tkaniną szklaną oraz cienkowarstwowa wyprawa tynkarska lub okładzina ceramiczna; systemy oparte na tej technologii można podzielić na kilka podstawowych typów, opisanych szczegółowo w publikacji [2],
• metodę lekką suchą, która opiera się na wykonywaniu robót budowlanych bez prac mokrych; wykonywanie ocieplenia polega na przymocowaniu do ścian budynku rusztu drewnianego lub metalowego, ułożeniu między elementami rusztu materiału termoizolacyjnego i zamocowaniu gotowych elementów elewacyjnych.

Natomiast ocieplenie przegród zewnętrznych od wewnątrz projektowane i wykonywane jest w:

• obiektach zabytkowych (budynki wpisane do rejestru zabytków lub objęte ochroną konserwatorską),
• obiektach o wartości architektonicznej (ciekawy charakter elewacji lub oryginalny wygląd budynku),
• obiektach o ograniczonych prawach własności (gdy część ścian zewnętrznych znajduje się dokładnie na granicy działki),
• obiektach użytkowanych czasowo (ogrzewanie czasowe w nieregularnych okresach).

Takie rozwiązanie wiąże się jednak ze zjawiskiem wnikania pary wodnej w strukturę przegrody i jej kondensacji. Na skutek niskiej temperatury otoczenia znacznie spada temperatura wewnątrz przegrody, powodując kondensację na styku warstwy konstrukcyjnej i izolacji cieplnej. Warstwa izolacji cieplnej od strony wewnętrznej przegrody oddziela konstrukcję muru od środowiska wewnętrznego, co wpływa na zmniejszenie pojemności cieplnej całego budynku i powoduje wprowadzenie całej warstwy konstrukcyjnej w strefę przemarzania (RYS. 1-2).

Podstawową zaletą ocieplenia od wewnątrz jest zmniejszenie ilości energii niezbędnej do ogrzania pomieszczeń o żądanej temperaturze oraz skrócenie czasu nagrzewania [3]. Do grupy materiałów do ocieplenia od wewnątrz można zaliczyć m.in. silikat wapienny, płyty mineralne, płyty rezolowe, płyty klimatyczne, płyty perlitowe, płyty z wełny drzewnej.

Wartości parametrów fizykalnych przegród zewnętrznych i ich złączy zależą głównie od:

• współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)],
• współczynnika oporu dyfuzyjnego μ [-],
• dyfuzyjnie równoważnej warstwy powietrza s_d = μ · d [m] materiałów izolacyjnych.

Szczegółową charakterystykę wybranych materiałów izolacyjnych przedstawiono m.in. w pracach [4-5].

Należy podkreślić, że kształtowanie struktury materiałowej przegród zewnętrznych i złączy budowlanych po dociepleniu powinno opierać się na podstawie szczegółowych obliczeń i analiz prezentowanych w pracach [3, 6], uwzględniając kryterium cieplne i wilgotnościowe sformułowane w rozporządzeniu [1].

Parametry fizykalne ścian zewnętrznych i ich złączy przed i po dociepleniu

Podstawowym działaniem technicznym w zakresie jakości cieplnej elementów obudowy budynku jest dobór materiału termoizolacyjnego do ocieplenia przegród zewnętrznych zarówno w budynkach nowo projektowanych, jak i modernizowanych.

Współczynnik przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] jest podstawowym parametrem służącym do sprawdzenia kryterium cieplnego [U_c ≤ U_c(max)]. Wraz ze zmieniającymi się wartościami U_c(max) [od 31.12.2020 r. dla ścian zewnętrznych, przy t_i ≥ 16°C, U_c(max) = 0,20 W/(m²·K)] niektóre ich rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe nie będą spełniać podstawowego kryterium (U_c ≤ U_c(max)). Dlatego zasadne staje się wykonanie szczegółowych obliczeń w tym zakresie.

W pierwszym etapie obliczeń określono wartości współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] ściany zewnętrznej z cegły pełnej o grubości 37 cm, przy zastosowaniu zróżnicowanych materiałów termoizolacyjnych, przyjmując następujące założenia:

• opory przejmowania ciepła dla ściany; wartości oporów przejmowania ciepła zostały przyjęte wg PN-EN ISO 6946:2008 [7] dla poziomego kierunku strumienia ciepła:
  - opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody: R_se= 0,04 (m²·K)/W,
  - opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody: R_si = 0,13 (m²·K)/W,
• wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie tablic zamieszczonych w pracy [6].

Należy podkreślić, że zagadnienia fizyki cieplnej budowli często sprowadzają się przede wszystkim do analizy cieplnej przegród zewnętrznych budynków poddanych oddziaływaniom zmiennych w czasie temperatur zewnętrznych i wewnętrznych.

W wielu przypadkach rozwiązanie przepływu ciepła sprowadza się do określenia przenikania ciepła przez płaską przegrodę budowlaną w polu jednowymiarowym (1D) bez uwzględnienia przepływu ciepła w polu dwuwymiarowym (2D) i trójwymiarowym (3D). Jednak realnym (rzeczywistym) polem wymiany ciepła jest zazwyczaj przegroda zewnętrzna jako fragment budynku, a więc połączona systemem złączy z przegrodami dowiązującymi (stropem, ścianą zewnętrzną lub wewnętrzną lub podłogą na gruncie).

W obrębie przegrody mogą występować miejsca zaburzające jej ciągły charakter - wstawki materiałowe, stolarka okienna i drzwiowa, zmienna grubość izolacji cieplnej. W tych wszystkich przypadkach pojawia się pole temperatur: płaskie (2D) lub przestrzenne (3D), zmieniające istotnie procedurę prowadzenia obliczeń cieplno-wilgotnościowych przegrody.

W drugim etapie wykonano obliczenia parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej w narożniku przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO-KOBRU 86 [8], przyjmując następujące założenia:

• modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami przedstawionymi w PN-EN ISO 10211:2008 [9],
• opory przejmowania ciepła (R_si, R_se) przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [7] przy obliczeniach strumieni cieplnych oraz wg PN-EN ISO 13788:2003 [10] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego fRsi(2D),
• temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C (pokój dzienny), temperatura powietrza zewnętrznego t_e = –20°C (III strefa),
• wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie tablic zamieszczonych w pracy [6] oraz tabel stanowiących załącznik do tej pracy,
• ściana zewnętrzna dwuwarstwowa:
  - cegła pełna gr. 37 cm; λ = 0,77 W/(m·K),
  - wełna mineralna gr. 10, 15 i 20 cm; λ = 0,038 W/(m·K),
  - płyty PIR gr. 10, 15 i 20 cm; λ = 0,022 W/(m·K),
  - płyty gipsowo-kartonowe gr. 2 cm; λ = 0,40 W/(m·K),
  - tynk cienkowarstwowy gr. 0,5 cm; λ = 0,76 W/(m·K).

Na RYS. 3-5, RYS. 6-8, RYS. 9-11, RYS. 12-14 i RYS. 15-17 przedstawiono wybrane modele obliczeniowe złączy oraz wyniki symulacji komputerowej: linie strumieni cieplnych (adiabaty) oraz rozkład temperatury (izotermy).

Procedury obliczeniowe w zakresie określania parametrów fizykalnych złączy budowlanych przy zastosowaniu programu komputerowego przedstawiono w pracy [6].

W TAB. A i TAB. B zestawiono wyniki obliczeń parametrów fizykalnych analizowanych złączy przy zróżnicowanych układach materiałowych.

Istotny wpływ na wartość współczynnika przenikania ciepła przegrody budowlanej U_c [W/(m²·K)] ma wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] materiału izolacyjnego. W odniesieniu do jednego rodzaju izolacji może się ona wahać w znacznym przedziale w zależności od produktu, co wynika z szybkiego rozwoju rynku materiałów termoizolacyjnych oraz coraz bardziej zaawansowanych technologii produkcyjnych.

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń (TAB. A i TAB. B) można stwierdzić, że analizowane złącza generują dodatkowe straty ciepła określone m.in. w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_i [W/(m·K)] oraz obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody t_min. [°C].

Ocieplenie tylko jednej gałęzi narożnika powoduje znaczne obniżenie temperatury, co powoduje występowanie ryzyka kondensacji powierzchniowej (ryzyka rozwoju pleśni i grzybów pleśniwych). Spełnienie kryterium w tym zakresie: ƒR_si.(2D) ≥ ƒR_si.(kryt.), wymaga określenia wartości ƒR_si.(2D) na podstawie temperatury minimalnej na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego (2D) t_min. [°C] oraz wartości ƒR_si.(kryt.) uwzględniającej parametry powietrza wewnętrznego i zewnętrznego (wilgotność i temperatura powietrza).

Wartość maksymalna z 12 miesięcy w odniesieniu do lokalizacji (Bydgoszcz) ƒR_si.(max) = ƒR_si.(kryt.) = 0,785 (luty). Dlatego w przypadku wariantu I, IV, V można zauważyć, że wartości czynnika temperaturowego ƒR_si.(2D)) są znacznie niższe od wartości ƒR_si.(kryt.) = 0,785, co wskazuje na niepoprawne zastosowanie układu materiałowego złącza ścian zewnętrznych.

Podsumowanie i wnioski

Ocieplenie ścian zewnętrznych jest jednym z elementów termomodernizacji istniejących budynków. Dobór warstw materiałowych nie powinien być przypadkowy, lecz oparty na podstawie szczegółowych obliczeń parametrów fizykalnych z uwzględnieniem zmiennych parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego.

Rozwiązanie materiałowe ocieplenia ścian zewnętrznych budynku zależy od wielu czynników: eksploatacja pomieszczeń, rodzaj materiału konstrukcyjnego ścian oraz materiału użytego do ocieplenia, technologia zamocowania dodatkowej termoizolacji.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2017 r., poz. 2285).
2. M. Gaczek, J. Jasiczak, M. Kuiński, M. Siewczyńska, "Izolacyjność termiczna i nośność murowanych ścian zewnętrznych. Rozwiązania i przykłady obliczeń", Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2011.
3. M. Wesołowska, K. Pawłowski, "Aspekty związane z dostosowaniem obiektów istniejących do standardów budownictwa energooszczędnego", Agencja Reklamowa TOP, Włocławek 2016 (praca wydana w ramach projektu finansowanego ze środków funduszy norweskich i środków krajowych).
4. K. Pawłowski, A. Podhorecki, "Innowacyjne rozwiązania materiałowe przegród zewnętrznych i złączy budynków niskoenergetycznych”, [w:] „Innowacyjne wyzwania techniki budowlanej", L. Czarnecki (red.), Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2017.
5. K. Pawłowski, "Innowacyjne rozwiązania materiałów termoizolacyjnych w aspekcie modernizacji budynków w Polsce", "Izolacje" 3/2018.
6. K. Pawłowski, "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy", Grupa MEDIUM, Warszawa 2016.
7. PN-EN ISO 6946:2008, "Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania".
8. Program komputerowy TRISCO-KOBRU 86, PHYSIBEL cv, Belgia.
9. PN- EN ISO 10211:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe".
10. PN-EN ISO 13788:2003, "Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej umożliwiająca uniknięcie krytycznej wilgotności powierzchni wewnętrznej kondensacji. Metody obliczania".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!