Przegrody stykające się z gruntem z uwzględnieniem wymagań cieplno-wilgotnościowych od 1 stycznia 2021 r.

Zasadniczą zmianą rozporządzenia w zakresie ochrony cieplnej budynków [1] jest zmiana wartości maksymalnych współczynników przenikania ciepła U_c(max).

Zaostrzeniu uległy wymagania cząstkowe w zakresie izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych, dachów, podłóg oraz okien i drzwi. Ponadto nie ma już znaczenia typ przegrody (wielo- czy jednowarstwowa) oraz przeznaczenie obiektu (mieszkalny, użyteczności publicznej, magazynowy, gospodarczy itp.).

Wartości maksymalne współczynników podłóg na gruncie, zgodnie z załącznikiem 2 do rozporządzenia [1], zestawiono w TABELI 1.

Według rozporządzenia [1] dopuszcza się dla budynku produkcyjnego, magazynowego i gospodarczego większe wartości współczynnika U niż U_C(max) oraz U_(max) określone w TABELI 1, jeśli uzasadnia to rachunek efektywności ekonomicznej inwestycji, obejmujący koszt budowy i eksploatacji budynku. Ponadto w budynku mieszkalnym, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej, produkcyjnym, magazynowym i gospodarczym podłoga na gruncie w ogrzewanym pomieszczeniu powinna mieć izolację cieplną obwodową z materiału izolacyjnego w postaci warstwy o oporze cieplnym co najmniej R_min. = 2,0 (m²·K)/W, przy czym opór cieplny warstw podłogowych oblicza się zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [2] oraz PN-EN ISO 13370:2008 [3].

Przegrody stykające się z gruntem – przykładowe rozwiązania konstrukcyjno­‑materiałowe

W przypadku połączenia budynku z gruntem należy poprawnie zaprojektować i wykonać nie tylko posadzkę na gruncie, ale również ścianę fundamentową, izolację cieplną oraz przeciwwilgociową i przeciwwodną. Dobór materiałów dla tych przegród nie może być przypadkowy i należy przy nim uwzględniać zagadnienia konstrukcyjno-materiałowe oraz cieplno-wilgotnościowe.

Szczególnie ważne jest prawidłowe konstruowanie złącza na styku podłoga na gruncie–ściana fundamentowa–ściana parteru budynku. Bardzo istotny jest odpowiedni wybór i kształtowanie następujących elementów przegród stykających się z gruntem:

• ściany fundamentowe (monolityczne, murowane z różnych materiałów),
• izolacje przeciwwilgociowe i przeciwwodne (izolacje przeciwwilgociowe typu lekkiego, średniego i ciężkiego),
• izolacje cieplne ścian fundamentowych, części nadziemnej budynku oraz posadzki na gruncie.

Ściana fundamentowa, jako ściana zewnętrzna ograniczająca podłogę na gruncie, uczestniczy w przekazywaniu strumienia cieplnego między pomieszczeniem a atmosferą lub pomieszczeniem, gruntem i atmosferą. Jako bariera dla przenikania ciepła powinna zapewniać wystarczający opór cieplny, np. przez zastosowanie materiału termoizolacyjnego do wykonania izolacji obwodowej (krawędziowej) [4].

Fundament stanowi podstawowy element konstrukcyjny budynku, który zapewnia bezpieczeństwo obiektów budowlanych i zabezpieczenie przed ich nadmiernym i nierównomiernym osiadaniem. Przejmuje obciążenia pochodzące z obiektu i przenosi je na podłoże gruntowe. Błędy projektowe i wykonawcze w tym zakresie mogą spowodować nadmierne odkształcenia oraz pęknięcia pozostałych elementów budynku, doprowadzając niekiedy do jego zniszczenia.

Fundamenty można podzielić na dwie podstawowe grupy: płytkie (bezpośrednie) i głębokie (pośrednie). Posadowienie fundamentów (głębokość posadowienia) zależy przede wszystkim od głębokości przemarzania gruntu, rodzaju i uwarstwienia gruntu, poziomu występowania wody gruntowej, przewidywanego poziomu posadzki piwnicy oraz wpływu sąsiednich obiektów budowlanych.

W terenie, na którym występuje wysoki poziom wody gruntowej, roboty fundamentowe prowadzi się po wcześniejszym obniżeniu wody lub stałym odcięciu jej napływu do poziomu głębszego o przynajmniej 0,5 m poniżej przewidywanego poziomu wykopów.

W rozdziale 4 rozporządzenia [1] sformułowano szczegółowe wytyczne w zakresie ochrony przed zawilgoceniem i korozją biologiczną rozpatrywanych przegród:

„§ 315. Budynek powinien być zaprojektowany i wykonany w taki sposób, aby opady atmosferyczne, woda w gruncie i na jego powierzchni, woda użytkowa w budynkach oraz para wodna w powietrzu w tym budynku nie powodowały zagrożenia zdrowia i higieny użytkowania.

§ 316.

1. Budynek posadowiony na gruncie, na którym poziom wód gruntowych może spowodować przenikanie wody do pomieszczeń, należy zabezpieczyć za pomocą drenażu zewnętrznego lub w inny sposób przed infiltracją wody do wnętrza oraz zawilgoceniem.2. Ukształtowanie terenu wokół powinno zapewniać swobodny spływ wody opadowej od budynku.

§ 317.

1. Ściany piwnic budynku oraz stykające się z gruntem inne elementy budynku, wykonane z materiałów podciągających wodę kapilarnie, powinny być zabezpieczone odpowiednią izolacją przeciwwilgociową.2. Części ścian zewnętrznych, bezpośrednio nad otaczającym terenem, tarasami, balkonami i dachami, powinny być zabezpieczone przed przenikaniem wody opadowej i z topniejącego śniegu.

§ 318. Rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe przegród zewnętrznych i ich uszczelnienie powinny uniemożliwiać przenikanie wody opadowej do wnętrza budynków”.

Do ocieplania przegród stykających się z gruntem (izolacja obwodowa), cokołów i podłóg najczęściej stosowane są następujące materiały termoizolacyjne: polistyren ekstrudowany (XPS), płyty z pianek poliuretanowych, szkło piankowe.

Polistyren ekstrudowany (XPS) jest sztywną pianą charakteryzującą się znaczącą wytrzymałością na ściskanie oraz odpornością na wilgoć. Takie właściwości pozwalają na efektywne zastosowanie wyrobu do izolacji poziomej i pionowej przegród stykających się z gruntem, lecz także izolacji tarasów i stropodachów pełnych, odwróconych i zielonych. Współczynnik przewodzenia ciepła płyt z polistyrenu ekstrudowanego zależy od grubości tych płyt i wynosi λ_D = 0,035–0,036 W/(m·K).

Płyty z poliuretanu (PUR) i poliizocyjanuratu (PIR) – twarde płyty piankowe, które są odporne termicznie i niepalne, o niższych wartościach współczynnika przewodzenia ciepła niż np. wełna mineralna i styropian. Występuje w postaci pianki o porach otwartych (spieniona na budowie) i o porowatości zamkniętej (płyty z osłoną lub bez osłony). Sztywne płyty stosowane są jako izolacja ścian, dachów drewnianych (system podkrokwiowy i nadkrokwiowy, stropodachów i cokołów budynków o współczynniku λ_D = 0,020–0,023 W/(m·K).

Szkło piankowe otrzymywane jest z roztopionego szkła przez dodanie domieszek pianotwórczych (np. węgiel, węglan wapnia). Jest nieprzezroczyste, odporne na korozję biologiczną i chemiczną oraz niepalne (w obecności płomieni nie wydziela gazów toksycznych). Produkowane jest w dwóch odmianach: szkło piankowe białe [ρ_ob. = 240–300 kg/m³, λ_D = 0,038–0,042 W/(m·K)] – o otwartej strukturze i podatności na nasiąkliwość, szkło piankowe czarne [ρ_ob. = 100 kg/m³, λ_D = 0,038 W/(m·K)] – o porowatości zamkniętej, co skutkuje wysokim oporem dyfuzyjnym i brakiem nasiąkliwości tej odmiany szkła piankowego. Stosowane jest także do termoizolacji stropodachów.

Szczegółową charakterystykę materiałów termoizolacyjnych przedstawiono m.in. w pracy [5]. Kształtowanie układu warstw materiałowych przegród stykających się z gruntem nie powinien być przypadkowy, lecz oparty na szczegółowych obliczeniach z uwzględnieniem m.in. wymagań cieplno-wilgotnościowych.

Przegrody stykające się z gruntem – metody obliczeniowe w projektowaniu

Straty ciepła przez przenikanie, dla przegród stykających się z gruntem, należą do trudniejszych w obliczeniu. Strumienie cieplne wypływające z ogrzewanego wnętrza mają swój udział w kształtowaniu rozkładu temperatur w gruncie pod budynkiem i jego otoczeniu. Zmiany w temperaturze gruntu obserwowane są na dość znacznym obszarze, rozciągającym się pod budynkiem i w jego sąsiedztwie. Na granicach tego obszaru pojawiają się płaszczyzny adiabatyczne świadczące o ustaniu przepływów ciepła w kierunkach prostopadłych do ich przebiegu.

W tym miejscu należy zwrócić uwagę na rozbieżności w nazewnictwie izolacji cieplnej występującej w złączu przegród stykających się z gruntem. Izolacja termiczna na ścianach fundamentowych w budynkach niepodpiwniczonych, określana w rozporządzeniu [1] jako izolacja obwodowa, w normach określona jest następująco:

• według PN-EN ISO 13370:2008 [3] – izolacja krawędziowa, obliczeniowo włączana do wartości współczynnika przenikania ciepła podłogi (RYS. 1–2),
• według PN-EN 12831:2006 [6] – izolacja boczna, nieuwzględniana w wartości współczynnika przenikania ciepła podłogi.

Izolacja krawędziowa może być umieszczona poziomo i pionowo lub występować jako fundament o małej gęstości (RYS. 1–2).

Efekt izolacji krawędziowej jest traktowany jako liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψg,e [W/(m·K)]. Jeżeli złącze przegród stykających się z gruntem ma więcej niż jedną część izolacji krawędziowej (pionowej lub poziomej, wewnętrznej lub zewnętrznej), do dalszych obliczeń należy uwzględnić tę, która daje większą redukcję straty ciepła.

Metody przybliżone opierają się na zbliżonych i numerycznych procedurach obliczeniowych według PN-EN ISO 13370:2008 [3], PN-EN 12831:2006 [6] oraz rozporządzenia [7]. W obliczeniach wykorzystuje się opracowane algorytmy z zastosowaniem wzorów empirycznych, pozwalając na uniknięcie skomplikowanych symulacji numerycznych.

W normie PN-EN ISO 13370:2008 [3] przedstawiono procedury obliczeniowe w zakresie następujących przypadków występujących w praktyce (RYS. 3–5):

• podłoga typu płyta na gruncie,
• podłoga podniesiona,
• budynek z podziemiem ogrzewanym.

W dalszej części tekstu przedstawiono przykłady obliczeniowe w zakresie projektowania cieplno-wilgotnościowego przegród stykających się z gruntem z uwzględnieniem wymagań obowiązujących od 1 stycznia 2021 r.

Przykład obliczeniowy 1

Określono straty ciepła przez grunt według normy PN-EN ISO 13370:2008 [3], czyli: współczynnika przenikania ciepła podłogi na gruncie (U [W/(m2·K)], współczynnika sprzężenia cieplnego dla płyty podłogowej z pionową izolacją krawędziową (H_g [W/K]).

Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

• budynek jednorodzinny – rzut ścian parteru budynku (RYS. 6),
• płyta podłogowa izolowana – styropianem XPS gr. 10 cm o λ = 0,035 W/(m·K),
• ściana zewnętrzna parteru trójwarstwowa: tynk gipsowy 1,5 cm, bloczek wapienno-piaskowy 24 cm, płyta z poliizocyjanuratu PIR 10 cm, bloczek wapienno-piaskowy 12 cm,
• izolacja krawędziowa pionowa grubości dn = 5 cm, z poliizocyjanuratu PIR o λ_n = 0,022 W/(m·K),
• budynek posadowiony na piasku zwykłym.

Określenie wymiaru charakterystycznego podłogi na gruncie

Wymiar charakterystyczny podłogi wprowadza się w celu uwzględnienia trójwymiarowej natury strumienia ciepła w obrębie gruntu.

Wymiar charakterystyczny podłogi określa się według wzoru:

gdzie:

A – pole powierzchni podłogi [m2],

P – obwód podłogi [m].

Określenie grubości ekwiwalentnej

Koncepcja grubości ekwiwalentnej została wprowadzona w celu uproszczenia wyrażenia współczynnika przenikania ciepła. Opór cieplny jest reprezentowany przez jego grubość ekwiwalentną, będącą grubością gruntu, która ma ten sam opór cieplny.

Grubość ekwiwalentna podłogi na gruncie:

gdzie:

w – całkowita grubość ścian, łącznie ze wszystkimi warstwami [m],
λ – współczynnik przewodzenia ciepła gruntu – tablica 1 PN-EN ISO 13370:2008 [3] [W/(m·K)],
R_ƒ – opór cieplny płyty podłogi, łącznie z każdą warstwą izolacyjną na całej powierzchni powyżej lub poniżej płyty podłogi i każdym pokryciem podłogi [(m²·K)/W]; opór cieplny płyt z ciężkiego betonu i cienkich pokryć podłogi można pominąć; zakłada się, że chudy beton poniżej płyty ma taki sam współczynnik przewodzenia ciepła jak grunt i zaleca się jego pominięcie,
R_si – opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody według tablicy PN-EN ISO 6946 [2]; R_si = 0,17 (m²·K)/W
– kierunek przepływu ciepła w dół,
R_se – opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody według tablicy PN-EN ISO 6946 [2]; R_se = 0 (m²·K)/W.

Układ warstw podłogi na gruncie (RYS. 6):

• parkiet drewniany 2 cm, λ = 0,18 W/(m·K),
• posadzka betonowa 5 cm, λ = 1,0 W/(m·K),
• folia budowlana,
• styropian XPS 10 cm, λ = 0,04 W/(m·K),
• folia budowlana,
• beton podkładowy 10 cm, λ = 1,7 W/(m·K),
• ubity grunt (podsypka piaskowa) 15 cm:
  – grubość ściany w = 0,475 m,
  – grunt piasek zwykły λ = 2,0 W/(m·K) – tablica 1 PN-EN ISO 13370:2008 [3],
  – do obliczeń oporu cieplnego R_ƒ – uwzględniono parkiet drewniany, styropian XPS:

(m2·K)/W,

• – grubość ekwiwalentna podłogi:

Określenie współczynnika przenikania ciepła U

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła U zależy od izolacji cieplnej podłogi:

• jeżeli d_t < B’ (podłogi nieizolowane lub podłogi średnio izolowane)

[W/(m2·K)]

• jeżeli d_t ≥ B’ (podłogi dobrze izolowane)

Współczynnik przenikania ciepła powinien być zaokrąglony do dwóch miejsc znaczących, jeżeli jest prezentowany jako wynik końcowy. Obliczenia pośrednie powinny być przeprowadzone z co najmniej trzema cyframi znaczącymi.

Współczynnik przenoszenia ciepła przez grunt w stanie ustalonym między środowiskiem wewnętrznym a zewnętrznym:

gdzie:

ψ_g – liniowy współczynnik przenikania ciepła [W/(m·K)] przyjmuje się na podstawie obliczeń własnych, na podstawie katalogu mostków cieplnych lub na podstawie PN-EN ISO 14683:2008 [9]
– d_t = 6,75 m;
– B’ = 5,00 m → d_t > B’ podłoga dobrze izolowana

• współczynnik przenikania ciepła U

Uwzględnienie wpływu izolacji krawędziowej (zał. B PN-EN ISO 13370 [3])

W przykładzie obliczeniowym (RYS. 6) występuje pionowa izolacja krawędziowa grubości 5 cm – płyta z poliizocyjanuratu PIR o λ_n = 0,022 W/(m·K).

• dodatkowa grubość ekwiwalentna wynikająca z izolacji krawędziowej: d’ = R’ · λ

R’ – dodatkowy opór cieplny wprowadzony przez izolację krawędziową (lub fundament) tzn. zastępuje ją różnica między oporem cieplnym izolacji krawędziowej a oporem cieplnym podłoża (lub płyty)

gdzie:

– Rn – opór cieplny poziomej lub pionowej izolacji krawędziowej (lub fundamentu) [(m2·K)/W],

– dn – grubość izolacji krawędziowej (lub fundamentu) [m].

• uwzględnienie izolacji krawędziowej (poniżej gruntu wzdłuż obwodu podłogi)

– D – szerokość pionowej izolacji krawędziowej (lub fundamentu) poniżej poziomu gruntu [m],

– d’ – dodatkowa grubość ekwiwalentna [m].

–    D = 0,7 m; d’ = 4,50 m; dt = 6,75 m; λ = 2,0 W/(m·K)

• uwzględnienie izolacji krawędziowej do obliczeń współczynnika przenikania ciepła U

Współczynnik przenoszenia ciepła przez grunt w stanie ustalonym między środowiskiem wewnętrznym a zewnętrznym Hg [W/K]

• H_g= (A · U) + P · (ψ_g + ψ_g,e) = (100·0,22) + 40·[0,29 +(–0,09)] = 22,00 + 8,00 = 30,00 W/K
  H_g (według PN-EN ISO 13370:2008) = H_T,ig (według PN-EN 12831:2006)
• ψ_g – liniowy współczynnik przenikania ciepła na styku ściana zewnętrzna–ściana fundamentowa–podłoga na gruncie, przyjęto na podstawie obliczeń własnych (jako gałęziowy współczynnik przenikania ciepła dotyczący strat ciepła dla podłogi na gruncie) – ψ_g = 0,29 W/(m·K).

Analizowana przegroda spełnia wymagania sformułowane w rozporządzeniu [1] w zakresie współczynnika przenikania ciepła U = 0,22 < U_c(max) = 0,30 W/(m²·K). Natomiast w zakresie oceny wartości oporu cieplnego izolacji cieplnej (obwodowej/krawędziowej) R = 2,27  >  R_min. = 2,0 (m²·K)/W – warunek został także spełniony.

Przykład obliczeniowy 2

Określono współczynnik przenikania ciepła U podłogi na gruncie i współczynnik strat ciepła przez grunt H_g według normy PN-EN ISO 13370:2008 [3], stosując rozwiązanie materiałowe przegród stykających się z gruntem jak w przykładzie 1 (RYS. 6) przy zmiennych wymiarach budynku wolnostojącego. Wyniki obliczeń zestawiono w TABELI 2.

Wartości współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] i współczynnika strat ciepła przez przenikanie H_g [W/K] zależą od przyjętego układu warstw materiałowych przegród stykających się z gruntem oraz wymiarów rzutu analizowanego budynku (wymiar charakterystyczny budynku B’). W związku z tym w przypadku projektowania lub oceny stanu cieplnego przegród stykających się z gruntem powinno się podchodzić indywidualnie.

Wszystkie analizowane przegrody spełniają wymagania sformułowane w rozporządzeniu [1] w zakresie współczynnika przenikania ciepła:
U = 0,20–0,25 < U_c(max) = 0,30 W/(m²·K).

Wpływ izolacji krawędziowej (wg rozporządzenia [1] – izolacji obwodowej) uwzględnia się w obliczeniach strat ciepła przez przenikanie wg PN-EN ISO 13370:2008 [3] w postaci współczynnika ψ_g,e [W/(m·K)], redukując końcową wartość współczynnika przenikania ciepła U i współczynnika strat ciepła przez grunt H_g.

Przykład obliczeniowy 3

Obliczono parametry fizykalne złącza przegród stykających się z gruntem budynku jednorodzinnego niepodpiwniczonego, posadowionego na piasku zwykłym o współczynniku przenikania gruntu λ = 2,0 W/(m·K).

Pionowa izolacje krawędziowa przyjęto w postaci pianki z poliizocyjanuratu PIR gr. 5 cm o λ = 0,022 W/(m·K).

Układy warstw materiałowych przegrody stykającej się z gruntem przedstawiono na RYS. 6:

• ściana parteru budynku:
  –  tynk gipsowy gr. 1,5 cm o λ = 0,40 W/(m·K);
  –  bloczek wapienno-piaskowy gr. 24 cm o λ = 0,55 W/(m·K);
  –  płyty z poliizocyjanuratu PIR gr. 10 cm o λ = 0,022 W/(m·K);
  –  bloczek wapienno-piaskowy gr. 12 cm o λ = 0,50 W/(m·K);
• ściana fundamentowa (wraz z izolacjami przeciwwilgociowymi):
  –  bloczek betonowy gr. 24 cm o λ = 1,65 W/(m·K);
  –  płyty z poliizocyjanuratu PIR gr. 5 cm o λ = 0,022 W/(m·K);
  –  bloczek betonowy gr. 14 cm o λ = 1,65 W/(m·K);
• podłoga na gruncie:
  –  parkiet drewniany gr. 2 cm o λ = 0,18 W/(m·K);
  –  wylewka betonowa gr. 5 cm o λ = 1,65 W/(m·K);
  –  folia budowlana; styropian XPS gr. 10 cm o λ = 0,035 W/(m·K);
  –  folia budowlana; płyta betonowa gr. 10 cm o λ = 1,65 W/(m·K);
  –  ubity grunt o λ = 2,00 W/(m·K).
• Pionowa izolacja krawędziowa – przyjęto w postaci pianki z poliizocyjanuratu PIR gr. 5 cm o λ = 0,022 W/(m·K).

W pierwszym etapie obliczeń (w celu poszukiwania poprawnego rozwiązania układu materiałowego spełniającego obowiązujące wymagania cieplno-wilgotnościowe) wykonuje się szczegółowe obliczenia (w kilku wariantach obliczeniowych) parametrów fizykalnych przegród zewnętrznych i ich złączy, tj.:

• strumień cieplny Φ [W],
• współczynnik przenikania ciepła pełnej przegrody U (U_1D) [W/(m²·K)],
• liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego L^2D [W/(m·K)],
• liniowy współczynnik przenikania ciepła (określający dodatkowe straty ciepła wynikające z występowania liniowych mostków cieplnych) Ψ [W/(m·K)],
• temperaturę minimalną na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego θ_si,min. [°C],
• czynnik temperaturowy, określony na podstawie temperatury minimalnej na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego ƒ_Rsi(2D)[–].

Do obliczeń, przy zastosowaniu programu komputerowego TRSCO, przyjmuje się następujące założenia:

• modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami przedstawionymi w PN-EN ISO 10211:2008 [10],
• opory przejmowania ciepła (Rsi, Rse) przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [2] przy obliczeniach strumieni cieplnych oraz według PN-EN ISO 13788:2003 [11] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego ƒ_Rsi(2D) – RYS. 7–8,
• temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C (pokój dzienny), temperatura powietrza zewnętrznego te = –20°C (III strefa).

W wyniku przeprowadzonych obliczeń przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO-KOBRU 86 uzyskano wartość strumienia przepływającego przez złącze Φ = 49,76 W.

W przykładzie obliczeniowym zestawiono procedury obliczeniowe parametrów cieplnych złącza przegród stykających się z gruntem według PN-EN ISO 10211:2008 [10] oraz według własnego algorytmu.

Określenie parametrów cieplnych według procedury obliczeniowej prezentowanej w PN-EN ISO 10211:2008 [10]

• Liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego analizowanego złącza:

gdzie:

Φ – strumień cieplny przepływający przez złącze [W],
l – długość mostka cieplnego [m],
t_i – temperatura powietrza wewnętrznego [°C],
t_e – temperatura powietrza zewnętrznego [°C]

• Liniowy współczynnik przenikania ciepła analizowanego złącza (po wymiarach wewnętrznych):

gdzie:

L^2D – liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego [W/(m·K)],
h_w – minimalna odległość od połączenia do płaszczyzny przekroju poprzecznego [m],
U_w – współczynnik przenikania ciepła ściany powyżej gruntu [W/(m²·K)],
B’ – wymiar charakterystyczny podłogi na gruncie [m],
U_g – współczynnik przenikania ciepła podłogi na gruncie [W/(m²·K)],
W/(m·K)

• Liniowy współczynnik przenikania ciepła analizowanego złącza (po wymiarach zewnętrznych):

gdzie:

L^2D – liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego [W/(m·K)],
h_w – minimalna odległość od połączenia do płaszczyzny przekroju poprzecznego [m],
h_f – wysokość górnej powierzchni płyty podłogi powyżej poziomu gruntu [m],
U_w – współczynnik przenikania ciepła ściany powyżej gruntu [W/(m²·K)],
B’ – wymiar charakterystyczny podłogi na gruncie [m],
w – grubość ściany parteru budynku [m],
U_g – współczynnik przenikania ciepła podłogi na gruncie

Określenie parametrów cieplnych według własnego algorytmu

• Podział strumienia cieplnego napływającego na wewnętrzną powierzchnię złącza (Φ_sc. – strumień napływający na ścianę zewnętrzną [W], Φ_g. – strumień napływający na podłogę na gruncie [W]):
    
     Φ_sc. = 13,45 W;
      Φ_g. = 36,31 W;
  
  
• Liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego części złącza (w odniesieniu do ściany zewnętrznej):

gdzie:

Φ_sc. – strumień cieplny przepływający przez część złącza – ściana zewnętrzna [W],
l – długość mostka cieplnego [m],
t_i – temperatura powietrza wewnętrznego [°C],
t_e – temperatura powietrza zewnętrznego [°C],

• Liniowy (gałęziowy) współczynnik przenikania ciepła części złącza – ściana zewnętrzna (po wymiarach wewnętrznych):

gdzie:

L^2D_sc. – liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego części złącza – ściana zewnętrzna [W/(m·K)],
U_sc. – współczynnik przenikania ciepła ściany zewnętrznej [W/(m2·K)],
l_i– długość mostka cieplnego [m],

• Liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego części złącza (w odniesieniu do podłogi na gruncie):

gdzie:

Φg. – strumień cieplny przepływający przez część złącza – podłoga na gruncie [W],
l – długość mostka cieplnego [m],
t_i – temperatura powietrza wewnętrznego [°C],
t_e – temperatura powietrza zewnętrznego [°C],

• Liniowy (gałęziowy) współczynnik przenikania ciepła części złącza – podłoga na gruncie (po wymiarach wewnętrznych):

gdzie:

L^2D_g. – liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego części złącza – podłoga na gruncie [W/(m·K)],
B’ – wymiar charakterystyczny podłogi na gruncie [m],
U_g. – współczynnik przenikania ciepła podłogi na gruncie [W/(m2·K)],

• Liniowy współczynnik przenikania ciepła analizowanego złącza (po wymiarach wewnętrznych):

gdzie:

Ψ_sc,i – liniowy (gałęziowy) współczynnik przenikania ciepła części złącza – ściana zewnętrzna (po wymiarach wewnętrznych) [W/(m·K)],
Ψ_g,i – liniowy (gałęziowy) współczynnik przenikania ciepła części złącza – podłoga na gruncie (po wymiarach wewnętrznych) [W/(m·K)],

W kolejnym etapie obliczeń określono wartość minimalnej temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody θ_si,min.  [°C] oraz czynnik temperaturowy ƒR_si [-] według PN-EN ISO 13788 [11]:

gdzie:

θ_si,min. – temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego [°C],
θ_e – temperatura powietrza zewnętrznego [°C],
θ_i – temperatura powietrza wewnętrznego [°C].

Na podstawie obliczeń numerycznych, przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO-KOBRU 86, określono temperaturę minimalną na wewnętrznej powierzchni przegrody (RYS. 10) θ_si,min. = 12,37°C i czynnik temperaturowy ƒ_Rsi(2D) = 0,809.

Na RYS. 9–10 przedstawiono wyniki symulacji komputerowej w zakresie linii strumieni cieplnych (adiabaty) oraz rozkładu temperatur w analizowanym złączu.

Złącza przegród stykających się z gruntem generują dodatkowe straty ciepła wyrażone w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła ψ [W/(m·K)], którego wartości zależą od przyjętego układu warstw materiałowych (szczególnie zastosowanego materiału termoizolacyjnego – współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)], grubość materiału d [m]).

Ocena złączy budowlanych w aspekcie wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła ψ nie jest zdefiniowana (znormalizowana), jednak istnieje możliwość sformułowania pewnych kryteriów w krajowych przepisach (rozporządzenie [1]) dotyczących izolacyjności budynków. Przykładową klasyfikację wpływu mostków cieplnych w zależności od wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła ψ według pracy [12] podano w TABELI 3.

Połączenie ściany zewnętrznej z podłogą na gruncie determinuje dodatkowe straty ciepła w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła ψ na poziomie 0,35–0,47 W/(m·K) – RYS. 11a i RYS. 11b.

Zgodnie z TABELĄ 3 wpływ tego typu złącza (mostka cieplnego) na straty ciepła jest duży.

Zasadne staje się określenie w rozporządzeniu [1] wartości granicznych liniowego współczynnika przenikania ciepła ψ_max na poziomie 0,05–0,10 W/(m·K) w zależności od specyfiki analizowanego złącza.

Istnieje potrzeba prowadzenia dalszych obliczeń parametrów fizykalnych nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych przegród zewnętrznych i ich złączy budynków o niskim zużyciu energii w celu wyeliminowania niepoprawnych rozwiązań w aspekcie cieplno-wilgotnościowym.

Jakość cieplna elementów obudowy budynków (przegrody zewnętrzne i złącza budowlane) decyduje o optymalizacji wskaźników zapotrzebowania budynku na energię użytkową (EU), końcową (EK), a także nieodnawialną pierwotną (EP), wyrażoną w [kWh/(m²·rok)].

W analizowanym złączu nie wystąpi ryzyko kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody, ponieważ spełnione jest kryterium ƒ_Rsi(2D) ≥ ƒ_Rsi(kryt). Wartość krytyczna (graniczna) czynnika temperaturowego analizowanych wariantów obliczeniowych, przy uwzględnieniu parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, wynosi ƒ_Rsi(kryt) = 0,78. Procedurę określania czynnika ƒ_Rsi(kryt) przedstawiono w pracach [13–14]. Jego wartość zależy od parametrów powietrza wewnętrznego (t_i, ∆_p w zależności o klasy wilgotności pomieszczenia) i parametrów powietrza zewnętrznego (t_e, φ_e).

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń parametrów fizykalnych złączy budowlanych opracowuje się karty katalogowe, które stanowią podstawowe źródło informacji na etapie projektowania budynków lub oceny stanu cieplnego istniejącego budynku. Przykładową kartę katalogową przedstawiono na RYS. 11a i RYS. 11b.

Podsumowanie i wnioski

Zagadnienia cieplno-wilgotnościowe dotyczące przegród stykających się z gruntem powinny być rozpatrywane w polu trójwymiarowym (3D) lub polu dwuwymiarowym (2D). Jednak dobór materiałów konstrukcyjnych, termoizolacyjnych i przeciwwilgociowych czy też przeciwwodnych jest często przypadkowy i niejednoznaczny, dokonywany bez miarodajnych obliczeń i analiz.

W dostępnych katalogach mostków cieplnych oraz w normie PN-EN ISO 14683:2008 [9] węzeł przyziemia budynku często jest pomijany lub rozwiązany jest w sposób ogólny (bez uwzględnienia nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych).

Zastosowanie profesjonalnego programu komputerowego, np. do stacjonarnego przepływu ciepła TRISCO-KOBRU 86, pozwala na miarodajną analizę parametrów cieplno-wilgotnościowych złączy przy zmiennych układach materiałowych oraz wytypowanie optymalnych rozwiązań. M.in. w pracach [14–16] przedstawiono wiele przykładów związanych z kształtowaniem układów materiałowych złączy przegród stykających się z gruntem z uwzględnieniem obowiązujących wymagań cieplno-wilgotnościowych.

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. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
3. PN-EN ISO 13370:2008, „Cieplne właściwości użytkowe budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metoda obliczania”.
4. A. Dylla, „Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych”, Wydawnictwo Uczelniane UTP, Bydgoszcz 2009.
5. K. Pawłowski, „Innowacyjne rozwiązania materiałów termoizolacyjnych w aspekcie modernizacji budynków w Polsce”, „IZOLACJE” 3/2018, s. 48–64.
6. PN-EN 12831:2006 „Instalacje grzewcze w budynkach – Metoda obliczania obciążenia cieplnego”.
7. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015 poz. 376).
8. M. Maciaszek, „Analiza porównawcza parametrów fizykalnych złączy ścian zewnętrznych trójwarstwowych w świetle nowych wymagań cieplnych”, Praca magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Pawłowskiego, UTP, Bydgoszcz 2017.
9. PN EN ISO 14683:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne”.
10. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
11. 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”.
12. P. Wouters, J. Schietecata, P. Standaert, K. Kasperkiewicz, „Cieplno-wilgotnościowa ocena mostków cieplnych”, Wydawnictwo ITB, Warszawa 2004.
13. A. Dylla, „Fizyka cieplna budowli w praktyce. Obliczenia cieplno­‑wilgotnościowe”, PWN, Warszawa 2015.
14. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy”, Grupa Medium, Warszawa 2016.
15. K. Pawłowski, P. Olszar, „Analiza parametrów fizykalnych przegród budowlanych stykających się z gruntem”, „IZOLACJE” 5/2011, s. 20–24.
16. M. Wesołowska, P. Szczepaniak, K. Pawłowski, A. Kaczmarek, „Zagadnienia fizykalne w termomodernizacji i remontach obiektów budowlanych”, Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2019.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!