Balkony – projektowanie numeryczne złączy z uwzględnieniem wymagań cieplno-wilgotnościowych od 1 stycznia 2021 roku

Dobór materiałów konstrukcyjnych i izolacyjnych złączy nie powinien być przypadkowy, ale oparty o szczegółowe obliczenia i analizy.

Rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe balkonów w aspekcie wymagań cieplno­‑wilgotnościowych

Balkon jest elementem konstrukcyjno-architektonicznym budynku, stanowiącym otwartą formę. Rozwiązanie konstrukcyjne balkonu uzależnione jest od czynników na niego oddziaływających, np.:

• obciążenia oddziałującego na konstrukcję,
• wnikania wody opadowej w konstrukcję balkonu,
• bezpieczeństwa użytkowania osób korzystających z balkonu,
• mostków termicznych na styku płyty nośnej ze ścianą.

Grubość płyty w balkonie wspornikowym może być stała lub może maleć w kierunku od ściany. Pręty główne w płycie wspornikowej umieszcza się w strefie rozciąganej (zbrojenie górą) i kotwi w wieńcu.

W przypadku balkonów o wysięgu większym niż 1,5 m, bądź dużym obciążeniu, płytę balkonową opiera się na belkach wspornikowych utwierdzonych w wieńcu. Grubość płyty w tym przypadku wynosi 8–10 cm, natomiast zbrojenie główne ułożone jest w dolnej strefie płyty równolegle do ściany.

Na RYS. 1–3 przedstawiono schematy konstrukcji balkonów: wspornikowych, podwieszanych i dostawianych.

Balkony podwieszane mocowane są do ścian konstrukcyjnych za pomocą cięgien stalowych lub stalowych konstrukcji podpierających z zastrzałami i belkami od spodu płyty. Nie wymagają dodatkowych fundamentów, lecz obciążają ściany budynku.

Balkony na konstrukcji dostawianej do budynku i posadowionej na własnym fundamencie, w których podparcie mogą stanowić pełne ściany poprzeczne lub lżejsze słupy stalowe albo żelbetowe, nie obciążają ścian budynku, jednak są połączone z nimi za pomocą kotwi z kształtowników stalowych. Pozwala to na zachowanie stateczności oraz przeniesienie obciążeń poziomych od wiatru.

Należy także podkreślić, że w takim rozwiązaniu nie występuje przerwanie izolacji cieplnej ściany zewnętrznej [1]. Natomiast zastosowanie łączników izotermicznych pozwalających na odsunięcie wspornikowej płyty balkonowej od wieńca stropu i wypełnienie tej przestrzeni systemowym materiałem termoizolacyjnym minimalizuje dodatkowe straty ciepła. Są to gotowe elementy, przygotowane do montażu i połączenia ze zbrojeniem wykonanym na budowie. Rozmiar oraz gęstość rozstawienia uzależnione są od wymagań statyczno-budowlanych, takich jak powierzchnia balkonu, wysunięcie oraz grubość płyty balkonowej (RYS. 4–5).

Głównym problemem w konstruowaniu złączy balkonów ze ścianą jest zachowanie ciągłości termoizolacji. Minimalizację wpływu mostka termicznego można uzyskać przez:

• oparcie płyty na żelbetowych lub stalowych wspornikach kotwionych w wieńcu,
• zastosowanie balkonów dostawianych,
• zastosowanie tzw. łączników izotermicznych.

Obowiązujące przepisy prawne związane z procesami projektowania, wznoszenia i eksploatacji budynków o niskim zużyciu energii (NZEB) wymuszają takie rozwiązania technologiczne i organizacyjne, w wyniku których nowo wznoszone budynki zużywają w trakcie eksploatacji coraz mniej energii na ogrzewanie, wentylację i przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Zmiany maksymalnej wartości współczynnika przenikania ciepła U_max wpływają na wielkość zużycia energii w trakcie eksploatacji budynków.

Niestety, przepisy prawne w tym zakresie nie regulują wymagań w zakresie ograniczenia strat ciepła przez złącza budowlane – mostki cieplne, ponieważ nie określono wartości granicznych np. w zakresie maksymalnych wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_max [W/(m·K)]. Należy jednak podkreślić, że budynek stanowi strukturę przegród budowlanych i ich złączy o indywidualnym charakterze fizykalnym i poddany jest oddziaływaniu środowiska zewnętrznego i wewnętrznego.

W wielu przypadkach analiza przegród i złączy budowlanych w aspekcie konstrukcyjno-materiałowym i technologii wykonania nie budzi zwykle zastrzeżeń na etapie projektowania. Natomiast znajomość parametrów fizykalnych, związanych z wymianą ciepła i wilgoci, pozwala na uniknięcie wielu wad projektowych i wykonawczych.

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 (płytą balkonową, stropem, ścianą zewnętrzną lub wewnętrzną lub podłogą na gruncie).

Kształtowanie układu warstw materiałowych połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową przy zastosowaniu obliczeń numerycznych

Poprawne ukształtowanie układu materiałowego złącza budowlanego (np. połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową) wymaga określenia ich parametrów fizykalnych z uwzględnieniem parametrów powietrza zewnętrznego i wewnętrznego przy zastosowaniu profesjonalnego programu komputerowego.

Podstawowymi parametrami charakteryzującymi mostki cieplne (złącza budowlane) są:

• liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)], obliczany na podstawie normy PN-EN ISO 10211:2008 [3], lub należy przyjmować jego wartości na podstawie katalogu mostków cieplnych (np. załącznik do pracy [4]) oraz normy PN-EN ISO 14683:2008 [5],
• punktowy współczynnik przenikania ciepła χ [W/K], obliczany na podstawie normy PN-EN ISO 10211:2008 [3], lub należy przyjmować jego wartości na podstawie katalogu mostków cieplnych na podstawie danych producentów,

• czynnik temperaturowy ƒ_Rsi (ƒ_Rsi(2D), ƒ_Rsi(3D)), określany zgodnie z normą PN-EN ISO 13788:2003 [6] na podstawie temperatury minimalnej w miejscu mostka cieplnego (2D lub 3D).

Szacuje się, że dokładność metod obliczeń mostków cieplnych według [7] wynosi:

• ± 5% – obliczenia numeryczne,
• ± 20% – katalog mostków cieplnych,
• ± 20% – obliczenia ręczne,
• 0–50% – wartości orientacyjne.

Poniżej przedstawiono przykłady obliczeniowe dotyczące kształtowania układu warstw materiałowych połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową w zróżnicowanych wariantach obliczeniowych.

Przykład obliczeniowy 1

Określono parametry fizykalne połączenia ściany zewnętrznej ze stropem i płytą balkonową. Dla prawidłowego zaprojektowania elementów obudowy budynku (przegrody zewnętrzne i złącza budowlane) w aspekcie cieplno-wilgotnościowym wymaga się od projektanta, aby każde złącze rozpatrzył przy wykorzystaniu szczegółowych obliczeń numerycznych lub miarodajnych (dokładnych) kart katalogowych.

Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

• budynek zlokalizowany w III strefie – temperatura powietrza zewnętrznego t_e = –20°C, temperatura powietrza wewnętrznego t_i = +20°C,
• wspornikowa płyta balkonowa (wariant I), płyta balkonowa oparta na belkach (wariant II), płyta balkonowa połączona ze ścianą zewnętrzną za pomocą łącznika izotermicznego (wariant III) (RYS. 6, RYS. 7 i RYS. 8),
• ściana zewnętrzna dwuwarstwowa: bloczek wapienno-piaskowy gr. 24 cm, płyty styropianowe gr. 12 i 20 cm,
• wartości współczynników przewodności cieplnej materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie tablic w [4],
• warunki przejmowania ciepła na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni przegrody przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [8] dla obliczenia wielkości strumieni cieplnych oraz zgodnie z PN-EN ISO 13788:2003 [6] przy obliczaniu temperatur i czynnika temperaturowego ƒ_Rsi(2D),
• modelowanie analizowanych złączy wykonano zgodnie z zasadami sformułowanymi w PN-EN ISO 10211:2008 [3].

W wyniku przeprowadzonych obliczeń przy zastosowaniu programu TRISCO-KOBRU 86 [9] uzyskano wartości strumieni przepływających przez złącza Φ [W], rozkład linii strumieni cieplnych (adiabaty) oraz rozkład izoterm. Uzyskane wyniki pozwoliły na wyznaczenie liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)] według określonych procedur obliczeniowych prezentowanych szczegółowo m.in. w pracach [4, 10] oraz czynnika temperaturowego ƒ_Rsi(2D) [-]. Wyniki przeprowadzonych obliczeń dla rozpatrywanych złączy zestawiono na RYS. 9–10, RYS. 11-12, RYS. 13-14 i w TAB. 1.

Ściana zewnętrzna (o grubości izolacji cieplnej 20 cm) o analizowanych złączach spełnia podstawowe wymaganie w zakresie izolacyjności cieplnej według rozporządzenia [12] U_c = 0,18 W/(m²·K) < U_c(max) = 0,20 W/(m²·K). Jednak jej połączenie z płytą balkonową generuje dodatkowe straty ciepła określone w postaci parametrów: Φ [W], L2D [W/(m·K)], Ψ_i [W/(m·K)] oraz występuje obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody θ_si,min [°C] (TAB. 1).

W aspekcie oceny cieplno-wilgotnościowej optymalnym rozwiązaniem jest wariant III – połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową za pomocą łącznika izotermicznego. Uzyskano wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_i [W/(m·K)] na ­poziomie 0,094 (przy 12 cm izolacji cieplnej) oraz 0,081 (przy 20 cm izolacji cieplnej). Poza tym, rozwiązanie według wariantu I generuje obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody do poziomu, w którym występuje ryzyko kondensacji powierzchniowej, ponieważ ƒ_Rsi(2D) < ƒ_{Rsi, kryt.}.

Wartość graniczna (krytyczna) czynnika temperaturowego, uwzględniając parametry powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, analizowanych wariantów obliczeniowych według [4] wynosi ƒ_{Rsi, kryt.} = 0,785.

Przykład obliczeniowy 2

Określono parametry fizykalne połączenia ściany zewnętrznej ze stropem i płytą balkonową i drzwiami balkonowymi przy zastosowaniu łącznika izotermicznego i zróżnicowanych materiałów termoizolacyjnych.

Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

• układ rozwiązań materiałowych złącza (RYS. 15 i RYS. 16–17),
• materiały termoizolacyjne gr. 20 cm: płyty z pianki poliuretanowej, płyty styropianowe, płyty ze styropianu grafitowego, wełna mineralna,
• wartości współczynników przewodności cieplnej materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie tablic w [4],
• temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C, temperatura powietrza zewnętrznego t_e = –20°C,
• opory przejmowania ciepła na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni przegrody (R_si, R_se) zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [8] w przypadku obliczeń parametrów cieplnych oraz PN-EN ISO 13788:2003 [6] w przypadku określenia czynnika temperaturowego ƒ_Rsi,
• modelowanie złączy przeprowadzono zgodnie z PN-EN ISO 10211:2008 [3].

Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych zestawiono w TAB. 2.

Wszystkie rozpatrywane rozwiązania materiałowe ścian zewnętrzne (przy zastosowaniu różnych materiałów termoizolacyjnych) spełniają podstawowe wymaganie w zakresie izolacyjności cieplnej od 01.01.2021 r. według rozporządzenia [12]: U_c < U_c(max) = 0,20 W/(m2·K).

Zastosowanie łącznika izotermicznego, nowoczesnych materiałów termoizolacyjnych (o niskich wartościach współczynnika przewodzenia ciepła λ < 0,04 W/(m·K)) oraz poprawne ukształtowanie i usytuowanie drzwi balkonowych (przy zastosowaniu np. tulei ze stali nierdzewnej z wypełnieniem styropianowym) pozwala na minimalizację dodatkowych strat ciepła oraz ryzyka obniżenia temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego (TAB. 2).

Podsumowanie i wnioski

Dobór układu materiałów dla przegród zewnętrznych i ich złączy nie powinien być przypadkowy, lecz oparty na podstawie obliczeń parametrów fizykalnych. Określenie charakterystyki cieplno-wilgotnościowej mostków cieplnych z uwzględnieniem nowoczesnych rozwiązań technicznych (zastosowanie łączników izotermicznych) i materiałów termoizolacyjnych przy zastosowaniu programu komputerowego daje możliwość uzyskania miarodajnych wyników, odzwierciedlających rzeczywiste straty ciepła. Posługiwanie się wartościami orientacyjnymi dodatkowych strat ciepła (np. według PN-EN ISO 14683:2008 [5]), bez uwzględnienia rodzaju i grubości izolacji cieplnej jest niedopuszczalne w procesie projektowym.

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 [12]) dotyczących izolacyjności budynków. Przykładową klasyfikację wpływu mostków cieplnych w zależności od wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ według pracy [7] podano w TAB. 3.

Połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową z zastosowaniem łączników izotermicznych determinuje dodatkowe straty ciepła w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ na poziomie 0,081–0,157 W/(m·K) (TAB. 1 i TAB. 2). Zgodnie z TAB. 3 wpływ tego typu złącza (mostka cieplnego) na straty ciepła jest pomijany lub mały.

Zasadne staje się określenie w rozporządzeniu [12] 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), ale także nieodnawialną pierwotną (EP).

Literatura

1. M. Grudzińska, „Balkony o różnej konstrukcji – cieplno­‑wilgotnościowa ocena mostków cieplnych”, „IZOLACJE” 6/2011, s. 14–16.
2. Dane producentów łączników izotermicznych.
3. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
4. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2016.
5. PN-EN ISO 14683:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne”.
6. 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”.
7. P. Wouters, J. Schietecata, P. Standaert, K. Kasperkiewicz, „Cieplno-wilgotnościowa ocena mostków cieplnych”, Wydawnictwo ITB, Warszawa 2004.
8. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
9. Program komputerowy TRISCO-KOBRU 86.
10. A. Dylla, „Fizyka cieplna budowli w praktyce. Obliczenia cieplno­‑wilgotnościowe”, Wydawnictwo PWN, Warszawa 2015.
11. M. Dybowska, K. Pawłowski, „Balkony – analiza numeryczna parametrów cieplno-wilgotnościowych w świetle nowych wymagań cieplnych”, „IZOLACJE” 6/2014, s. 52–57.
12. 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).
13. M. Dybowska-Józefiak, K. Pawłowski, Ł. Lewandowski, „Wpływ zastosowania nowoczesnych materiałów izolacyjnych na parametry fizykalne przegród zewnętrznych i ich złączy”, „Materiały budowlane” 1/2017, s. 40–41.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!