Wpływ mostków cieplnych w balkonach na izolacyjność budynku

Mostki cieplne a oszczędność energii

Oszczędność energii to jedno z podstawowych wymagań dobrego projektowania budynków. Również przepisy budowlane są pod tym względem coraz ostrzejsze.

W rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], w dziale X „Oszczędność energii i izolacyjność cieplna” określono m.in. wymagania minimalne, które musi spełnić obiekt budowlany. Zgodnie z nimi, wskaźnik rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP [kWh/(m2·rok)] musi być mniejszy lub równy wartości maksymalnej określonej w § 329 p. 2. (np. dla budynków mieszkalnych wielorodzinnych maksymalna wartość EP wynosi 85 kWh/(m2·rok). Natomiast maksymalną wartość wskaźnika rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP oblicza się według przepisów (§ 328, 329 WT), wydanych na podstawie art. 15 ustawy z dnia 29 sierpnia 2014 r. o charakterystyce energetycznej budynków (DzU poz. 1200 oraz z 2015 r. poz. 151).

Z kolei współczynnik przenoszenia ciepła ze strefy ogrzewanej (i) bezpośrednio do środowiska zewnętrznego (e) H_T,ie [W/K] wyznacza się według PN-EN 12831:2006 „Instalacje ogrzewcze w budynkach – Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego” [2]. Obliczenie tego współczynnika wymaga uwzględnienia wpływu mostków cieplnych. Tu norma wskazuje dwie drogi uzyskiwania informacji o wielkości mostka (współczynnik Ψ):

• obliczenia bazujące na wartościach przybliżonych w oparciu o normę PN-EN ISO 14683 [3],
• obliczenia dokładne w oparciu o normę PN-EN ISO 10211 [4].

Dokładne obliczenia, wymagające sporo nakładu pracy oraz odpowiedniego oprogramowania, są, niestety, rzadkością. Większość projektantów korzysta bowiem z przybliżonych wartości współczynnika Ψ_e zawartych w tabeli A. 2 normy PN-EN ISO 14683 [3]. Oprogramowania wspomagające obliczanie obciążenia cieplnego oraz charakterystyki energetycznej budynku również odwołują się do tablicy A. 2 tej normy. W efekcie wprowadza się do obliczeń często kilkukrotnie zawyżone wartości współczynnika Ψ_e, co powoduje, że udział mostków cieplnych w ubytkach ciepła przenikającego przez przegrodę zewnętrzną może wynosić kilkanaście, a niekiedy nawet ponad 20% całkowitych jego strat. Dane te potwierdza również analiza Krajowej Agencji Poszanowania Energii pt. „Raport na temat efektywności energetycznej budynków” [5]. W opracowaniu tym określono przedziały średnich strat ciepła przez elementy przegrody zewnętrznej oraz systemy wentylacji w budynkach jednorodzinnych i wielorodzinnych.

Według raportu [5] w budynkach wielorodzinnych mostki cieplne generowały 15–18% całkowitych strat ciepła, a wartości te są porównywalne ze stratami ciepła przez ściany zewnętrzne (7–20%) oraz okna i drzwi (15–26%). Analiza udziału poszczególnych rodzajów mostków cieplnych wykazała, że dominowały mostki na połączeniach ścian zewnętrznych z oknami (udział 25–40%), balkonów ze stropem (udział 10–40%) oraz mostki na połączeniu ściany zewnętrznej z dachem (attyki) (udział 5–25%). Z danych tych wynika, że eliminowanie mostków cieplnych w budynku jest kluczowe w projektowaniu budynków rzeczywiście energooszczędnych.

Bardzo duży udział mostków cieplnych w stratach ciepła przez przegrodę zewnętrzną ma oczywiście swoje przyczyny, a są to:

1. błędnie zaprojektowany detal (okna, balkony, attyki itp.),
2. brak wymagań w przepisach budowlanych (Warunki Techniczne) dla mostków cieplnych,
3. niewłaściwe oszacowanie wielkości mostka cieplnego.

Punkt 3., czyli problem niewłaściwego oszacowania wielkości mostka cieplnego, wymaga komentarza. Norma PN-EN ISO 14683 [3] dla balkonów podaje cztery możliwe sytuacje (B1, B2, B3, B4), a w każdej z nich płyta balkonu przebija ścianę zewnętrzną bez jakiegokolwiek zabezpieczenia (np. łącznikiem termoizolacyjnym). W efekcie wielkość mostka cieplnego w tym miejscu jest bardzo duża [Ψ_e = 0,70–0,95 W/(m·K)]. Po zastosowaniu łączników termoizolacyjnych wartość tego współczynnika Ψ_e wynosi poniżej 0,20 W/(m·K). Podobnie jest w wypadku narożnika ściany zewnętrznej, stropodachu i ścianki attykowej/pionowej balustrady. Tu są trzy schematy ze ścianką attykową (ścianka z materiału o wysokim współczynniku λ) (R5, R6, R7), ale żaden nie uwzględnia rozwiązań, które są w praktyce stosowane. W rezultacie projektant, który do oceny i obliczeń przyjmuje wartości z normy Ψ_e = 0,50–0,65 W/(m·K) otrzymuje wynik zupełnie nieodzwierciedlający rzeczywistej sytuacji. W nieodległej przyszłości przepisy dotyczące oszczędności energii jeszcze bardziej zostaną zaostrzone i aby im sprostać dokładne obliczenie wpływów mostków cieplnych stanie się koniecznością.

Przykład obliczeniowy – powtarzalny moduł zewnętrznej przegrody budynku z płytą balkonu

Pokazuje on, jak dużo energii można zaoszczędzić dzięki prawidłowemu zaprojektowaniu połączenia balkonu ze stropem. Przedmiotem zaś analizy (RYS. 1) jest powtarzalny moduł zewnętrznej ściany budynku wielorodzinnego (8,5×3,0 m), która składa się:

• ze ściany wykonanej w systemie EPS o współczynniku U = 0,193 W/(m²·K),
• okien (1,5×1,5 m – 2 szt., 1,5×1,2 m – 1 szt.) i drzwi balkonowych (2,3×0,9 m – 1 szt.) o współczynniku U = 0,90 W/(m2·K),
• balkonu o współczynniku Ψ_e [W/(m·K)] zmiennym w zależności od sposobu połączenia płyty balkonu ze stropem oraz zmiennej długości łączącej balkon ze stropem: l = 2, 3, 4 i 5 m.

Dla balkonów przyjęto następujące warianty połączenia (RYS. 2):

1) za pomocą łącznika termoizolacyjnego gr. d = 12 cm, o współczynniku λ_eq = 0,10 W/(m·K), oporze cieplnym R_eq = 1,2 m²·K/W
– wyliczony współczynnik Ψ_e = 0,103 W/(m·K),
2) za pomocą łącznika termoizolacyjnego gr. d = 8 cm, o współczynniku λ_eq = 0,10 W/(m·K), oporze cieplnym R_eq = 0,8 m²·K/W
– wyliczony współczynnik Ψ_e = 0,164 W/(m·K),
3) za pomocą łącznika termoizolacyjnego gr. d = 12 cm, o współczynniku λ_eq = 0,30 W/(m·K), oporze cieplnym R_eq = 0,4 m²·K/W
– wyliczony współczynnik Ψ_e = 0,297 W/(m·K),
4) płyta balkonu zaizolowana od góry i od dołu styropianem (λ = 0,035) gr. 5 cm – wyliczony współczynnik Ψ_e = 0,415 W/(m·K),
5) płyta balkonu bez jakiejkolwiek izolacji monolitycznie połączona ze stropem – wyliczony współczynnik Ψ_e = 0,855 W/(m·K),
6) płyta balkonu – według schematu B1 (załącznik A normy PN EN 14683 – Wartości orientacyjne liniowego współczynnika przenikania ciepła) – współczynnik Ψ_e = 0,95 W/(m·K).

Liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ_e [W/m·K] dla wariantów 1–5 obliczono za pomocą programu AnTherm.
Dla zobrazowania wpływu mostków w balkonach przyjęto, że wartość współczynnika Ψ_e = 0 W/(m·K) w połączeniach okien i drzwi balkonowych ze ścianą (montaż w grubości izolacji).

Mostki cieplne a ryzyko powstania grzybów pleśniowych

Kolejnym zagadnieniem związanym z mostkami cieplnymi jest możliwość tworzenia się grzybów pleśniowych na porowatych powierzchniach przegród. Tu również znajdziemy w przepisach budowlanych (WT – Dział VIII – Higiena i zdrowie § 321 p.1) wymagania w tym zakresie. Chodzi konkretnie o współczynnik temperaturowy ƒ_Rsi. Jest to parametr określający „jakość złącza”. Jego wartość określa zależność temperatury na powierzchni przegrody θ_si od temperatury na zewnątrz θ_e i wewnątrz pomieszczenia θ_i.

Dokumentem określającym procedurę obliczania minimalnej wartości tego współczynnika jest norma PN-EN ISO 13788 [6], przywołana w Warunkach Technicznych. Mimo że wymagania w WT jako wartość minimalną współczynnika ƒ_Rsi dopuszczają 0,72, warto wiedzieć, że tak niska wartość tego współczynnika nie gwarantuje, że proces tworzenia się grzybów pleśniowych nie nastąpi. Bardziej miarodajna jest metoda określenia tego współczynnika, podana w PN-EN ISO 13788 [6], gdzie wartość ƒ_Rsi zależy od lokalizacji obiektu (pod uwagę brana jest m.in. średniomiesięczna temperatura i wilgotność w danej miejscowości), rodzaju obiektu i związana z tym klasa wilgotności wewnętrznej. Zgodnie z zaleceniami normowymi, zakłada się, że ryzyko rozwoju pleśni występuje wtedy, gdy wilgotność na powierzchni wewnętrznej złącza osiągnie 80%. Według tego kryterium np. dla temperatury w pomieszczeniu θ_i = 20°C i wilgotności względnej φ = 50% minimalna dopuszczalna temperatura na powierzchni przegrody to θ_si = 12,6°C, a gdy w pomieszczeniu wystąpi podwyższona wilgotność, np. φ = 60% (kuchnia, łazienka), temperatura stanowiąca granicę bezpiecznej strefy to już θ_si = 15,5°C (RYS. 3).

Warto o tym pamiętać przy projektowaniu detali zewnętrznych, w których mostki cieplne powstają wskutek geometrii złącza (np. narożnik zewnętrzny) i rozwiązań materiałowych w tym złączu (materiałowy mostek cieplny). Przykładami takich miejsc są np. balkony w narożu budynku, tarasy z pionową balustradą (np. żelbetową).

Przykład obliczeniowy – balkon w narożu budynku

Porównajmy balkon narożny z łącznikami balkonowymi o różnych wartościach współczynnika λ_eq i R_eq (RYS. 4–5, RYS. 6-7 i RYS. 8-9) oraz balkon izolowany styropianem lub styrodurem od góry i od dołu gr. 5 cm (RYS. 10–11).

Przy temperaturze zewnętrznej θ_e = –20°C i wewnętrznej θ_i = 20°C zastosowano:

1) łącznik termoizolacyjny gr. d = 12 cm, o współczynniku λ_eq = 0,10 W/(m·K), oporze cieplnym R_eq = 1,2 m²·K/W – wyliczona temperatura w narożu θ_si = 14,9°C (RYS. 4–5),

2) łącznik termoizolacyjny gr. d = 8 cm, o współczynniku λ_eq = 0,10 W/(m·K), oporze cieplnym R_eq = 0,8 m²·K/W – wyliczona temperatura w narożu θ_si = 14,1°C (RYS. 6-7),

3) łącznik termoizolacyjny gr. d = 12 cm, o współczynniku λ_eq = 0,30 W/(m·K), oporze cieplnym R_eq = 0,4 m²·K/W – wyliczona temperatura w narożu θ_si = 12,4°C (RYS. 8-9),

4) rozwiązanie bez łącznika termoizolacyjnego, balkon izolowany do góry i od dołu, gr. izolacji 5 cm o współczynniku λ_eq = 0,035 W/(m·K) – wyliczona temperatura w narożu θ_si = 10,1°C (RYS. 10–11).

Podsumowanie

1. Wprowadzenie w Warunkach Technicznych [1] wymagań ograniczających wpływ mostka cieplnego Ψ_e [W/m·K] wydaje się jak najbardziej zasadne – podobnie jak współczynników U (m.in. dla ścian i okien). Dopiero wtedy będzie możliwe energooszczędne podejście do projektowania.

2. Wyniki analizy pokazują, że o wielkości dodatkowych strat ciepła przez przegrodę zewnętrzną budynku (liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ_e [W/m·K]) decydują w równym stopniu grubość łącznika oraz jego ekwiwalentny współczynnik przenikania ciepła λ_eq [W/(m·K)]. Sama, nawet duża, grubość łącznika będzie niewystarczająca, jeśli parametry izolacyjne łącznika będą niskie (najlepiej dowodzi tego przykład wariantu 3 – zastąpienie łącznika gr. 12 cm łącznikiem gr. 8 cm, ale o trzykrotnie większej izolacyjności λ_eq daje zdecydowanie lepszy efekt). A najbardziej optymalnym rozwiązaniem jest połączenie tych dwóch wartości, bo pozwala na uzyskanie maksymalnie dużej wartości ekwiwalentnego oporu cieplnego łącznika R_eq [m2·K/W].

3. Źle zaprojektowane balkony w budynkach wielorodzinnych mogą być źródłem dużych, dodatkowych strat ciepła (określane współczynnikiem strat ciepła przez przenikanie H_t,ie). Może to być nawet kilkanaście procent dodatkowych strat (RYS. 12), jeśli balkony stanowią płytę połączoną monolitycznie ze stropem z izolacją od góry i od dołu.

4. Straty ciepła zminimalizują łączniki termoizolacyjne (wzrost strat ciepła o kilka procent w stosunku do przegrody bez balkonu), które zapewniają uzyskanie wartości współczynnika Ψ_e  <  0,20 W/(m·K).

5. Korzystanie w obliczeniach cieplnych z wartości orientacyjnych liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_e (norma PN EN 14683 [3]) prowadzi do nierzeczywistych wyników (w długich balkonach przyrost dodatkowych strat ciepła może wynosić nawet ponad 40% – RYS. 12). Tabele z wartościami orientacyjnymi dla współczynnika Ψ_e w wymienionej normie są często, niestety, jedynym źródłem wiedzy projektanta, wykonującego obliczenia cieplne. Zasadna byłaby więc aktualizacja normy PN EN 14683 [3], polegająca na uzupełnieniu tabel o rozwiązania obecnie stosowanie w procesie projektowania (m.in. o łączniki termoizolacyjne), wzorowana na normie DIN 4108 Beiblatt 2-2019.

6. Oczekiwaną jakość połączenia balkonu i stropu może zapewnić opisanie minimalnych wymagań dotyczących izolacyjności łączników (d, λeq, R_eq) i wymagań dla liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_e w projekcie, podobnie jak dla ścian, okien, stropodachu (współczynnik przenikania ciepła U).

7. Dobrej jakości łącznik (o niskim współczynniku λeq i wysokiej wartości oporu R_eq) daje gwarancję uzyskania bezpiecznej temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody. Przykład z łącznikiem o słabych parametrach izolacyjnych (RYS. 8–9) pokazuje, że w takim złączu ryzyko pojawienia się zagrzybienia jest duże.

8. Obustronne izolowanie płyty balkonu zaprojektowanego w narożniku zewnętrznym budynku jest całkowicie nieskuteczne (RYS. 10–11). W tym rozwiązaniu bowiem temperatura na powierzchni wewnętrznej stwarza bardzo sprzyjające warunki do rozwoju pleśni.

9. Wymagania wilgotnościowe w WT dotyczące minimalnej wartości współczynnika ƒ_Rsi są niewystarczające, ponieważ nawet spełnienie tych wymagań (ƒ_Rsi  >  0,72) w wielu sytuacjach może nie wyeliminować ryzyka tworzenia się grzybów pleśniowych. Dopiero złącze, dla którego wartość współczynnika ƒ_Rsi przekracza 0,8, można uznać za bezpieczne.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690 z późn. zm.)
2. PN-EN 12831:2006, „Instalacje ogrzewcze w budynkach – Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego”.
3. PN-EN ISO 14683:2008, „Mostki cieplne w budynkach – Liniowy współczynnik przenikania ciepła – Metody uproszczone i wartości orientacyjne”.
4. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach – Strumienie ciepła i temperatury powierzchni – Obliczenia szczegółowe”.
5. „Raport na temat efektywności energetyczne budynków”, KAPE, Warszawa 2013.
6. PN-EN ISO 13788:2013-05, „Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku – Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacji międzywarstwowej – Metody obliczania”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!