Podłogi i posadzki – parametry cieplne

To dwojakie podejście do zagadnień związanych z właściwościami cieplnymi podłóg i ich wierzchniej warstwy – posadzek – ma niewątpliwie związek z objęciem problemu izolacyjności cieplnej i właściwości energetycznych budynku i jego komponentów w formę odpowiednich punktów konkretnych wytycznych techniczno-budowlanych. Przepisy te z kolei nie regulują właściwości konstrukcji pod względem odczuć cieplnych czy komfortu cieplnego użytkowników.

Jakie są podstawowe właściwości podłóg i posadzek dotyczące przenikania ciepła i przyswajania ciepła, zwłaszcza posadzek drewnianych?

Podłoga i posadzka – na czym polegają różnice

Potocznie terminem „podłoga” nazywana jest posadzka. Tymczasem te dwa elementy konstrukcyjne nie są tożsame. Podłoga jest poziomą przegrodą budowlaną składającą się z reguły z kilku warstw pełniących różne funkcje. Może się składać z warstw:

• podkładowej,
• wyrównawczej,
• izolacyjnej (z izolacją cieplną i/lub akustyczną)

oraz powłok:

• wodochronnej,
• parochronnej.

Cały ten układ warstwowy umieszczony jest na warstwie konstrukcyjnej lub wkomponowany w układ nośny, jak to jest np. w przypadku podłóg na legarach, gdzie izolacja cieplna czy akustyczna może wypełniać przestrzenie między belkami.

Elementem konstrukcyjnym w podłogach na gruncie będzie 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 określana jest jako posadzka.

Wpływ na procesy przenikania ciepła mają wszystkie warstwy podłogi. Na procesy aktywności cieplnej natomiast wpływ może mieć jedna warstwa podłogi, a czasami dwie lub trzy, licząc od góry, przy czym jest on największy zawsze w przypadku warstwy pierwszej, wierzchniej.

Dlatego dla czytelności prezentowanych zagadnień w przypadku przenikania ciepła mowa jest o właściwościach podłogi wraz z jej konstrukcją nośną, a w przypadku ciepłochłonności – o właściwościach posadzki (mimo że czasami na aktywność cieplną posadzki mają wpływ również warstwy podłogi leżące pod posadzką).

Przenikanie ciepła przez podłogi

Podstawowym parametrem charakteryzującym izolacyjność cieplną przegród budowlanych, w tym podłogi wraz z jej warstwą konstrukcyjną, jest współczynnik przenikania ciepła U wyrażany w W/(m²·K). O wartości tego współczynnika i stratach ciepła przez tę przegrodę decydują przede wszystkim opory cieplne poszczególnych warstw i opory przejmowania ciepła na powierzchniach przegrody.

W przypadku podłogi na gruncie dodatkowo na wartość współczynnika U wpływa opór cieplny warstwy gruntu, w szczególności w strefie krawędziowej podłogi, a w konstrukcjach stropów nad przejazdami, podcieniami itp. – opór cieplny warstwy izolacji cieplnej montowanej od spodu.

Wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej konstrukcji, w których występują podłogi, według aktualnych przepisów budowlanych, tzn. rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], przedstawiono w tabeli 1.

W przypadku stropów nad piwnicami, podłóg na gruncie itp., w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej, w rozporządzeniu [1] podana jest tylko jedna wartość współczynnika U_max, niezależna od temperatury obliczeniowej powietrza t_i. Przez analogię do wymagań podanych dla stropów nad przejazdami, w tabeli 1 przypisano wymaganą wartość współczynnika U_max dla stropów nad piwnicami, podłóg na gruncie itp., do podobnych zakresów temperatury powietrza w pomieszczeniach.

Zgodnie z rozporządzeniem w sprawie warunków technicznych [1] należy również przy projektowaniu przegród uwzględniać inny wymóg odnoszący się do właściwości termoizolacyjnych. Otóż w budynku mieszkalnym, budynku zamieszkania zbiorowego, budynku użyteczności publicznej, a także budynku produkcyjnym, magazynowym i gospodarczym na obwodzie podłogi na gruncie w ogrzewanym pomieszczeniu, tj. w miejscu połączenia ze ścianą zewnętrzną, powinna być umieszczona warstwa izolacji cieplnej o oporze cieplnym nie mniejszym niż 2,0 m²·K/W.

W rozporządzeniu nie ma danych mówiących, jaką szerokość powinien mieć wspomniany pas izolacji cieplnej. Biorąc pod uwagę wytyczne poprzedniej normy cieplnej, można przyjąć szerokość pasa izolacji umieszczonej poziomo w podłodze lub pionowo na ścianie fundamentowej czy piwnicznej, nie mniejszą niż 1 m.

Opory cieplne warstw przegrody i współczynniki przenikania ciepła przegród stykających się z powietrzem należy wyznaczać według metodologii opisanej w normie PN-EN ISO 6946:2008 [2]. Natomiast współczynniki przenikania ciepła przegród stykających się z gruntem metodą szczegółową należy wyznaczać według normy PN-EN ISO 13370:2008 [3].

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

Niższa temperatura powierzchni przegród oznacza konieczność podniesienia temperatury powietrza w celu uzyskania warunków komfortowych dla użytkowników. I odwrotnie – wyższa temperatura powierzchni oznacza możliwość obniżenia temperatury powietrza w pomieszczeniu bez pogorszenia odczuć cieplnych. Dodatkowo można uzyskać efekt oszczędnościowy w postaci zmniejszenia ilości energii niezbędnej do ogrzewania pomieszczenia.

Od wartości temperatury na powierzchni przegrody przy uwzględnieniu wilgotności powietrza zależy, czy wystąpią na niej warunki sprzyjające rozwojowi pleśni lub kondensacji powierzchniowej, wyrażone współczynnikiem temperaturowym f_Rsi. Warunek ten sprawdzany jest według metodologii zawartej w normie PN-EN ISO 13788:2003 [4].

Charakter zmiany temperatury powierzchni stropu nad przejazdem od strony pomieszczenia, czyli faktycznie temperatury posadzki znajdującej się na tym stropie, od temperatury powietrza na zewnątrz budynku, przy temperaturze powietrza w pomieszczeniu równej 20ºC i różnych wartościach współczynnika przenikania ciepła stropu, ilustruje rys. 1. Widać na nim wyraźnie, że wraz ze wzrostem wartości współczynnika przenikania ciepła spada wartość temperatury na powierzchni posadzki.

W najchłodniejszym okresie (temperatura zewnętrzna – 20ºC) przy obniżeniu współczynnika U z 0,15 do 0,70 W/(m²·K) temperatura na powierzchni spada z 19,0ºC do 15,2ºC. Również wraz ze zmniejszeniem wartości współczynnika przenikania ciepła, różnica między temperaturą uzyskiwaną na powierzchni posadzki, przy temperaturze powietrza zewnętrznego od –20ºC do 10ºC, dla rozpatrywanych wartości współczynnika przenikania ciepła przegrody, zmniejsza się z 3,6 K do wartości 0,8 K.

Aktywność cieplna posadzki

Aktywność cieplna przegrody budowlanej związana jest ze zjawiskiem pochłaniania i oddawania ciepła, które przebiega w warunkach dynamicznych oddziaływań cieplnych na konstrukcje budowlane. Jednym z tych procesów jest wzajemne oddziaływanie konstrukcji podłogi, w szczególności posadzki, na stopę człowieka i związane z tym jego odczucia cieplne. Problemowi temu poświęca się stosunkowo niewiele uwagi w literaturze technicznej, chociaż proces ten w istotnej mierze wpływa na odczucia związane z komfortem użytkowania pomieszczeń.

Ciepłochłonność posadzek, charakteryzująca zdolność konstrukcji do przyswajania ciepła przez stopy człowieka, uzależniona jest od konstrukcji, a w szczególności od rodzaju materiału zastosowanego jako warstwa wierzchnia podłogi. O aktywności cieplnej przegrody budowlanej decydują przede wszystkim zastosowane w niej materiały, a w szczególności ich następujące parametry fizyczne: ciepło właściwe c_p, współczynnik przewodzenia ciepła λ, współczynnik wyrównywania temperatury a, współczynnik przyswajania ciepła s₂₄.

Współczynnik wyrównywania temperatury a wyraża prędkość, z jaką dochodzi do wyrównywania się temperatury w danym materiale. Wykorzystywany jest więc m.in. przy analizowaniu nieustalonych procesów cieplnych przebiegających w konstrukcjach poddawanych zmiennym w czasie oddziaływaniom termicznym. Przy wyższych wartościach współczynnika a, podczas nagrzewania czy też ostygania ciała, w różnych jego punktach szybciej następuje zrównanie się temperatur (czy też ustabilizowanie warunków termicznych). Szczególnie korzystnie pod tym względem zachowuje się drewno. Charakteryzuje się ono kilkakrotnie niższą wartością współczynnika a niż wiele innych materiałów budowlanych, w szczególności konstrukcyjnych, co w decydującym stopniu wpływa na bardzo dobrą stateczność cieplną konstrukcji drewnianych. Właściwość ta ulega nieznacznemu pogorszeniu jedynie w miejscach, gdzie dochodzi do przewodzenia ciepła wzdłuż włókien materiału drewnianego na skutek przyrostu wartości współczynnika przewodzenia ciepła. Wartość współczynnika wyrównywania temperatury drewna maleje również wraz ze wzrostem jego wilgotności.

Współczynnik przyswajania ciepła s₂₄ jest innym parametrem wykorzystywanym przy analizowaniu nieustalonych warunków cieplnych występujących w konstrukcjach budowlanych. Charakteryzuje on zdolność materiału do pochłaniania ciepła przy wahaniach temperatury na powierzchni materiału. W tym wypadku przy wzroście wartości współczynnika s₂₄ wzrasta intensywność tego procesu.

Innym parametrem związanym ze zjawiskiem przyswajania ciepła jest współczynnik ciepłochłonności b wyrażany w W/(m²·K), lub ciepłochłonności (aktywności cieplnej posadzki) B mierzony w W·s^1/2/(m²·K). Stosowane one są m.in. przy ocenie zdolności górnej warstwy podłogi do odbioru ciepła z ludzkiej stopy.

Podłogi, w szczególności wykonane z drewna, charakteryzują się bardzo korzystnymi właściwościami związanymi z przyswajaniem ciepła, ponieważ współczynnik aktywności cieplnej drewna jest jednym z najniższych dla grupy materiałów wykorzystywanych w tym komponencie budowlanym. W odniesieniu do drewna sosnowego kształtuje się on w przedziale 450–480 W·s^1/2/(m²·K) przy przepływie ciepła poprzecznie do włókien i 700–730 W·s^1/2/(m²·K) przy przepływie ciepła wzdłuż włókien. Natomiast w przypadku drewna dębowego jest większy – wynosi 600–680 W·s^1/2/(m²·K) przy przepływie ciepła poprzecznie do włókien i 800–900 W·s^1/2/(m²·K) przy przepływie ciepła wzdłuż włókien.

Posadzki drewniane zalicza się z reguły do grupy podłóg ciepłych, to jest takich, na których po chwilowym odczuciu chłodu przy zetknięciu stopy z jej powierzchnią następuje stopniowy wzrost temperatury w miejscu kontaktu stopy z podłogą.

Podłogi wykończone posadzkami drewnianymi lub z płyt korkowych wymieniane są jako te, które pozwalają na uzyskanie optymalnej komfortowej temperatury powierzchniowej, dla odczuć związanych z kontaktem bosą stopą z taką powierzchnią, znacznie niższej od większości innych podłogowych materiałów wykończeniowych [5].

W literaturze opisującej właściwości konstrukcji podłóg i posadzek można znaleźć dane dotyczące wymagań lub zaleceń związanych ciepłochłonnością posadzek (tabela 2 i 3) [6, 7]. W poradniku „Fizyka budowli (podstawy)” [5] podana jest klasyfikacja posadzek pod względem aktywności cieplnej (odczuć cieplnych) wyrażona wspłczynnikiem ciepłochłonności B. Odpowiednim zakresom wartości aktywności odpowiada rodzaj odczucia cieplnego: do 350 – ciepło; 350–700 – wystarczająco; 700–1400 – zbyt chłodno; powyżej 1400 – zimno.

Założenia i metodologię wyznaczania współczynnika ciepłochłonności posadzki b oraz wyniki jego obliczeń w odniesieniu do różnych rozwiązań materiałowych z zastosowaniem drewna na posadzce przytoczono w opracowaniu A. Ujmy [9].

Odmienną metodologię wyznaczania ciepłochłonności posadzki, wyrażonej parametrem B, można znaleźć w opracowaniu J. Řehánka [7]. Pierwszym krokiem procedury obliczeniowej jest wyznaczenie głębokości oddziaływania cieplnego konstrukcji podłogi na stykającą się z nią stopę. Z reguły rozpatrywane są trzy przypadki:

• podłoga jednowarstwowa, w odniesieniu do której spełniony będzie warunek:

gdzie:

d₁ – grubość pierwszej warstwy [m],

a₁ – współczynnik wyrównywania temperatury materiału pierwszej warstwy podłogi [m²/s];

wówczas współczynnik ciepłochłonności:

• podłoga dwuwarstwowa, w odniesieniu do której nie jest spełniony warunek jak dla podłogi jednowarstwowej, ale zostaje spełniony warunek:

wtedy na aktywność cieplną podłogi wpływają warstwy pierwsza i druga; wówczas współczynnik ciepłochłonności wynosi:

• podłoga trójwarstwowa, w odniesieniu do której nie jest spełniony warunek jak dla podłogi dwuwarstwowej, czyli:

wówczas współczynnik ciepłochłonności wynosi:

We wszystkich tych zależnościach:

K_1,2, K_1,2,3 – bezwymiarowe współczynniki określające wpływ warstwy drugiej na aktywność cieplną warstwy pierwszej oraz wpływ warstwy drugiej i trzeciej na aktywność cieplną warstwy pierwszej; wartości odczytywane z tablic [4];

– współczynniki ciepłochłonności materiału pierwszej i drugiej warstwy podłogi [W·s1/2/(m²·K)]; τ – obliczeniowy czas kontaktu stopy z podłogą, równy 720 s.

Aktywność cieplna różnych rodzajów posadzek

Do analizy aktywności cieplnej posadzek przeprowadzonej według zaprezentowanej metodologii przyjęto dziesięć różnych rodzajów drewna (tabela 4), z parametrami fizycznymi zaczerpniętymi z publikacji „Układanie parkietów…” [10], „Fizyka drewna…” [11] i „The Encyclopedia of Wood” [12]. W tabeli 4 zamieszczone zostały również parametry techniczne płytek ceramicznych, płyt marmurowych i innych materiałów zastosowanych w warstwach leżących pod posadzką. W odniesieniu do posadzek drewnianych przyjęto, że ułożone są na podkładzie betonowym o grubości 5 cm. Przyjęty do obliczeń przedział grubości warstwy drewnianej kształtował się na poziomie 5–30 mm. Grubość paneli drewnianych wynosiła od 6 do 14 mm, płytek ceramicznych od 6 do 30 mm, a płyt marmurowych od 15 do 45 mm.

Wyniki obliczeń współczynnika ciepłochłonności B posadzek drewnianych zamieszczono na rys. 2. Pomimo linii z wartościami współczynnika B dla różnych gatunków drewna zamieszczono również linię graniczną B_max1 = 348 W·s^1/2/(m²·K) dla posadzek w pomieszczeniach zaliczanych do pierwszej grupy o najwyższych wymaganiach cieplnych, B_max2 = 585 W·s^1/2/(m²·K), B_max3 = 845 W·s^1/2/(m²·K) dla podłóg w pomieszczeniach drugiej i trzeciej grupy (tabela 3).

Z obliczeń wynika, iż ciepłochłonność posadzek drewnianych wraz ze wzrostem grubości spada, co świadczy o słabnącej aktywności cieplnej tej konstrukcji. Czyli wraz ze wzrostem grubości warstwy drewnianej poprawiają się właściwości związane z przyswajaniem ciepła ze stopy człowieka przez konstrukcję podłogi. Z wykresu wynika również, iż aktywność cieplna konstrukcji posadzki drewnianej stabilizuje się na poziomie ok. 18 mm. Przy większych wartościach grubości warstwy drewnianej współczynnik ciepłochłonności utrzymuje się na stałym poziomie dla wszystkich rodzajów drewna. Wynik ten nieco odbiega od uzyskanego w obliczeniach zamieszczonych w opracowaniu A. Ujmy [9], gdzie stwierdzono, że współczynnik ciepłochłonności b przyjmuje stałą wartość przy grubości warstwy drewnianej posadzki na poziomie od 20 do 22 mm.

Najkorzystniejsze pod względem ciepłochłonności okazały się posadzki wykonane z drewna jodły, świerku, topoli; bardzo blisko tych rodzajów drewna sytuuje się również drewno świerka. Posadzki z tych rodzajów drewna ułożone na podkładzie betonowym przy grubościach powyżej 16 mm spełniają wymagania odnoszone do pierwszej grupy pomieszczeń. Inne rodzaje drewna pozwalają spełnić wymagania dla pomieszczeń z drugiej grupy przy grubościach warstwy drewnianej powyżej 10–14 mm.

Właściwości cieplne podłóg drewnianych porównano z parametrami, jakie uzyskują podłogi wykończone innymi materiałami (tabela 4), w tym: płytami marmurowymi i płytkami ceramicznymi ułożonymi na warstwie betonowej oraz panelami drewnianymi ułożonymi na piance polietylenowej i warstwie betonowej.

Porównanie ciepłochłonności analizowanych konstrukcji posadzek zaprezentowano na rys. 3. Z przebiegu linii B wynika, iż w konstrukcjach ciężkich posadzek wykończonych kamieniem naturalnym lub płytami ceramicznymi, w odróżnieniu od konstrukcji drewnianych następuje pogorszenie właściwości związanych z ciepłochłonnością wraz ze wzrostem grubości wierzchniej warstwy wykończeniowej. Aktywność cieplna takich posadzek rośnie, przy czym aktywniejsza w tym zakresie jest konstrukcja posadzki z płyt marmurowych. Konstrukcje te można zaliczyć do spełniających wymagania tylko w pomieszczeniach klasy czwartej (tabela 3).

Korzystnie natomiast wypadła w badaniach posadzka wykonana z paneli drewnianych ułożonych na piance polietylenowej o grubości 5 mm i warstwie betonowej o grubości 4 cm. Współczynnik B takiej posadzki okazał się niższy, co wskazuje na mniejsze zdolności do przyswajania ciepła niż w przypadku posadzki wykonanej w postaci parkietu z drewna dębowego.

Wnioski

1. Spośród parametrów charakteryzujących podłogi i posadzki można wyodrębnić dwie grupy: jedną związaną z procesami przenikania ciepła i stratami ciepła, drugą związaną z właściwościami ciepłochłonnymi.
2. Wraz ze wzrostem izolacyjności cieplnej radykalnie wzrasta wartość temperatury na powierzchni posadzek. Ma to istotne znaczenie w kształtowaniu się temperatury odczuwalnej i warunków zabezpieczających przed ryzykiem rozwoju pleśni i kondensacji powierzchniowej pary wodnej.
3. Z porównania aktywności cieplnej posadzek wykonanych z różnego rodzaju drewna wynikają pewne różnice pozwalające wskazać rodzaje drewna bardziej i mniej aktywne w tym zakresie.
4. Charakterystyczne okazuje się występowanie pewnej granicznej grubości warstwy drewnianej posadzki, podobnej dla różnych gatunków drewna, powyżej której właściwości związane z ciepłochłonnością stabilizują się.
5. Najkorzystniej pod względem analizowanej właściwości wypadają posadzki wykonane z gatunków drewna, które powszechnie nie jest wykorzystywane do wykonania posadzki, tj. drewna pozyskanego z jodły, świerka, topoli, sosny. Najmniej korzystnie wypadają z kolei posadzki wykonane z powszechnie stosowanego w tych konstrukcjach drewna dębowego czy bukowego.
6. W posadzkach wykończonych kamieniem naturalnym lub płytami ceramicznymi w odróżnieniu od konstrukcji drewnianych następuje pogorszenie właściwości związanych z ciepłochłonnością wraz ze wzrostem grubości warstwy wykończeniowej.
7. Posadzka wykonana z paneli drewnianych ułożonych na piance polietylenowej i warstwie betonowej uzyskała współczynnik B korzystniejszy niż posadzka w postaci parkietu z drewna dębowego.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2008 r. nr 201, poz. 1238, ze zm.).
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. Przenoszenie ciepła przez grunt. Metody obliczania”.
4. PN-EN ISO 13788:2003, „Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacji międzywarstwowej. Metody obliczania”.
5. „Budownictwo ogólne”, T. 2: „Fizyka budowli”, pod kierunkiem P. Klemma, Arkady, Warszawa 2007.
6. A.I. Jeremkin, T.I. Koroljewa, „Teplowoj reżim zdanij”, Izdalelstwo Assocjacji Stroitielnych Wuzow, Moskwa 2000.
7. J. Řehánek, „Tepelna akumulacje budov”, Informačni centrum ČKAIT, Praha 2002.
8. „Fizyka budowli (podstawy)”,www.muratorplus.pl/technika/izolacje/podstawy-fizykibudowli_ 59136.html.
9. A. Ujma, „Ciepłochłonność posadzek drewnianych”, IZOLACJE, nr 9/2009, s. 48–51.
10. P. Pióro, „Układanie parkietów na posadzkach z ogrzewaniem podłogowym”,www.lakiery.pl/parkiet_na_ogrzewaniu_podłogowym,p,38.html.
11. P. Kozakiewicz, „Fizyka drewna w teorii i zadaniach”, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2006.
12. „The Encyclopedia of Wood”, Forest Products Laboratory, US Dept of Agriculture, Skyhorse Publishing Inc., 2007.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!