Projektowanie przegród budowlanych - zjawiska cieplno-wilgotnościowe

Przegrody zewnętrzne budynków można podzielić na przegrody pełne, czyli nieprzezroczyste, nieprzepuszczające bezpośrednio promieniowania cieplnego, oraz przegrody przezroczyste, w których część konstrukcji wykonana jest z materiałów przepuszczających promieniowanie.

Z powodu istotnej różnicy w przebiegu procesów wymiany ciepła w tych dwóch konstrukcjach różne są także stawiane im wymagania i metody wyznaczania izolacyjności cieplnej. Również podejście do zagadnienia zjawisk wilgotnościowych związanych z funkcjonowaniem tych konstrukcji nie jest takie samo: w konstrukcjach pełnych rozpatruje się zjawiska związane z warunkami wilgotnościowymi kształtującymi się na powierzchni przegrody i w jej wnętrzu, w przegrodach przezroczystych natomiast mogą być analizowane właściwie jedynie warunki wilgotnościowe na powierzchni.

Współczynnik przenikania ciepła

Podstawowym parametrem określającym właściwości izolacyjne przegrody budowlanej jest współczynnik przenikania ciepła.

Wartość tego parametru podaje się w projekcie nowo projektowanego budynku (jest to jeden z elementów charakterystyki energetycznej budynku) w celu wykazania zgodności z aktualnymi przepisami budowlanymi – rozporządzeniem w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1].

Bardzo ważne jest, aby współczynnik ten został poprawnie określony, a następnie odpowiednio zastosowany przy obliczaniu wskaźników zapotrzebowania na energię użytkową i końcową na potrzeby ogrzewania oraz zapotrzebowania na energię pierwotną EP. Przekłada się to bowiem na koszty eksploatacyjne obiektu, a także na inne właściwości, takie jak wskaźniki ekologiczne (oceniające oddziaływanie na środowisko naturalne) czy odczucie komfortu cieplnego użytkowników budynku.

W związku z poszukiwaniem różnych sposobów ograniczenia zużycia energii w gospodarce krajowej, ograniczenia zanieczyszczenia środowiska produktami spalania podczas produkcji energii oraz podnoszenia efektywności energetycznej gospodarki wprowadzane są przepisy zaostrzające parametry energetyczne, jakimi powinny charakteryzować się budynki. Mają one zachęcać do podejmowania działań zmierzających do poszanowania energii.

Na najbliższe lata planowane są kolejne zmiany przepisów dotyczących wymagań budowlanych, m.in. w zakresie dopuszczalnej wartości współczynnika przenikania ciepła przegród budowlanych (rys. 1). W planowanej nowelizacji rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, która wejdzie w życie w 2013 r. [2], ma być wyraźnie zaznaczone, iż wymóg spełnienia odpowiedniego poziomu izolacyjności cieplnej dotyczy skorygowanej wartości współczynnika przenikania ciepła, czyli parametru oznaczonego symbolem U_C.

Zasady wyznaczania wartości współczynnika przenikania ciepła przegród budowlanych (z wyjątkiem stolarki budowlanej i przegród stykających się z gruntem) podano w normie PN-EN ISO 6946:2008 [3]. Zamieszczono w niej metodologię wyznaczania oporu cieplnego i współczynnika przenikania ciepła przegród o jednorodnym i niejednorodnym układzie konstrukcyjnym oraz skorygowanej wartości współczynnika przenikania ciepła, czyli parametru U_C.

W obliczaniu skorygowanej wartości współczynnika przenikania ciepła UC należy stosować poprawki uwzględniające:

• pustki powietrzne, a właściwie nieszczelności w warstwie izolacji cieplnej, oznaczone symbolem ΔU_g,
• łączniki mechaniczne (metalowe) przebijające warstwę izolacji cieplnej, oznaczone symbolem ΔU_f,
• nieszczelności w warstwie izolacji cieplnej dachów o odwróconym układzie warstw, oznaczone symbolem ΔU_r.

Zgodnie z wytycznymi ETAG 004:2008 [4] w systemach ocieplania ETICS należy uwzględniać wpływ łączników mechanicznych z trzpieniami metalowymi (tworzących punktowe mostki cieplne) oraz profili (np. listew startowych) na wartość współczynnika przenikania ciepła ocieplanej przegrody budowlanej U_C, według wzoru:

U_C = U + ΔU,

gdzie:

U_C – skorygowana wartość współczynnika przenikania ciepła [W/(m²·K)],

U – współczynnik przenikania ciepła uwzględniający opór cieplny warstw ocieplonej przegrody [W/(m²·K)], obliczany według wzoru:

gdzie:

R_ETICS – opór cieplny systemu ETICS [(m²·K)/W],

R_substrate – opór cieplny podłoża (przegrody bez warstwy ocieplenia [(m²·K)/W],

R_si, R_se – opory przejmowania ciepła od strony wnętrza (_si) i z zewnątrz (_se) [(m²·K)/W],

ΔU – poprawka do współczynnika przenikania ciepła uwzględniająca wpływ mostków cieplnych punktowych (od łączników z trzpieniami metalowymi) i mostków cieplnych liniowych (listew, profili metalowych), obliczana według wzoru:

ΔU = χ_p · n + ψ_i · l_i,

gdzie:

χ_p – współczynnik przenikania ciepła punktowego mostka cieplnego od łącznika mechanicznego [W/K] – do obliczeń proponuje się przyjmować następujące wartości:

• 0,002 [W/K] – w odniesieniu do łączników ze stali nierdzewnej z główką z tworzywa i łączników ze szczeliną powietrzną przy główce,
• 0,004 [W/K] – w odniesieniu do łączników ze stali galwanizowanej z główką pokrytą tworzywem,
• 0,008 [W/K] – w odniesieniu do pozostałych łączników metalowych,

n – liczba łączników mechanicznych przypadających na 1 m² przegrody,

ψ_i – współczynnik przenikania ciepła i-tego liniowego mostka cieplnego od listew, profili [W/(m·K)] (może być określony na podstawie obliczeń zgodnych z normą PN-EN ISO 10211:2008 [5]),

l_i – długość i-tego liniowego mostka cieplnego (listew, profili) przypadającego na 1 m² przegrody [m].

Z kolei według normy PN-EN ISO 6946:2008 [3] wpływ łączników mechanicznych w skorygowanej wartości współczynnika przenikania ciepła U_C można uwzględnić poprawką ΔU_f według jednej z dwóch zależności.

Pierwsza (szczegółowa) jest podobna do podanej w wytycznych ETAG 004:2008 [4] – zaleca się w niej stosowanie współczynnika przenikania ciepła punktowego mostka cieplnego χ, który musi być określony dokładnie na podstawie obliczeń według metodologii z normy PN-EN ISO 10211:2008 [5].

Według drugiej (przybliżonej) poprawka może być stosowana wówczas, gdy łączniki nie są uwzględnione innymi metodami. W normie PN-EN ISO 6946:2008 [3] podano, że poprawkę należy stosować w odniesieniu do kotew ściennych w murach wielowarstwowych, łączników dachowych lub łączników w złożonych systemach paneli.

Nie wymieniono natomiast systemów ETICS, co należy uznać za niedopatrzenie autorów normy, gdyż oczywiste jest, że przypadek z zastosowaniem łączników dachowych jest identyczny jak w wypadku łączników ściennych w systemach ETICS. Jedyną różnicą jest to, że pierwsze mocowane są pionowo, a drugie – poziomo.

W normie PN-EN ISO 6946:2008 [3] podano, że nie należy stosować poprawki ΔU_f w odniesieniu do łączników wykonanych z materiału o wartości współczynnika przewodzenia ciepła mniejszej niż 1 [W/(m·K)]. Wynika z tego, że nie trzeba jej uwzględniać wówczas, gdy łączniki wykonane są z tworzywa sztucznego, należy natomiast – kiedy łączniki wykonane są z metalu.

Łączniki metalowe w systemach ETICS stosowane są głównie w ociepleniach z ciężkimi materiałami izolacyjnymi, np. wełną mineralną. Powinny być stosowane również do mocowania ocieplenia ze styropianu wówczas, gdy podłoże nie zapewnia odpowiedniej nośności dla kleju, przy montażu dodatkowego docieplenia na już istniejącym, a także na obszarach, na których występuje duże obciążenie wiatrem (ssanie wiatru).

Poprawkę ΔU_f (określoną w sposób przybliżony) oblicza się według wzoru:

gdzie:

α = 0,8 – jeżeli łącznik całkowicie przebija warstwę izolacji;

α = 0,8·d₁/d₀ – jeżeli łącznik wpuszczono w izolację, czyli częściowo przebija izolację (w części jej grubości);

λ_f – współczynnik przewodzenia ciepła materiału łącznika [W/(m·K)];

n_f – liczba łączników na 1 m²;

A_f – pole przekroju poprzecznego jednego łącznika [m²];

d₀ – grubość warstwy izolacji cieplnej z łącznikiem [m];

d₁ – długość łącznika przechodzącego przez izolację cieplną [m];

R₁ – opór cieplny warstwy izolacji cieplnej przebitej przez łącznik [(m²·K)/W];

R_T,h – opór cieplny komponentu (przegrody) z pominięciem wpływu mostków cieplnych [(m²·K)/W].

Wpływ punktowych mostków cieplnych na wartość współczynnika przenikania ciepła

Porównanie dwóch sposobów uwzględniania w obliczeniach współczynnika przenikania ciepła punktowych mostków cieplnych według normy PN-EN ISO 6946:2008 [3] i wytycznych ETAG 004:2008 [3] wykazuje możliwość wystąpienia istotnych rozbieżności w rezultatach obliczeń.

Przykładowe obliczenia wykonano w odniesieniu do muru gr. 24 cm wykonanego z betonu komórkowego o wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ = 0,135 [W/(m·K)]. Mur ocieplono izolacją o wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ = 0,04 [W/(m·K)] i o zmieniającej się grubości od 10 cm do 30 cm. Od strony wnętrza i z zewnątrz zastosowano tynk cienkowarstwowy o oporze cieplnym R = 0,02 [(m²·K)/W]. 

Izolacja cieplna została zamocowana za pomocą 6 stalowych łączników mechanicznych (o średnicy 5 mm) na 1 m² przegrody. Wartość współczynnika przewodzenia ciepła łączników przyjęto jak dla stali, czyli λ = 50 [W/(m·K)]. Przypisano wartość współczynnika punktowego mostka cieplnego według wytycznych ETAG 004:2008 [4], a zatem χp = 0,004 [W/K].

Z obliczeń zgodnie z założeniami normy PN-EN ISO 6946:2008 [3] (rys. 2) wynika, że wraz ze wzrostem grubości izolacji cieplnej następuje spadek wartości poprawki ΔU_f. W wypadku wytycznych ETAG 004:2008 [4] natomiast wartość ta jest stała, niezależna od grubości izolacji. Przy izolacji o gr. 30 cm różnica jest znacząca: zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:2008 [3] poprawka wynosi 0,010 [W/(m²·K)], a zgodnie z wytycznymi ETAG 004:2008 [4] – 0,024 [W/(m²·K)]. Wprawdzie bezwzględne wartości poprawek są niewielkie, przekraczają jednak dopuszczalne 3% wartości współczynnika U, które zgodnie z wytycznymi normy PN-EN ISO 6946:2008 [3] należy uwzględniać w obliczeniach.

Porównanie zależności skorygowanej wartości współczynnika przenikania ciepła UC analizowanej przegrody przy założeniu trzech wartości współczynnika przenikania ciepła punktowego mostka cieplnego χ_p zgodnie w wytycznymi ETAG 004:2008 [4] i według normy PN­‑EN ISO 6946:2008 [3] (rys. 3) wykazuje zbieżność krzywej normowej z krzywą współczynnika χ_p = 0,002 W/K. 

Trudno jednakże mówić o poprawnej zbieżności uzyskanych wyników, gdyż, jak podają wytyczne ETAG 004:2008 [4], poprawka ta może być stosowana w odniesieniu do łączników wykonanych ze stali nierdzewnej, a taka stal ma znacznie niższą wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ niż inne gatunki, tj. λ = 17 [W/(m·K)]. W analizowanym przypadku do obliczeń według normy PN-EN ISO 6946:2008 [3] przyjęto dla stali współczynnik λ = 50 [W/(m·K)].

Zgodnie z wytycznymi ETAG 004:2008 [4] tego typu łącznikom można przyporządkować współczynnik χp równy 0,004 [W/K], ale, jak już wcześniej zaznaczono, przyjęcie stałej wartości współczynnika χp, niezależnie od grubości warstwy izolacji cieplnej przebitej łącznikiem, nie odzwierciedla fizyki procesu przepływu ciepła i może skutkować dużą niedokładnością obliczeń.

Jak znaczący może być udział procentowy współczynników punktowych mostków cieplnych w skorygowanej wartości współczynnika UC, ilustruje wykres zamieszony na rys. 4. W odniesieniu do przyjętego w obliczeniach przykładowego rozwiązania konstrukcyjnego i przedziału grubości izolacji cieplnej wynik obliczeń według normy PN-EN ISO 6946:2008 [3] kształtuje się w przedziale 6,2–8,5%. Przy przyjętych według wytycznych projektu rozporządzenia zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [2], wartościach współczynników χ_p = 0,004 [W/K] i χ_p = 0,008 [W/K] jest natomiast znacznie większy i może dochodzić nawet do 18,5% i 31,3% w odniesieniu do warstwy izolacji cieplnej gr. 30 cm.

Krytyczna wilgotność powierzchniowa

Aby określić warunki wilgotnościowe na powierzchni przegrody budowlanej, nie wystarczy sprawdzić, czy temperatura na powierzchni przegrody θ_si jest wyższa niż temperatura punktu rosy powietrza dp w pomieszczeniu. 

Znaczne obniżenie temperatury powierzchni przegrody może bowiem doprowadzić do zabrudzenia powierzchni wskutek gromadzenia się kurzu, powstania pleśni i rozwoju niepożądanej mikroflory, niszczenia warstw i powłok wykończeniowych, a w rezultacie do złożonych procesów korozyjnych i pogorszenia izolacyjności cieplnej przegrody z powodu wzrostu wilgotności materiałów warstw wykończeniowych.

Zasady zabezpieczenia konstrukcji przed nadmiernym zawilgoceniem podano w normie PN­‑EN ISO 13788:2003 [6]. Warunki wilgotnościowe na powierzchni przegrody należy sprawdzać przez wyznaczenie projektowanej wartości współczynnika temperaturowego fRsi,min. (mniejszej niż wartość dopuszczalna) odpowiednio w odniesieniu do dwóch przypadków:

• konstrukcji lekkich o gęstości materiałów < 150 kg/m³, dla których krytyczną wilgotnością powietrza θ_{si maks.} przy powierzchni przegrody jest wilgotność 100% – ocena ryzyka kondesacji powierzchniowej;
• konstrukcji ciężkich o gęstości materiałów > 150 kg/m³ (materiały o budowie kapilarno-porowatej, np. wyroby ceramiczne, wapienno-piaskowe, betony kruszywowe i komórkowe, gipsy i zaprawy, charakteryzujące się dużą bezwładnością cieplno-wilgotnościową, w których może zachodzić zjawisko tzw. zawilgocenia sorpcyjnego) i dla których krytyczną wilgotnością powietrza θ_{si maks}. przy powierzchni przegrody jest wilgotność 80% – ocena ryzyka rozwoju pleśni.

W pierwszym przypadku obliczenia wykonuje się przy założeniu średnich rocznych warunków temperaturowo-wilgotnościowych powietrza. W drugim – średnich miesięcznych, na podstawie których wyznaczany jest miesiąc krytyczny (z najbardziej niekorzystnymi warunkami). W odniesieniu do tego okresu sprawdzana jest wartość współczynnika temperaturowego.

W rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych [1] znajduje się również zapis, że w pomieszczeniach ogrzewanych do temperatury co najmniej 20°C w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej, przy założeniu, że średnia miesięczna wartość wilgotności względnej powietrza wewnętrznego jest równa Φi = 50%, dopuszczalna wartość współczynnika temperaturowego f_{Rsi dop.} = 0,72.

Według rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [1] wartość współczynnika temperaturowego mostków cieplnych należy sprawdzać metodą szczegółową za pomocą obliczenia strumieni cieplnych i temperatury powierzchniowej przy zastosowaniu przestrzennych modeli rozwiązań konstrukcyjnych przegród budowlanych lub metodą uproszczoną z wykorzystaniem katalogów mostków cieplnych.

Kondensacja międzywarstwowa

Innym punktem oceny warunków wilgotnościowych panujących we wnętrzu przegrody są procesy związane z dyfuzją pary wodnej, sorpcją wilgoci przez materiał przegrody, kondensacją pary wodnej w jej wnętrzu, podciąganiem kapilarnym kondensatu i odparowaniem wilgoci. 

W normie PN­‑EN ISO 13788:2003 [6], opisującej zasady sprawdzania przegrody budowlanej pod względem przebiegu tych procesów, mowa jest jedynie o kondensacji międzywarstwowej i wysychaniu kondensatu.

Metodologia obliczeń warunków wilgotnościowych kształtujących się we wnętrzu przegrody budowlanej polega na ocenie przebiegu dwóch linii ciśnień cząstkowych pary wodnej: pary wodnej nasyconej psat i pary wodnej rzeczywistej p. Porównanie przebiegu tych linii wykonuje się w skali parametru charakteryzującego możliwości dyfuzji pary wodnej przez poszczególne warstwy i powłoki przegrody budowlanej, tj. dyfuzyjnie równoważnej grubości warstwy powietrznej sd poszczególnych warstw i całego układu konstrukcyjnego. Obliczenia wykonywane są w odniesieniu do poszczególnych miesięcy, przy założeniu średnich miesięcznych parametrów temperaturowo-wilgotnościowych powietrza na zewnątrz budynku.

Według rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [1] dopuszcza się występowanie kondesacji pary wodnej we wnętrzu przegrody zimą, jeśli układ konstrukcyjny umożliwia odparowanie kondensatu latem i nie zachodzi przy tym destrukcja materiałów budowlanych przegrody w wyniku kondensacji. W tej kwestii przepisy dopuszczają, że zimą przegroda może mieć gorszą izolacyjność cieplną, niż to zostało określone przy wyznaczaniu współczynnika przenikania ciepła. 

Można zakładać, że izolacyjność cieplna przegrody budowlanej niejednokrotnie przekroczy wtedy wartość dopuszczalną. Przełoży się to na zwiększenie zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania i wzrost wskaźnika EP. Ponadto brakuje danych świadczących o tym, jak wielokrotny proces zawilgocenia i wysychania materiałów budowlanych zmienia ich parametry techniczne, w szczególności przewodność cieplną. 

Trudno także dotrzeć do informacji o skali potencjalnej destrukcji materiałów budowlanych w wyniku wymienionych wcześniej procesów fizycznych. W związku z tym najkorzystniej jest przeprowadzić cały proces projektowania i sprawdzenia procesu dyfuzji pary wodnej, tak aby w całym roku (przy założeniu standardowych warunków klimatycznych) nie występowała kondesacja pary wodnej. 

Obecne możliwości dostępu do różnych materiałów budowlanych (np. powłok parochronnych, paroprzepuszczalnych i innych rozwiązań technicznych) dają praktycznie nieograniczone możliwości takiego kształtowania układów konstrukcyjnych, by przegroda budowlana była zabezpieczona przed tym bardzo niekorzystnym procesem fizycznym.

Podstawowe sposoby zabezpieczania przegrody przed wewnętrzną kondensacją pary wodnej to:

• zwiększenie oporu cieplnego R za strefą kondensacji, czyli na odcinku od strefy kondensacji w kierunku powierzchni zewnętrznej (ew. zmniejszenie oporu cieplnego przed strefą kondensacji, co jest mniej korzystne ze względu na równoczesne pogorszenie parametrów izolacyjnych);
• zwiększenie oporu dyfuzyjnego sd przed strefą kondensacji, czyli na odcinku od powierzchni wewnętrznej do strefy kondensacji;
• zmniejszenie oporu dyfuzyjnego sd za strefą kondensacji, czyli na odcinku od strefy kondensacji w kierunku powierzchni zewnętrznej;
• zastosowanie szczeliny – warstwy powietrznej wentylowanej, która przejmuje od części zewnętrznej przegrody (charakteryzującej się zbyt dużym oporem dyfuzyjnym), zadanie odprowadzenia na zewnątrz przegrody pary wodnej.

PODSUMOWANIE

Zjawiska cieplno-wilgotnościowe zachodzące w przegrodach budowlanych wpływają na efektywność energetyczną budynku i odczucie komfortu cieplnego jego użytkowników, dlatego m.in. regulowane są odpowiednimi dokumentami odniesienia. 

Najważniejszym parametrem określającym właściwości izolacyjne przegrody budowlanej jest współczynnik przenikania ciepła U. W projekcie zmiany rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2], uściślono, że wartość tego współczynnika ma być korygowana o poprawki uwzględniające pustki powietrzne w warstwie izolacji, łączniki mechaniczne przechodzące przez warstwę izolacyjną oraz opady na dach o odwróconym układzie warstw, obliczone zgodnie z polskimi normami.

Oprócz określenia wartości współczynnika przenikania ciepła innym ważnym zagadnieniem w projektowaniu przegród budowlanych jest zapewnienie poprawnego przebiegu procesów wilgotnościowych na powierzchni i wewnątrz przegrody. Można to uzyskać dzięki odpowiednim obliczeniom i dobraniu takiego układu konstrukcyjnego, by procesy związane z przenoszeniem wilgoci w postaci pary wodnej docierającej do powierzchni przegrody i w nią wnikającej nie doprowadzały do procesów destrukcji przegrody i nie podwyższały strat ciepła.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690 ze zm.).
2. Projekt rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
3. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
4. ETAG 004:2008, „Złożone systemy izolacji cieplnej z wyprawami tynkarskimi ETICS”.
5. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
6. PN-EN ISO 13788:2003, „Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacja międzywarstwowa”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!