Ściany zewnętrzne w budynkach o obniżonym zapotrzebowaniu na energię

Zgodnie z Dyrektywą Parlamentu Europejskiego 2010/31/UE [1] do 31 grudnia 2020 r. wszystkie nowe budynki wznoszone w państwach członkowskich Unii Europejskiej mają być budynkami o niemal zerowym zużyciu energii. Trwają więc prace nad obiektami o obniżonym zapotrzebowaniu energetycznym w stosunku do typowych konstrukcji nowo powstających.

Klasyfikacja budynków pod kątem standardu energetycznego

Jest wiele sposobów klasyfikacji budynków w zależności od zapotrzebowania na ciepło w okresie eksploatacji. Zgodnie z ogólnym podziałem wyróżnia się budynki typowe, energooszczędne i pasywne (rys. 1).

Budynki typowe

Budynki te projektowane są zgodnie z zapisami rozporządzenia ministra infrastruktury zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (WT 2008) [3]. Charakteryzują się sezonowym wskaźnikiem zapotrzebowania na energię do ogrzewania na poziomie 110–130 kWh/(m²·rok). Wskaźnik ten uwzględnia straty ciepła przez obudowę budynku, straty ciepła na ogrzanie powietrza wentylacyjnego, zyski ciepła pochodzące od promieniowania słonecznego oraz wewnętrzne zyski ciepła od urządzeń elektrycznych i procesów bytowych (prania, gotowania itp.). W obliczeniach nie bierze się pod uwagę sprawności systemów grzewczych ani nakładów związanych z dostarczeniem energii do budynku.

Budynki energooszczędne

Terminem tym określa się najczęściej obiekty, których roczne zużycie energii na potrzeby ogrzewania jest co najmniej o połowę niższe niż typowych budynków nowo projektowanych. Nazwa pochodzi z angielskiego („low energy houses”) i powstała w latach 80. XX w. w Kanadzie i Szwecji. W odniesieniu do tamtejszych standardów wiązała się ze wskaźnikiem zapotrzebowania na ciepło nieprzekraczającym 70 kWh/m²·rok (w wypadku domów jednorodzinnych) lub 55 kWh/m²·rok (w wypadku budynków wielorodzinnych) [4]. Taki poziom energochłonności można uzyskać dzięki wykorzystaniu tradycyjnych technologii, odpowiedniej izolacyjności obudowy i przemyślanemu projektowaniu systemów instalacyjnych.

Termin „budownictwo energooszczędne” nie jest zbyt ścisły i budzi zastrzeżenia wielu specjalistów, jednak ze względu na intuicyjne rozumienie jest powszechnie stosowany.

Budynki pasywne

To pojęcie zostało sformułowane w trakcie realizacji programu badawczego CEPHEUS (Cost Efficient Passive Houses as European Standard) zapoczątkowanego w 1998 r. pod patronatem Passivhaus Institutu w Darmstadt. W ramach tego programu wykonano w Niemczech, Austrii, Szwajcarii, we Francji i w Szwecji 14 typów budynków o wysokim standardzie energetycznym z wykorzystaniem ogólnodostępnych materiałów budowlanych. Doświadczenia badawcze programu pozwoliły na zdefiniowanie domu pasywnego jako budynku, w którym zarówno zimą, jak i latem zapewniony jest komfortowy klimat wewnętrzny bez tradycyjnego systemu grzewczego. Jest to możliwe, jeżeli roczne zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania nie przekracza 15 kWh/(m²·rok) - w takiej sytuacji funkcje systemu grzewczego może przejąć system wentylacyjny z nagrzewnicą powietrza [5]. Aby ograniczyć zapotrzebowanie na ciepło w tak dużym stopniu, poza bardzo wysokim poziomem ochrony termicznej konieczne jest świadome wykorzystanie energii słonecznej i innych niekonwencjonalnych źródeł energii.

Zalecenia dotyczące przegród zewnętrznych w budynkach o różnym standardzie energetycznym

Wymagania dotyczące izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych w odniesieniu do typowych budynków nowo powstających zawarte są w rozporządzeniu zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [3]. Wymogi odnośnie do projektowania obiektów o obniżonym zapotrzebowaniu na energię nie są natomiast w Polsce sformułowane w żadnych przepisach. Projektanci mogą się kierować jedynie zaleceniami zawartymi w kilku publikacjach [2, 6, 7], a sformułowanymi na podstawie doświadczeń w krajach wdrażających od dłuższego czasu systemy budownictwa energooszczędnego.

Wartość izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych w budynkach typowych oraz obiektach o obniżonym zapotrzebowaniu na energię przedstawiono w tabeli 1.

W budynkach o obniżonym zapotrzebowaniu na energię dodatkowo ogranicza się wielkość liniowego współczynnika przenikania ciepła w miejscu mostków termicznych Ψ, która (obliczona względem wymiarów zewnętrznych przegrody) nie może przekraczać 0,01 W/(m·K) [6]. Oznacza to konieczność indywidualnego projektowania węzłów łączących główne elementy konstrukcyjne.

Przykładowe rozwiązania ścian zewnętrznych w budynkach o obniżonym zapotrzebowaniu na energię

Projektowanie budynków o obniżonym zapotrzebowaniu na energię nie wiąże się z koniecznością zastosowania określonej technologii – rodzaj przegród zewnętrznych w dużej mierze zależy od tradycji lokalnych i dostępnych materiałów. W budynkach pasywnych wzniesionych w ramach programu CEPHEUS ściany wykonywane były w bardzo zróżnicowany sposób (tabela 2). Stosowano zarówno tradycyjne przegrody z masywną warstwą wewnętrzną i ociepleniem mocowanym na zewnątrz, jak i lekkie drewniane konstrukcje szkieletowe z wewnętrznym wypełnieniem izolacją cieplną. Niektóre rozwiązania, np. metoda klejowego mocowania okładziny zewnętrznej bez naruszenia ciągłości izolacji cieplnej w budynku pasywnym w Egg, zostały opracowane specjalnie na potrzeby projektu i opatentowane jako oryginalny wzór ­użytkowy. Przegrody te charakteryzowały się wartościami współczynnika przenikania ciepła U wynoszącymi od 0,09 W/(m²·K) do 0,16 W/(m²·K), a poziom zapotrzebowania na energię pozwolił zaliczyć większość obiektów do budynków pasywnych.

Możliwości obniżenia wartości współczynnika przenikania ciepła

W Polsce przeważająca część budynków zbudowana jest z przegród warstwowych o masywnej części konstrukcyjnej (murowanej lub żelbetowej) ocieplonej od zewnątrz. Grubość izolacji termicznej, sposób jej mocowania oraz połączenie elementów konstrukcyjnych (ścian, stropów, okien) decydują o wypadkowej izolacyjności cieplnej.

Poniżej przedstawiono podstawowe technologie wykonywania ścian zewnętrznych o murowanej konstrukcji nośnej. Założono, że przegrody wykonane są z powszechnie dostępnych materiałów, które mają typowe parametry izolacyjności termicznej i ceny przystępne dla przeciętnego inwestora.

Ściany trójwarstwowe (szczelinowe)

Mury szczelinowe składają się z dwóch warstw murowanych – wewnętrznej konstrukcyjnej i zewnętrznej elewacyjnej (rys. 2). Warstwy te oddzielone są szczeliną wypełnianą w całości lub częściowo materiałem izolującym termicznie. Maksymalna szerokość szczeliny podana w aprobacie technicznej ITB 341/96 [8] wynosi 150 mm. Obie warstwy murowe połączone są kotwami ze stali zabezpieczonej antykorozyjnie w liczbie co najmniej 4 szt./m². Zadaniem kotew jest zapewnienie stateczności warstwy elewacyjnej podczas parcia lub ssania wiatru oddziałującego na elewację. Kotwy są elementem niezbędnym konstrukcyjnie, ale ze względu na wysoką wartość współczynnika przewodzenia ciepła stali tworzą w przegrodzie punktowe mostki termiczne.

Na rys. 3 przedstawiono izolacyjność cieplną przykładowych ścian trójwarstwowych w zależności od grubości ocieplenia. Materiał tworzący warstwę ­konstrukcyjną to cegła silikatowa, cegła kratówka lub gazobeton o wartości współczynnika l odpowiednio: 0,90, 0,56 i 0,25 W/(m·K). Warstwa elewacyjna wykonana jest z cegły kratówki. Jako izolację cieplną przyjęto materiał o wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ = 0,043 W/(m·K) i o grubości nieprzekraczającej 150 mm. W obliczeniach uwzględniono punktowe mostki cieplne w miejscach kotew stalowych zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:2008 [9].

W ścianach szczelinowych materiał zastosowany w części konstrukcyjnej ma dość istotny wpływ na izolacyjność cieplną, a różnica między skrajnymi współczynnikami przenikania ciepła w odniesieniu do izolacji o maksymalnej grubości wynosi 15%. Wymaganą izolacyjność przegrody zgodną z rozporządzeniem zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [3] można uzyskać dzięki ociepleniu o gr. 100, 120 lub 130 mm, jeżeli część konstrukcyjna wykonana jest odpowiednio z: gazobetonu, cegły kratówki lub cegły silikatowej.

Ściany trójwarstwowe należy więc uznać za konstrukcje niezalecane do budynków o obniżonym zapotrzebowaniu na energię – z wykorzystaniem tradycyjnych materiałów budowlanych trudno jest uzyskać współczynnik przenikania ciepła U niższy niż 0,20 W/(m²·K). Wynika to z ograniczonej szerokości szczeliny, która warunkuje stosunkowo niewielkie grubości izolacji cieplnej.

Ściany murowane ocieplone w systemie ETICS

W tym systemie wewnętrzną częścią przegrody jest murowana ściana jednowarstwowa o grubości określonej ze względu na nośność. Od strony zewnętrznej stosuje się ocieplenie mocowane za pomocą zaprawy i dodatkowo kotwione łącznikami mechanicznymi ze stali lub tworzyw sztucznych (co najmniej 4 szt./m² w wypadku styropianu i 6 szt./m² w wypadku wełny mineralnej) (rys. 4). Zadaniem łączników jest przenoszenie oddziaływań wiatru. Mocowanie wyłącznie za pomocą kleju można stosować jedynie na budynkach o wysokości do 12 m ocieplanych styropianem, które mają odpowiednio pewne podłoże. Dopuszczalne grubości izolacji w odniesieniu do większości systemów nie przekraczają 200 mm w wypadku dociepleń przy użyciu wełny mineralnej i 250 mm – dociepleń przy użyciu styropianu. Przegroda od strony zewnętrznej jest wykańczana cienkowarstwowym tynkiem zbrojonym siatką z włókna szklanego.Ogólne warunki wykonania ocieplenia zawarte są w instrukcjach ITB 418/2006 i 447/2009 [10, 11].

Na rys. 5 przedstawiono izolacyjność cieplną przykładowych ścian w zależności od grubości ocieplenia. Materiały tworzące warstwę konstrukcyjną i izolację termiczną przyjęto jak w poprzednim przykładzie, przy czym założono, że grubość ocieplenia nie przekracza 250 mm. Aby zminimalizować wpływ mostków termicznych, zastosowano łączniki stalowe z główką z tworzywa sztucznego, charakteryzujące się punktowym współczynnikiem przenikania ciepła Χ = 0,001 W/K.

Na podstawie prezentowanych wykresów można zauważyć, że w wypadku większych grubości ocieplenia maleje wpływ rodzaju materiału użytego do wykonania ściany konstrukcyjnej na izolacyjność cieplną przegrody – różnice między wynikami obliczeń w odniesieniu do maksymalnej grubości ocieplenia wynoszą 9%. Współczynniki przenikania zalecane dla budynków energooszczędnych uzyskano przy grubościach izolacji przekraczających 180 mm w wypadku ścian z gazobetonu. Dla pozostałych materiałów konieczna jest grubość ocieplenia wynosząca co najmniej 200 mm. Słabym punktem systemu są kotwy mocujące izolację termiczną – zastosowanie tradycyjnych łączników z trzpieniem metalowym zwiększyło współczynnik przenikania ciepła U w analizowanych przykładach o 7–9%.

Ściany murowane ocieplone metodą lekką-suchą

W metodzie lekkiej-suchej ocieplenie i warstwa elewacyjna mocowane są mechanicznie bez użycia procesów mokrych (rys. 6). Jako izolacja wykorzystywana jest przede wszystkim wełna mineralna, którą układa się między metalowym lub drewnianym rusztem służącym do zamocowania okładziny elewacyjnej. W systemie tym nie ma ograniczeń związanych z grubością ociepleń. Zaleca się jednak, aby podzielić je na mniejsze warstwy i ruszt układać naprzemiennie poziomo i pionowo. Takie rozwiązanie pozwala zminimalizować liniowe mostki termiczne powstające w miejscu listew lub kształtowników rusztu.

Na rys. 7 przedstawiono izolacyjność cieplną przykładowych ścian w zależności od grubości ocieplenia. Materiały tworzące warstwę konstrukcyjną i izolację cieplną przyjęto według schematu na rys. 6. W obliczeniach uwzględniono krzyżujący się ruszt drewniany pogarszający izolacyjność cieplną przegrody.

Wartości współczynnika przenikania ciepła U zalecane dla budynków energooszczędnych uzyskano w odniesieniu do grubości ocieplenia rzędu 200–220 mm, a w wypadku budynków pasywnych – powyżej 300 mm. W wypadku ociepleń przekraczających gr. 400 mm rodzaj materiału w części konstrukcyjnej ściany nie ma już istotnego wpływu na izolacyjność przegrody. Zaletą systemu jest brak ograniczeń grubości ocieplenia. Przy większych grubościach izolacji tradycyjny ruszt można zastąpić np. kompozytowymi belkami drewnianymi o kształcie dwuteowym lub skrzynkowym, co stosowano w przykładowych rozwiązaniach ścian budynków pasywnych przedstawionych w TABELI 2. Należy jednak pamiętać, że elementy rusztu drewnianego lub metalowego będą częścią konstrukcji o zwiększonym przepływie ciepła i będą negatywnie wpływać na wypadkową izolacyjność.

Podsumowanie

Uzyskanie wartości współczynnika przenikania ciepła U zalecanych w budynkach o obniżonym zapotrzebowaniu na energię w wypadku ścian murowanych wiąże się z koniecznością zastosowania izolacji termicznej o grubości przekraczającej 200 mm (w budynkach energooszczędnych) i 300 mm (w budynkach pasywnych). Tak duże grubości ociepleń mogą powodować pewne problemy z ich mocowaniem – np. brak odpowiednio długich kotew czy pogorszenie izolacyjności cieplnej związane z dużymi przekrojami rusztu nośnego. Budownictwo energooszczędne jest jednak przedmiotem zainteresowania nie tylko inwestorów, lecz także producentów, można więc oczekiwać, że wybór specjalistycznych wyrobów budowlanych przeznaczonych do tego typu obiektów na rynku będzie się zwiększał.

Należy pamiętać, że izolacyjność cieplna przegród zewnętrznych nie jest jedynym czynnikiem decydującym o energochłonności eksploatacyjnej.

Równie istotny jest kształt budynku, rozplanowanie pomieszczeń, rozwiązania węzłów konstrukcyjnych, systemy instalacyjne oraz możliwości wykorzystania niekonwencjonalnych źródeł energii. Ostatecznym kryterium pozwalającym zaliczyć obiekt do grupy energooszczędnych lub pasywnych jest zapotrzebowanie na energię, a nie stopień ochrony cieplnej. W związku z tym dokonane analizy dotyczące grubości izolacji należy traktować jako wstępne zalecenia, przydatne na początkowym etapie projektowania budynku.

Literatura

1. Dyrektywa 2010/31/UE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (DzUrz L 153 z 18.6.2010, s. 13–35).
2. W. Feist, S. Peper, M. Görg, „CEPHEUS – Final Technical Report”, Hanower 2001.
3. 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).
4. W. Dubas, „Podstawy budownictwa energooszczędnego”, „Przegląd Budowlany”, nr 5/2006, s. 19–24.
5. R. Wnuk, „Budowa Domu Pasywnego w praktyce”, Przewodnik Budowlany, Warszawa 2006.
6. I. Strom, L. Joosten, Ch. Boonstra, „Passive Houses Solutions”, Intelligent Energy Europe, 2006.
7. Strona internetowa: www.cepheus.de
8. Instrukcja ITB 341/96, „Projektowanie i wykonywanie murowanych ścian szczelinowych”.
9. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.Instrukcja ITB 418/2006, „Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlanych. Część C. Zeszyt 8: Bezspoinowy system ocieplania ścian zewnętrznych budynków”.
10. Instrukcja ITB 447/2009, „Złożone systemy izolacji cieplnej ścian zewnętrznych budynków ETICS. Zasady projektowania i wykonania”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!