Projektowanie budynków biurowych z wykorzystaniem nowych materiałów termoizolacyjnych

Od 2021 r. wszystkie nowe budynki będą musiały charakteryzować się niemal zerowym zużyciem energii. Nowe budynki samorządowe powinny spełniać ten warunek już od 2019 r.

Zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [1] kraje członkowskie mają opracować własną definicję budynków o niemal zerowym zużyciu energii.

Budynek o niemal zerowym zużyciu energii

Termin ten oznacza budynek o bardzo wysokiej charakterystyce energetycznej, czyli o niskim czy niemal zerowym zużyciu energii. Energia powinna w dużym stopniu pochodzić ze źródeł odnawialnych, wytwarzana na miejscu lub w pobliżu budynku.

W znowelizowanych warunkach technicznych, czyli w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (WT 2013) [2], określono nowe wymagania w zakresie dopuszczalnego poziomu zużycia energii w odniesieniu do budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej i służby zdrowia.

Stopniowe zaostrzanie wymagań prawnych będzie wiązało się ze zwiększaniem grubości izolacji termicznej przegród lub wykorzystaniem materiałów o lepszych parametrach izolacyjnych. Działanie te zwiększą jednocześnie koszty budowy.

Pojawia się zatem pytanie, czy w przypadku budynków biurowych wznoszonych w centrach miejskich, gdzie działki budowlane są kosztowne, a dostępne powierzchnie – ograniczone, wykorzystanie droższych materiałów o korzystniejszych parametrach izolacyjnych jest uzasadnione ekonomicznie. Takim materiałem są np. pianki rezolowe.

Budynki biurowe w świetle znowelizowanych wymagań prawnych

Budynki użyteczności publicznej to obiekty przeznaczone na potrzeby administracji publicznej, wymiaru sprawiedliwości, kultury, kultu religijnego, oświaty, szkolnictwa wyższego, nauki, wychowania, opieki zdrowotnej, społecznej lub socjalnej, obsługi bankowej, handlu, gastronomii, usług (w tym usług pocztowych lub telekomunikacyjnych), turystyki, sportu, obsługi pasażerów w transporcie kolejowym, drogowym, lotniczym, morskim lub wodnym śródlądowym oraz inne budynki przeznaczone do wykonywania podobnych funkcji. Za budynki użyteczności publicznej uznaje się również budynki biurowe i socjalne.

W znowelizowanych warunkach technicznych WT 2013 [2] określono wymagania szczegółowe oraz wymagania ogólne. Oba muszą zostać spełnione.

Zgodnie z §328 pkt 1: „budynek i jego instalacje ogrzewcze, wentylacyjne, klimatyzacyjne, ciepłej wody użytkowej, a w przypadku budynków użyteczności publicznej, zamieszkania zbiorowego, produkcyjnych, gospodarczych i magazynowych – również oświetlenia wbudowanego, powinny być zaprojektowane i wykonane w sposób zapewniający spełnienie wymagań minimalnych” [2].

Wymagania szczegółowe obejmujące przegrody budowlane oraz wyposażenie techniczne budynku mają odpowiadać co najmniej wymaganiom izolacyjności cieplnej określonym w załączniku do rozporządzenia, a powierzchnia okien odpowiadać wymaganiom określonym w pkt 2.1. załącznika do rozporządzenia. Wymagania graniczne obejmują:

• maksymalne dopuszczalne parametry izolacyjne przegród budowlanych – współczynnik przenikania ciepła U,
• szczelność budynku n₅₀,
• ochronę przed przegrzewaniem,
• minimalną grubość izolacji termicznej instalacji budynku.

W TABELACH 1–2 przedstawiono wymagania w odniesieniu do budynków użyteczności publicznej.

Należy zwrócić uwagę, że w bardzo krótkim czasie wymagania w zakresie dopuszczalnych wartości współczynnika przenikania ciepła ulegną stopniowemu zaostrzaniu.

Dodatkowo, w odniesieniu do pomieszczeń wewnętrznych między strefą ogrzewaną a nieogrzewaną wprowadzono istotne ograniczenia U_Cmaks..

Aby spełnić to wymaganie, trzeba będzie stosować izolację również wewnątrz budynku.

Oprócz wymagań szczegółowych określono wymagania ogólne w zakresie maksymalnych wartości wskaźnika nieodnawialnej energii pierwotnej – EP [kWh/(m²·rok)], określającego roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, a w przypadku budynków użyteczności publicznej, zamieszkania zbiorowego, produkcyjnych, gospodarczych i magazynowych – również do oświetlenia wbudowanego (TABELA 3).

Spełnienie warunków w zakresie izolacji termicznej ścian

Zgodnie z wymaganiami określonymi w WT 2013 [2] wartości współczynnika przenikania ciepła U_C ścian, dachów, stropów i stropodachów wszystkich rodzajów budynków, uwzględniające poprawki ze względu na pustki powietrzne w warstwie izolacji, łączniki mechaniczne przechodzące przez warstwę izolacyjną oraz opady na dach o odwróconym układzie warstw, obliczone zgodnie z polskimi normami dotyczącymi obliczania oporu cieplnego i współczynnika przenikania ciepła oraz przenoszenia ciepła przez grunt, nie mogą być większe niż wartość U_Cmaks.. Normy przywoływane w rozporządzeniu to PN-EN ISO 6946:2008 [3] oraz PN-EN ISO 10211:2008 [4].

Spełnienie wymagań stawianych przegrodom budowlanych będzie ulegać zmianom. Zaostrzenie wymagań nastąpi w 2017 r. i 2021 r., co może spowodować pewne trudności projektowe i wykonawcze, zwłaszcza w wypadku ścian wentylowanych z okładziną kamienną, blachą lub podobnych.

Grubość ścian może sięgnąć nawet ponad 50 cm, przy grubości samej izolacji ponad 30 cm. Może mieć to wpływ na zwiększenie powierzchni działki pod zabudowę lub zmniejszenie powierzchni użytkowej pomieszczeń biurowych.

Analiza poprawy izolacyjności w systemie ETICS

Ściany w budynkach biurowych wykonywane są najczęściej w systemie ETICS jako konstrukcje dwuwarstwowe z częścią nośną wykonaną z:

• gazobetonu, pustaka poryzowanego, ceramicznego – w budynkach niskich,
• żelbetu, cegły silikatowej – w budynkach powyżej 4 kondygnacji.

Izolacją są najczęściej włókniste materiały izolacyjne (WMI) lub styropian. Aktualnie najlepsze parametry izolacji termicznej do ocieplania w systemie ETICS ma pianka rezolowa. Na RYS. przedstawiono szczegóły systemu z wykorzystaniem tego materiału.

Zazwyczaj konstrukcja ściany dwuwarstwowej składa się z:

• części nośnej ścian – żelbetowej, z cegły silikatowej, ceramicznej lub z różnego rodzaju pustaków,
• warstwy izolacyjnej klejonej i łączonej za pomocą łączników lub wyłącznie łączonej za pomocą specjalnych łączników,
• zewnętrznej warstwy zbrojącej zatopionej w kleju,
• tynku zewnętrznego cienkowarstwowego.

Ze względu na izolacyjność termiczną przegrody ważną rolę w dwuwarstwowej konstrukcji ściany odgrywają:

• parametry materiału termoizolacyjnego: pianki, wełny, styropianu,
• współczynnik przewodzenia ciepła łączników mechanicznych stosowanych w metodzie ETICS.

O izolacyjności przegrody jedynie w niewielkim stopniu decyduje natomiast materiał zastosowany na część nośną przegrody.

W analizie pominięto poprawkę na nieciągłość izolacji, gdyż czynnik ten zależy od jakości wykonawstwa i może wystąpić w każdym rodzaju ściany i materiału termoizolacyjnego.

Przy wyborze rozwiązań kierowano się dostępnymi na rynku standardowymi grubościami materiału termoizolacyjnego.

Spełnienie wymagań na 2017 r.

W 2017 r. spełnienie wymagań związane będzie z projektowaniem ścian o wartości współczynnika przenikania ciepła U ≤ 0,23 W/(m²·K). W przypadku ściany z żelbetu gr. 20 cm lub cegły silikatowej gr. 24 cm z zastosowaniem tradycyjnych materiałów (np. włóknistych materiałów izolacyjnych) należy liczyć się z grubością przegrody ok. 40 cm.

W zależności od rodzaju zastosowanego materiału izolacyjnego oraz systemu mocowania grubość włóknistych materiałów izolacyjnych (WMI) będzie się wahać od 16 do 18 cm.

Pojawia się pytanie, czy zastosowanie w budynkach biurowych nowoczesnych materiałów o niskim współczynniku przewodzenia ciepła będzie uzasadnione ekonomicznie. Analizę wykonano dla budynku biurowego zlokalizowanego w centrum dużego miasta, gdzie koszty wynajmu wynoszą 60 zł/m².

Do analiz przyjęto dwie metody mocowania: za pomocą kleju oraz łączników mechanicznych lub za pomocą łączników mechanicznych.Przy zastosowaniu WMI o λ_W2 = 0,036 W/(m·K) i kołków ze stali nierdzewnej o λ_S1 = 15–17 W/(m·K), grubość ściany będzie wynosić 38 cm, a przy WMI o λ_W1 = 0,042 W/(m·K) i kołkach ze stali nierdzewnej – 40 cm.

Jeśli zastosuje się piankę rezolową, grubość izolacji według wymagań obowiązujących w 2017 r. wyniesie 9 cm, a całej przegrody – 31 cm. Przy ograniczonej powierzchni działki ściany ocieplone pianką rezolową pozwolą zwiększyć powierzchnię użytkową o 7 cm do 9 cm na m.b. ściany zewnętrznej.

W TABELACH 4–5 zamieszczono parametry przegród spełniające wymagania na 2017 r.

Aby przeanalizować wpływ materiału izolacyjnego na powierzchnię biurową oraz zużycie energii w budynku biurowym sześciokondygnacyjnym przy zastosowaniu włóknistych materiałów izolacyjnych (WMI) oraz pianki rezolowej (PR), przyjęto następujące założenia:

• maksymalna dopuszczalna powierzchnia zabudowy to 928,8 m²;
• przegrody spełniają wymagania prawne w 2017 r. oraz w 2021 r.;
• geometria budynku odpowiada parametrom przedstawionym w TABELI 6.

Przy zastosowaniu pianki rezolowej (PR) powierzchnia użytkowa zwiększy się o 75,8 m², co stanowi wzrost o ok. 1,4% powierzchni użytkowej uzyskanej przy stosowaniu WMI o λ równej 0,042 W/(m·K).

W TABELI 7 zamieszczono wyniki obliczeń, a w TABELI 8 – koszty eksploatacyjne.

Przy zastosowaniu pianki rezolowej wartość współczynnika przenikania ścian U wynosi 0,207 W/(m²·K). Koszty budowy wzrastają o 188 326 zł, co stanowi 34 zł/m² p.u.

Czas zwrotu poniesionych zwiększonych nakładów przy wykonaniu izolacji termicznej pianką rezolową to ok. 3 lata (SPBT = 3,34 lat), przy standardowym sezonie grzewczym i lokalizacji inwestycji w Warszawie oraz przy cenie wynajmu 60 zł/m² p.u. Budowa budynków w strefach łagodniejszych nieznacznie wydłuży czas zwrotu do maks. 4 lat.

Przy niższych kosztach najmu czas zwrotu poniesionych nakładów będzie odpowiednio dłuższy. Wybudowanie budynku w strefach chłodniejszych skróci czas zwrotu poniesionych nakładów do ok. 3 lat.

Zastosowanie pianki rezolowej o bardzo dobrych parametrach izolacyjnych w budynkach biurowych jest więc uzasadnione ekonomicznie. Ponadto może zmienić się również zacienie przegród przezroczystych.

Mniejsza grubość ścian pozwoli zmniejszyć koszty montażu okien na konsolach, co w budynkach biurowych o stosunkowo dużej powierzchni przeszklonej może mieć wpływ na koszty budowy.

Spełnienie wymagań na 2021 r. (2019 r.)

Całą procedurę obliczeniową powtórzono w odniesieniu do wymagań prawnych (WT 2013 [2]) obowiązujących od 2021 r. Spełnienie minimalnych wymagań prawnych w zakresie przegród zewnętrznych może się okazać niewystarczające.

Jednak dla uproszczenia analizy przyjęto, że spełnienie minimalnych wymagań w zakresie wartości współczynnika przenikania ciepła ścian pozwoli spełnić wymagania w zakresie EP dla całego budynku.

Aby spełnić wymagania w zakresie izolacji ścian z 2021 r. przy konstrukcji nośnej z żelbetu gr. 20 cm lub cegły silikatowej gr. 24 cm, należy przyjąć izolację z włóknistych materiałów izolacyjnych (WMI) o λ = 0,042 W/(m·K) gr. 22 cm, a przy użyciu WMI o λ = 0,036 W/(m·K) – gr. 20 cm.

Jeżeli zastosuje się piankę rezolową (PR), grubość izolacji cieplnej wyniesie tylko 10 cm. Ocieplenie ścian pianką rezolową pozwoli zwiększyć powierzchnie użytkową o 99 m², co stanowi 1,86% powierzchni użytkowej budynku izolowanego WMI o l = 0,042 W/(m·K). W TABELACH 9–10 podano obliczenia parametrów izolacyjnych, a w TABELACH 11–12 zamieszczono analizę kosztów.

Czas zwrotu poniesionych zwiększonych nakładów na wykonanie izolacji termicznej pianką rezolową to SPBT = 2 lata przy koszcie wynajęcia powierzchni biurowej wynoszącym 60 zł/m².

Stosowanie materiałów o bardzo dobrych parametrach izolacyjnych, choć droższych inwestycyjnie o 34,5 zł/m² p.u., jest opłacalne w sytuacji, gdy występują ograniczenia powierzchni zabudowy oraz gdy koszty wynajmu są tak wysokie, jak w omawianym przykładzie.

Ponadto zmiany w technologiach mocowania izolacji termicznych są tak dynamiczne, że opisane w artykule rozwiązania mogą być zamieniane na efektywniejsze ekonomicznie i energetycznie.

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (DzUrz L 153 z 18.06.2010 s. 13–35).
2. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2013 r., poz. 926).
3. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczeń”.
4. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
5. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (DzU 2012 nr 0 poz. 462).6
6. PN-EN ISO 13790:2009, „Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia”.
7. PN-EN ISO 13370:2001, „Właściwości cieplne budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metody obliczania”.
8. PN-EN 12831:2006 „Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego”.
9. PN-EN ISO 13789:2008, „Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynniki przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania”.
10. PN-EN ISO 10077-1:2007, „Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła”.
11. PN-83/B-03430/Az3:2000, „Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej”.
12. PN-EN 13829:2002, „Właściwości cieplne budynków. Określanie przepuszczalności powietrznej budynków. Metoda pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora”.
13. PN-EN ISO 9836:1997, „Właściwości użytkowe w budownictwie. Określanie i obliczanie wskaźników powierzchniowych i kubaturowych”.
14. PN-EN ISO 10456:2004, „Materiały i wyroby budowlane. Procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych”.15. Aprobata techniczna ITB AT-15-9158/2013.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!