Analiza parametrów fizykalnych ścian zewnętrznych i ich złączy w aspekcie wymagań budownictwa niskoenergetycznego

Energochłonność budynku określa się za pomocą wskaźnika zapotrzebowania na ciepło do ogrzania budynku w odniesieniu do powierzchni ogrzewanej [kWh/(m²·rok)] lub kubatury ogrzewanej [kWh/(m³·rok)].

Na podstawie analiz i wytycznych projektowych za energooszczędne można uznać budynki charakteryzujące się powierzchniowym wskaźnikiem sezonowego zapotrzebowania na ciepło w granicach 70-100 kWh/(m²·rok).

Wśród grupy budynków niskoenergetycznych wyróżnia się także budynki energooszczędne i pasywne. Na RYS. 1 przedstawiono czynniki wpływające na osiągniecie standardu niskoenergetycznego projektowanych budynków.

Czytaj też: Domy pasywne - do poprawy?

Wymagania cieplne i energetyczne dotyczące budynków niskoenergetycznych, które będą podlegały dofinansowaniu przez NFOŚiGW [1], są bardziej zaostrzone niż wymagania Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2].

Charakterystyka rozwiązań materiałowych ścian zewnętrznych i ich złączy

Ściana zewnętrzna jest pionową przegrodą budynku, która powinna spełniać wymagania w zakresie nośności, izolacyjności termicznej, izolacyjności akustycznej, bezpieczeństwa użytkowania i pożarowego, zapewnienia odpowiednich warunków higienicznych i zdrowotnych oraz ochrony środowiska.

Układy konstrukcyjno-materiałowe ścian zewnętrznych budynku zmieniają się wraz ze zmianą wymagań, wprowadzenia nowych udoskonalonych materiałów lub technologii.

Najczęściej stosowanymi technologiami wznoszenia ścian zewnętrznych budynków w Polsce są technologie murowane (układy jednowarstwowe i warstwowe) lub drewniane.

W celu uzyskania odpowiednich parametrów fizykalnych ścian zewnętrznych i ich złączy według wymagań sformułowanych 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 [2], oraz wytycznych NFOŚiGW [1] preferowane są rozwiązania wielowarstwowe (RYS. 2, RYS. 3 i RYS. 4).

Materiały do warstwy izolacji cieplnej powinny charakteryzować się niską wartością współczynnika przewodzenia ciepła i dużą porowatością. Inne parametry techniczne zależą od pochodzenia materiałów.

Do grupy materiałów warstwy izolacji cieplnej można zaliczyć:

• styropian - materiał syntetyczny, sztuczny, produkowany z granulek poliestrowych, które podczas spienienia powiększają swoją objętość ponad czterokrotnie;
• wełnę mineralną - materiał nieorganiczny, włóknisty, produkowany z mieszaniny surowców naturalnych (bazalty, margle) i odpadowych (żużel wielkopiecowy);
• polistyren ekstrudowany - materiał nienasiąkliwy, nieulegający korozji biologicznej;
• płyty z poliuretanu (PUR) i poliizocyjanuratu (PIR) - twarde płyty piankowe, odporne termicznie i niepalne o niższych wartościach współczynnika przewodzenia ciepła niż np. wełna mineralna i styropian;
• aerożele - materiały będące rodzajem sztywnej piany o wyjątkowo małej gęstości (na ich masę składa się w 90–99,8% powietrze, resztę stanowi porowaty materiał tworzący strukturę);
• izolacje próżniowe - płyty z porowatego materiału na bazie krzemionki lub włókien szklanych z mikroporami o rozmiarach 0,0001 mm, które umieszcza się w szczelnym "opakowaniu" z nieprzepuszczalnej dla powietrza i pary wodnej wielowarstwowej folii.

Przed wyborem odpowiedniego materiału do izolacji cieplnej należy zwrócić uwagę na następujące właściwości: wartość współczynnika przewodzenia ciepła (λ [W/(m·K)]), gęstość objętościową, izolacyjność akustyczną, przepuszczalność pary wodnej (współczynnik oporu dyfuzyjnego μ [-]), wrażliwość na czynniki biologiczne i chemiczne.

Sprawdzenie podstawowego kryterium cieplnego ścian zewnętrznych polega na określeniu wartości współczynnika przenikania ciepła UC [W/(m²·K)] według normy PN-EN ISO 6946:2008 [3] i porównaniu z wartościami granicznymi określonymi 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 [2], [1] - TABELA 1.

Sprawdzenie kryterium wilgotnościowego, ryzyka rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych w miejscu mostka cieplnego, przeprowadza się przez porównanie wartości obliczeniowej czynnika temperaturowego f_Rsi.(obl.) w miejscu mostka cieplnego z wartością graniczną (krytyczną) f_Rsi.(kryt.).

Czytaj też: Ile kosztuje wzniesienie budynku jednorodzinnego w standardzie niskoenergetycznym?

Jeżeli spełniona jest zależność f_Rsi.(obl.) ≥ f_Rsi.(kryt.), nie występuje ryzyko rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych na wewnętrznej powierzchni przegrody. Czynnik temperaturowy (w miejscu mostka cieplnego) f_Rsi.(obl) określa się według wzoru:

gdzie:

q_si,min - temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni przegrody mostka cieplnego [°C],

q_e - temperatura powietrza zewnętrznego [°C],

q_i - temperatura powietrza wewnętrznego [°C].

Czynnik temperaturowy krytyczny f_Rsi.(kryt.) można określić w sposób:

• uproszczony dla t_i ≥ 20°C, j = 50%, f_Rsi.(kryt.) = 0,72,
• dokładny, z uwzględnieniem położenia budynku, parametrów powietrza wewnętrznego; wartość graniczna (krytyczna) czynnika temperaturowego, z uwzględnieniem parametrów powietrza wewnętrznego (III klasa wilgotności, t_i = 20°C) i zewnętrznego (Toruń) wynosi f_Rsi(kryt) = 0,778.

W artykule przedstawiono analizę parametrów fizykalnych wybranych trójwarstwowych ścian zewnętrznych i ich złączy w aspekcie wymagań w zakresie budownictwa niskoenergetycznego.

Obliczenia parametrów fizykalnych ścian zewnętrznych i ich złączy

Do obliczeń wytypowano przykładowe rozwiązania ścian zewnętrznych trójwarstwowych o następującym układzie warstw materiałowych:

• wariant I:
  - tynk gipsowy gr. 1,5 cm, o λ = 0,40 W/(m·K),
  - bloczek z betonu komórkowego gr. 24 cm, o λ = 0,20 W/(m·K),
  - płyty z pianki PIR gr. 12 cm, o λ = 0,022 W/(m·K),
  - bloczek z betonu komórkowego gr. 12 cm, o λ = 0,20 W/(m·K),
  - tynk cienkowarstwowy gr. 0,5 cm, o λ = 0,76 W/(m·K),

• wariant II:
  - tynk gipsowy gr. 1,5 cm, o λ = 0,40 W/(m·K),
  - bloczek z betonu komórkowego gr. 24 cm, o λ = 0,20 W/(m·K),
  - płyty z pianki PUR gr. 12 cm, o λ = 0,035 W/(m·K),
  - bloczek z betonu komórkowego gr. 12 cm, o λ = 0,20 W/(m·K),
  - tynk cienkowarstwowy gr. 0,5 cm o λ = 0,76 W/(m·K),
• wariant III:
  - tynk gipsowy gr. 1,5 cm, o λ = 0,40 W/(m·K),
  - bloczek z betonu komórkowego gr. 24 cm, o λ = 0,20 W/(m·K),
  - płyty styropianowe gr. 12 cm, o λ = 0,040 W/(m·K),
  - bloczek z betonu komórkowego gr. 12 cm, o λ = 0,20 W/(m·K),
  - tynk cienkowarstwowy gr. 0,5 cm, o λ=0,76 W/(m·K).

W pierwszym etapie obliczeń określono wartości współczynnika przenikania ciepła U_C [W/(m²·K)] zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:2008 [3].

Zobacz parametry: Ścian zewnętrznych w budynkach o obniżonym zapotrzebowaniu na energię

Zasadniczą część obliczeń stanowi określenie parametrów fizykalnych wybranych (reprezentatywnych) złączy analizowanych ścian zewnętrznych (TABELA 2 i TABELA 3) przy zastosowaniu programu komputerowego.

Do obliczeń numerycznych przyjęto następujące założenia początkowe:

• modelowanie geometryczne złączy budowlanych zgodnie z normą PN-EN ISO 10211:2008 [4],
• temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C, temperatura powietrza zewnętrznego t_e = –20°C,
• warunki przejmowania ciepła na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni przegrody przyjęto zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:2008 [3] dla obliczeń wielkości strumienia cieplnego oraz zgodnie z normą PN-EN ISO 13788:2003 [5] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego f_Rsi [-].

Według znowelizowanego Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2], mostki cieplne (złącza budowlane) należy uwzględniać w aspekcie oceny cieplno-wilgotnościowej, dotyczącej obliczeń związanych z kondensacją wilgoci na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego, wyznaczając czynnik temperaturowy f_Rsi [-].

Sprawdzenie kryterium izolacyjności cieplnej zewnętrznych przegród budowlanych i ich złączy polega natomiast na wyznaczeniu wartości współczynnika przenikania ciepła U_C określanego według polskich norm, która musi być mniejsza od wartości U_C(max) poszczególnych przegród budowlanych.

Zobacz założenia: Krajowego planu mającego na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii

Należy zwrócić uwagę, że wartości U_C(max) podane w załączniku do rozporządzenia oraz w TABELI 1 nie uwzględniają wpływu przepływu ciepła w polu 2D (dwuwymiarowym) i 3D (trójwymiarowym), czyli nie uwzględniają wpływu mostków cieplnych na straty ciepła przez przegrody.

W obliczeniach praktycznych korzysta się z uzyskanej w wyniku obliczeń numerycznych indywidualnej właściwości każdego mostka cieplnego, zwanej "liniowym współczynnikiem przenikania ciepła - Ψ [W/(m×K)]".

Współczynnik Ψ określa dodatkową wartość strumienia ciepła (strata - plus, zysk - minus), wywołaną przez mostek cieplny i podaną na 1 mb jego długości.

Wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła zależą od sposobu wymiarowania budynku zastosowanego w obliczeniach pola powierzchni, przez którą przepływa strumień cieplny, stąd podczas obliczeniach liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ należy podać system wymiarowania, na którym są one oparte:

• Ψ_i - przy zastosowaniu wymiarów wewnętrznych,
• Ψ_oi - przy zastosowaniu wymiarów całkowitych wewnętrznych,
• Ψ_e - przy zastosowaniu wymiarów zewnętrznych.

Aby określić miarodajną (rzeczywistą) wielkość strat ciepła, określa się wartości gałęziowych współczynników przenikania ciepła.

W Polsce katalogi, opracowania i normy podają wartości współczynników Ψi dotyczące całej dodatkowej straty ciepła przez mostek.

Poprawne wykonanie obliczeń cieplnych odniesionych do pewnych fragmentów budynku, np. poszczególnych ścian zewnętrznych, wymaga dokonania podziału wartości współczynnika Ψ na odpowiednie gałęzie złącza uczestniczące w stratach ciepła.

Wykonanie podziałów jest często bardzo uciążliwe, wymaga analizy składowych strumieni ciepła płynących przez mostek termiczny. Wydzielenie częściowych (gałęziowych) strumieni ciepła w złączu jest praktycznie możliwe w warunkach stosowania numerycznych metod obliczeniowych.

W obliczeniach własnych zastosowano program komputerowy, który umożliwia uzyskanie wartości poszukiwanych częściowych strumieni bezpośrednio, po uprzednim dokładnym zdefiniowaniu gałęzi (powierzchni złącza), przez które przepływają strumienie. Może to dotyczyć opisywanych w pracy złączy dwuwymiarowych, jak również trójwymiarowych.

W Polsce przyjęty model realizacji wymagań termoizolacyjnych nakazuje obliczenie współczynników przenikania ciepła poszczególnych przegród w budynkach, co nie jest możliwe bez podziału liniowych współczynników przenikania ciepła występujących mostków.

Procedura obliczania gałęziowych współczynników przenikania ciepła Ψ polega na:

• wydzieleniu wewnętrznych gałęzi mostka termicznego, przypisaniu warunków początkowych i brzegowych,
• obliczeniu (numerycznie) przy zastosowaniu programu komputerowego strumieni ciepła płynących przez wydzielone gałęzie (części) mostka,
• obliczeniu odpowiednich współczynników gałęziowych według odpowiednich zależności z zastosowaniem danych odpowiadających wydzielonym gałęziom.

Szczegółowe procedury określania parametrów fizykalnych złączy budowlanych przedstawiono w pracach A. Dylli [6] i K. Pawłowskiego [7].

Na RYS. 5, RYS. 6, RYS. 7, RYS. 8 i RYS. 9 zestawiono podstawowe etapy obliczeń złącza budowlanego: połączenie ściany zewnętrznej ze stropem w przekroju przez wieniec.

W ramach przeprowadzonych obliczeń określono wartości gałęziowych współczynników przenikania ciepła Ψ dla złączy Z3, Z7, Z8 i Z9.

W TABELI 3 zestawiono wyniki i przedstawiono parametry fizykalne analizowanych ścian zewnętrznych trójwarstwowych i ich złączy oraz wartości graniczne sformułowane według Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2], oraz według wytycznych NFOŚiGW [1].

Analiza wyników obliczeń parametrów fizykalnych ścian zewnętrznych i ich złączy

Na podstawie prezentowanych wyników obliczeń parametrów fizykalnych trójwarstwowych ścian zewnętrznych i ich złączy, które stanowią tylko część prowadzonych przez autora artykułu badań własnych, można sformułować kilka wniosków i wytycznych praktycznych.

Do podstawowych parametrów fizykalnych przegród zewnętrznych i ich złączy zalicza się: współczynnik przenikania ciepła U_C [W/(m²·K)] - określany dla przepływów jednowymiarowych (1D), liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)] oraz gałęziowy współczynnik przenikania ciepła Ψ_g(d) [W/(m·K)] - określane dla przepływów ciepła dwuwymiarowych (2D), czynnik temperaturowy f_Rsi [-] - określany na podstawie temperatury minimalnej w złączu w celu sprawdzenia ryzyka występowania kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody (ryzyka rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych).

Rozpatrywanie tylko płaskiej przegrody zewnętrznej, bez uwzględnienia złączy budowlanych, staje się podstawowym błędem w aspekcie oceny cieplno-wilgotnościowej. Wykonanie szczegółowych obliczeń, przy zastosowaniu programu komputerowego, pozwala na uzyskanie miarodajnych wyników parametrów fizykalnych.

Czytaj też: Projektowanie budynków niskoenergetycznych

Ich wartości zależą od zastosowanego materiału budowlanego (konstrukcyjnego), rodzaju i grubości izolacji cieplnej oraz ukształtowania struktury materiałowej analizowanego złącza. Posługiwanie się wartościami przybliżonymi i orientacyjnymi, np. na podstawie normy PN-EN ISO 14683:2008 [8], staje się nieuzasadnione, ponieważ nie uwzględnia zmiany układów materiałowych oraz rodzaju i grubości izolacji cieplnej.

Analizowane ściany zewnętrzne trójwarstwowe spełniają kryterium izolacyjności cieplnej (U_C  ≤  U_C(max))według Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2]. Jeśli uwzględnić wymagania sformułowane przez NFOŚiGW [1], tylko ściana zewnętrzna (wariant I) spełnia warunek (U_C  ≤  U_C(max)) w odniesieniu do standardu NF40.

Rozpatrywane złącza budowlane nie spełniają wymagania w zakresie dodatkowych strat ciepła wynikających z występowania mostków cieplnych (wyrażonych w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)] - TABELA 3) w standardzie NF15, ponieważ wartości Ψ  >  Ψ_max = 0,01 W/(m·K). W przypadku spełnienia wymagań w zakresie standardu NF40 analizowane złącza budowlane (oprócz złącza 7 i 9 – TABELA 3) spełniają kryterium Ψ  ≤  Ψ_max.

Jednak przy ocenie strat ciepła należy przeanalizować także inne parametry: Φ (wielość strumienia cieplnego przepływającego przez złącze) [W] lub L^2D (współczynnik sprzężenia cieplnego) [W/(m·K)], odzwierciedlające straty ciepła przez złącze. Zasadne staje się także określanie gałęziowych współczynników przenikania ciepła w przypadku określania strat ciepła przez pojedynczą przegrodę z uwzględnieniem przepływów ciepła (2D).

Z analizy złącza ścian zewnętrznych (TABELA 3) wynika, że nie występuje ryzyko kondensacji powierzchniowej, ponieważ obliczone wartości czynników temperaturowych f_Rsi [-] są większe od wartości granicznej czynnika temperaturowego f_Rsi,(kryt.) [-]. Wartość graniczna (krytyczna) czynnika temperaturowego, przy uwzględnieniu parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, analizowanych wariantów obliczeniowych wynosi f_Rsi,(kryt.) = 0,778.

Indywidualna symulacja komputerowa złączy jest bardzo pracochłonna i wymaga znajomości specyficznych szczegółów programowania warunków geometryczno-fizycznych złączy. Może być podejmowana przez osoby odpowiednio przeszkolone w tym zakresie. Wynikiem końcowym obliczeń są katalogi mostków cieplnych, uwzględniających różne parametry powietrza zewnętrznego i wewnętrznego, niezbędne dla biur projektów i celów dydaktyczno-szkoleniowych.

Przykładową kartę przedstawiono na RYS. 10. Istnieje jednak potrzeba prowadzenia dalszych badań i obliczeń zarówno dla złączy dwuwymiarowych, jak i trójwymiarowych (przestrzennych), ponieważ rozwój technologii produkcji materiałów rozwija się, a na rynek budowlany wprowadzane są nowe produkty.

Podsumowanie i wnioski

Analiza parametrów fizykalnych przegród zewnętrznych i ich złączy ma istotne znaczenie w zakresie poprawnego kształtowania układów materiałowych i geometrii projektowanego budynku niskoenergetycznego. Kompleksowa ocena cieplno-wilgotnościowa powinna dotyczyć nie tylko pełnej przegrody zewnętrznej, lecz także jej złączy.

Tymczasem podane 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 [2], wartości graniczne współczynnika przenikania ciepła U_C(max) [W/(m²·K)] nie uwzględniają przepływów ciepła w polu (2D) i (3D), co powoduje rzeczywiste dopuszczenie większych strat ciepła przez przegrody budowlane i ich złącza.

Zasadne staje się także określenie wartości granicznych liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_max 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 [2], na poziomie 0,10-0,20 W/(m·K) w zależności od specyfiki analizowanego złącza. Bardzo ważnym aspektem jest także sprawdzenie ryzyka kondensacji powierzchniowej (w miejscu mostka cieplnego) i międzywarstwowej.

Literatura

1. Wymagania określające podstawowe wymogi niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkalnych oraz sposób weryfikacji projektów i sprawdzania wykonywanych domów energooszczędnych, strona internetowa: www.nfosigw.gov.pl.
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 obliczania".
4. PN-EN ISO 10211:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe".
5. PN-EN ISO 13788:2003, "Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej umożliwiająca uniknięcie krytycznej wilgotności powierzchni wewnętrznej kondensacji. Metody obliczania".
6. A. Dylla, "Fizyka cieplna budowli w praktyce. Obliczenia cieplno­‑wilgotnościowe", PWN, Warszawa 2015.
7. K. Pawłowski, "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle nowych warunków technicznych dotyczących budynków WT 2013", DW Medium, Warszawa 2013.
8. PN-EN ISO 14683:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne".
9. S. Walczak, "Analiza numeryczna złączy ścian zewnętrznych trójwarstwowych w świetle nowych wymagań cieplnych" [praca magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Pawłowskiego], Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2015.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!