Projektowanie przegród poziomych z uwzględnieniem wymagań cieplno-wilgotnościowych od 1 stycznia 2021 roku

W związku z wprowadzeniem nowych zaostrzonych wymagań izolacyjności cieplnej i oszczędności energii (rozporządzenie ws. warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowania [1]) niezwykle istotne stanie się na etapie projektowania dokonywanie szczegółowych obliczeń i analiz, które będą podstawą do optymalnego wyboru rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych przegród zewnętrznych i ich złączy.

Od 31 grudnia 2020 r. będą obowiązywały ostateczne wartości graniczne, m.in. w zakresie granicznej wartości współczynnika przenikania ciepła U_c(max)/U_max [W/(m2·K)] dotyczących pojedynczych przegród zewnętrznych oraz granicznego wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP_(max) [kWh/(m2·rok)] dla całego analizowanego budynku. W artykule przedstawiono zasady projektowania przegród poziomych i ich złączy z uwzględnieniem wymagań cieplno-wilgotnościowych.

Przegrody stykające się z gruntem w świetle wymagań cieplno-wilgotnościowych

W przypadku połączenia budynku z gruntem należy poprawnie zaprojektować i wykonać nie tylko posadzkę na gruncie, ale również ścianę fundamentową, izolację cieplną oraz przeciwwilgociową. Dobór materiałów dla tych przegród nie może być przypadkowy i należy uwzględnić tutaj zarówno zagadnienia konstrukcyjne, jak i cieplno-wilgotnościowe.

Szczególnie ważne jest prawidłowe konstruowanie złącza na styku podłoga na gruncie – ściana fundamentowa – ściana parteru budynku.

Bardzo istotny jest odpowiedni wybór i kształtowanie następujących elementów przegród stykających się z gruntem:

• ściany fundamentowe (monolityczne, murowane z różnych materiałów),
• izolacje przeciwwilgociowe i przeciwwodne (izolacje przeciwwilgociowe typu lekkiego, średniego i ciężkiego),
• izolacje cieplne ścian fundamentowych, części nadziemnej budynku oraz posadzki na gruncie.

W rozdziale 4 rozporządzenia [1] sformułowano szczegółowe wytyczne w zakresie ochrony przed zawilgoceniem i korozją biologiczną rozpatrywanych przegród:

§ 315.
Budynek powinien być zaprojektowany i wykonany w taki sposób, aby opady atmosferyczne, woda w gruncie i na jego powierzchni, woda użytkowa w budynkach oraz para wodna w powietrzu w tym budynku nie powodowały zagrożenia zdrowia i higieny użytkowania.

§ 316.1.
Budynek posadowiony na gruncie, na którym poziom wód gruntowych może spowodować przenikanie wody do pomieszczeń, należy zabezpieczyć za pomocą drenażu zewnętrznego lub w inny sposób przed infiltracją wody do wnętrza oraz zawilgoceniem.2. Ukształtowanie terenu wokół‚ powinno zapewniać swobodny spływ wody opadowej od budynku.

§ 317.1.
Ściany piwnic budynku oraz stykające się z gruntem inne elementy budynku, wykonane z materiałów podciągających wodę kapilarnie, powinny być zabezpieczone odpowiednią izolacją przeciwwilgociową.2. Części ścian zewnętrznych, bezpośrednio nad otaczającym terenem, tarasami, balkonami i dachami, powinny byÄć zabezpieczone przed przenikaniem wody opadowej i z topniejącego śniegu.

§ 318.
Rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe przegród zewnętrznych i ich uszczelnienie powinny uniemożiwiać przenikanie wody opadowej do wnętrza budynków.

Do ocieplania przegród stykających się z gruntem (izolacja obwodowa), cokołów i podłóg stosowane są najczęściej następujące materiały termoizolacyjne:

• polistyren ekstrudowany (XPS),
• płyty z pianek poliuretanowych,
• szkło piankowe.

W tym miejscu należy zwrócić uwagę na rozbieżności w nazewnictwie izolacji cieplnej występującej w złączu przegród stykających się z gruntem.

Izolacja termiczna na ścianach fundamentowych w budynkach niepodpiwniczonych, określana w rozporządzeniu [1] jako izolacja obwodowa, w normach określona jest następująco:

• według PN-EN ISO 13370:2008 [2] – izolacja krawędziowa i jest obliczeniowo włączana do wartości współczynnika przenikania ciepła podłogi (RYS. 1 i RYS. 2),
• według PN-EN 12831:2006 [3] – izolacja boczna i nie jest uwzględniana w wartości współczynnika przenikania ciepła podłogi.

Izolacja krawędziowa może być umieszczona poziomo, pionowo lub występować jako fundament o małej gęstości (RYS. 1 i RYS. 2).

Efekt izolacji krawędziowej jest traktowany jako liniowy współczynnik przenikania ciepła ψ_g,e [W/(m·K)]. Jeżeli złącze przegród stykających się z gruntem ma więcej niż jedną część izolacji krawędziowej (pionowej lub poziomej, wewnętrznej lub zewnętrznej), należy do dalszych obliczeń uwzględnić tę, która daje wiekszą redukcję straty ciepła.

Metody przybliżone opierają się na zbliżonych i numerycznych procedurach obliczeniowych według PN-EN ISO 13370:2008 [2], PN-EN 12831:2006 [3] i rozporządzenia [4]. W obliczeniach wykorzystuje się opracowane algorytmy z zastosowaniem wzorów empirycznych, pozwalając na uniknięcie skomplikowanych symulacji numerycznych.

W normie PN-EN ISO 13370:2008 [2] przedstawiono procedury obliczeniowe w zakresie następujących przypadków występujących w praktyce (RYS. 3, RYS. 4 i RYS. 5):

• podłoga typu płyta na gruncie,
• podłoga podniesiona,
• budynek z podziemiem ogrzewanym.

Przykład obliczeniowy 1

Określono straty ciepła przez grunt według normy PN-EN ISO 13370:2008 [2], czyli: współczynnika przenikania ciepła podłogi na gruncie {U [W/(m2·K)]} oraz współczynnika sprzężenia cieplnego dla płyty podłogowej z pionową izolacją krawędziową (H_g [W/K]).

Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

• budynek jednorodzinny – rzut ścian parteru budynku (RYS. 6),
• płyta podłogowa izolowana – styropianem XPS gr. 10 cm o λ = 0,035 W/(m·K),
• ściana zewnętrzna parteru trójwarstwowa:
  - tynk gipsowy 1,5 cm,
  - bloczek wapienno-piaskowy 24 cm,
  - płyta z poliizocyjanuratu PIR 10 cm,
  - bloczek wapienno-piaskowy 12 cm,
• izolacja krawędziowa pionowa grubości d_n = 5 cm, z poliizocyjanuratu PIR o λ_n = 0,022 W/(m·K),
• budynek posadowiony na piasku zwykłym.

Określenie wymiaru charakterystycznego podłogi na gruncie

Wymiar charakterystyczny podłogi wprowadza się w celu uwzględnienia trójwymiarowej natury strumienia ciepła w obrębie gruntu.

• Wymiar charakterystyczny podłogi określa się wg wzoru:
  

gdzie:

A – pole powierzchni podłogi, [m2]

P – obwód podłogi, [m].

A = 

Określenie grubości ekwiwalentnej

Koncepcja grubości ekwiwalentnej została wprowadzona w celu uproszczenia wyrażenia współczynnika przenikania ciepła. Opór cieplny jest reprezentowany przez jego grubość ekwiwalentną, będącą grubością gruntu, która ma ten sam opór cieplny.

Grubość ekwiwalentna podłogi na gruncie:

gdzie:

w – całkowita grubość ścian, łącznie ze wszystkimi warstwami,[m],

λ – współczynnik przewodzenia ciepła gruntu – tablica 1 PN-EN ISO 13370:2008 [2], [W/(m·K)],

R_f – opór cieplny płyty podłogi, łącznie z każdą warstwą izolacyjną na całej powierzchni powyżej lub poniżej płyty podłogi i każdym pokryciem podłogi [(m2·K)/W]; opór cieplny płyt z ciężkiego betonu i cienkich pokryć podłogi można pominąć; zakłada się, że chudy beton poniżej płyty ma taki sam współczynnik przewodzenia ciepła jak grunt i zaleca się jego pominięcie,

R_si – opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody według tablicy PN-EN ISO 6946 [6]; R_si = 0,17 (m2·K)/W – kierunek przepływu ciepła w dół

R_se – opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody według tablicy PN-EN ISO 6946 [6]; R_se = 0 (m2·K)/W.

Układ warstw podłogi na gruncie (RYS. 6):

• parkiet drewniany 2 cm, λ = 0,18 W/(m·K),
• posadzka betonowa 5 cm, λ = 1,0 W/(m·K),
• folia budowlana,
• styropian XPS 10 cm, λ = 0,035 W/(m·K),
• folia budowlana,
• beton podkładowy 10 cm, λ = 1,7 W/(m·K),
• ubity grunt (podsypka piaskowa) 15 cm,
• grubość ściany w = 0,475 m,
• grunt piasek zwykły λ = 2,0 W/(m·K) – tablica 1 PN-EN ISO 13370:2008 [2].

Do obliczeń oporu cieplnego R_f uwzględniono parkiet drewniany, a także styropian XPS:

Grubość ekwiwalentna podłogi:

Określenie współczynnika przenikania ciepła U

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła U zależy od izolacji cieplnej podłogi:

• jeżeli d_t < B′ (podłogi nieizolowane lub podłogi średnio izolowane), to:
  
• jeżeli d_t ≥ B′ (podłogi dobrze izolowane), to:
  

Współczynnik przenikania ciepła powinien być zaokrąglony do dwóch miejsc znaczących, jeżeli jest prezentowany jako wynik końcowy. Obliczenia pośrednie powinny być przeprowadzone z co najmniej trzema cyframi znaczącymi.

Współczynnik przenoszenia ciepła przez grunt w stanie ustalonym między środowiskiem wewnętrznym i zewnętrznym:

gdzie:

Ψg – liniowy współczynnik przenikania ciepła [W/(m·K)] przyjmuje się na podstawie obliczeń własnych lub na podstawie katalogu mostków cieplnych lub na podstawie PN-EN ISO 14683:2008 [7],

• d_t = 6,75 m; B′ = 5,00 m → d_t > B′ podłoga dobrze izolowana
• współczynnik przenikania ciepła U:
  

Uwzględnienie wpływu izolacji krawędziowej (zał. B PN-EN ISO 13370 [2])

W przykładzie obliczeniowym (RYS. 6) występuje pionowa izolacja krawędziowa grubości 5 cm – płyta z poliizocyjanuratu PIR o λ_n = 0,022 W/(m·K).

Dodatkowa grubość ekwiwalentna wynikająca z izolacji krawędziowej:

R′ – dodatkowy opór cieplny wprowadzony przez izolację krawędziową (lub fundament), tzn. zastępuje ją różnica między oporem cieplnym izolacji krawędziowej a oporem cieplnym podłoża (lub płyty):

gdzie:

R_n – opór cieplny poziomej lub pionowej izolacji krawędziowej (lub fundamentu), [(m2·K)/W]

d_n – grubość izolacji krawędziowej (lub fundamentu), [m] 

= (opór płyty z poliizocyjanuratu PIR gr. 5 cm) =  = 2,27 (m2·K)/W

Uwzględnienie izolacji krawędziowej (poniżej gruntu wzdłuż obwodu podłogi):

D – szerokość pionowej izolacji krawędziowej (lub fundamentu) poniżej poziomu gruntu, [m]

d′ – dodatkowa grubość ekwiwalentna, m

D = 0,7 m; d′ = 4,50 m; d_t = 6,75 m; λ = 2,0 W/(m·K)

Uwzględnienie izolacji krawędziowej do obliczeń współczynnika przenikania ciepła U:

Współczynnik przenoszenia ciepła przez grunt w stanie ustalonym między środowiskiem wewnętrznym a zewnętrznym Hg [W/K]

H_g (wg PN-EN ISO 13370:2008) = HT,ig (wg PN-EN 12831:2006)

Ψ_g – liniowy współczynnik przenikania ciepła na styku ściana zewnętrzna – ściana fundamentowa – podłoga na gruncie przyjęto na podstawie obliczeń własnych (jako gałęziowy współczynnik przenikania ciepła dotyczący strat ciepła dla podłogi na gruncie):

Ψ_g = 0,29 W/(m·K)

Analizowana przegroda spełnia wymagania sformułowane w rozporządzeniu [1] w zakresie współczynnika przenikania ciepła U = 0,22 < U_(max) = 0,30 W/(m2·K). Natomiast w zakresie oceny wartości oporu cieplnego izolacji cieplnej (obwodowej/krawędziowej) R = 2,27 > R_min. = 2,0 (m2·K)/W – warunek został‚ także spełniony.

Stropy oraz stropy nad przejazdami w świetle wymagań cieplno-wilgotnościowych

Strop jest poziomym elementem konstrukcyjnym, który dzieli budynek na kondygnacje. Do podstawowych funkcji stropów można zaliczyć:

• przenoszenie obciążeń stałych i użytkowych,
• usztywnienie ścian budynku w płaszczyznach poziomych,
• ochronę przed przedostawaniem się z sąsiednich kondygnacji ognia podczas pożaru,
• ochronę pomieszczeń przed przenikaniem ciepła i dźwięków oraz przed wilgocią, gazami i zapachami.

Stropy można podzielić, uwzględniając różnorodne kryteria:

• ze względu na rodzaj materiału stosowanego do wykonania konstrukcji:
  – drewniane (nagi, z podsufitką),
  – na belkach stalowych typu Kleina (lekki, ciężki, średni),
  – ceramiczno-żelbetowe,
  – żelbetowe (monolityczne lub prefabrykowane),
  – na blachach fałdowych,
• ze względu na położenie budynku:
  – nadpiwniczne,
  – międzypiętrowe (międzykondygnacyjne),
  – stropy poddaszy,
  – stropodachy,
• ze względu na rodzaj konstrukcji nośnej:
  – płytowe,
  – płytowe o przekroju wydrążonym,
  – belkowo-pustakowe,
  – płytowo-żebrowe,
  – gęstożebrowe (Fert, Teriva),
• ze względu na ognioodporność użytego materiału:
  – palne
  – niepalne.

Natomiast w stropie międzykondygnacyjnym można wyodrębnić trzy podstawowe elementy:

• konstrukcja nośna,
• sufit (dolna część stropu),
• podłoga (górna część stropu).

Sufit wykonany jest w postaci tynku wewnętrznego, płyt gipsowo-kartonowych, płyt drewnopochodnych lub w postaci sufitu podwieszanego.

Strop kondygnacyjny może występować w różnej postaci materiałowej i konstrukcyjnej:

• strop drewniany,
• strop żelbetowy,
• strop ceramiczny,
• strop na belkach stalowych,
• strop płytowy czy też
• strop gęstożebrowy.

Strop kondygnacyjny pełni funkcję nośną związaną z przenoszeniem obciążeń własnych i zewnętrznych, ale także odgrywa istotne znaczenie w zakresie izolacyjności akustycznej.

Podłoga jest elementem wykończeniowym nadającym podłożu wymagane cechy użytkowe, estetyczne oraz właściwości izolacyjne (akustyczne, termiczne, przeciwwilgociowe). Składa się zasadniczo z kilku warstw ze zróżnicowanych materiałów. Układa się je na stropach międzykondygnacyjnych oraz na gruncie w przypadku pomieszczeń najniższej kondygnacji.

Rodzaje podłóg można podzielić w zależności od następujących czynników:

• przeznaczenie (budynki mieszkalne, przemysłowe, użyteczności publicznej o zróżnicowanym przeznaczeniu),
• materiał posadzki (drewno, tworzywa sztuczne, materiały mineralne i bitumiczne),
• wymagania techniczno-użytkowe (izolacyjność termiczna, dźwiękochłonność, chemoodporność, wodoszczelność),
• usytuowanie w budynku (na gruncie, międzykondygnacyjna, nad piwnicami, nad przejazdami) [8].

Warstwy izolacyjne układane są często bezpośrednio na stropie jako:

• izolacja przeciwwilgociowa w postaci folii budowlanej, papy na lepisku lub masy bitumicznej,
• izolacja wodoszczelna w pomieszczeniach tzw. mokrych – sanitarnych oraz gospodarczych (a także na gruncie przy wysokim poziomie wody gruntowej),
• izolacja paroszczelna nad pomieszczeniami o bardzo dużej wilgotności (nad pralnią, suszarnią, kotĹ‚ownią, sauną),
• izolacja termiczna – nad nieogrzewanymi piwnicami, nad ostatnią kondygnacją użytkową (ogrzewaną) oraz nad przejazdami wykonana m.in. z płyt z wełny mineralnej twardej, płyt styropianowych lub płyt z pianki poliuretanowej PIR,
• izolacja akustyczna pomiędzy pomieszczeniami lub w szczególnych przypadkach, gdy wymagane jest wyciszenie pomieszczenia ze względu na specyfikę sposobu użytkowania w postaci m.in. płyt z wełny mineralnej twardej, płyt pilśniowych twardych lub ekologicznych materiałów izolacyjnych.

Podkład pod posadzką stanowi warstwę wyrównawczą (w odniesieniu do izolacji) oraz przejmującą obciążenia i przekazującą je na warstwy konstrukcyjne podłoża. Powinien być równo ułożony i dobrze wypoziomowany, posiadać odpowiednią wytrzymałość. Od dokładności jego wykonania zależy trwałość i estetyka posadzki.

Na podkłady stosuje się specjalne zaprawy cementowe lub zaprawy gipsowe albo jastrychy. W przypadku stosowania ogrzewania podłogowego podkład musi umożliwić prawidłowe ułożenie przewodów instalacji, aby chronić je przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Posadzka stanowi wierzchnią warstwę podłogi jako wykończenie. Musi spełniać odpowiednie cechy fizyczne i mechaniczne: wytrzymałość na ścieranie, odporność na wodę i inne substancje chemiczne, mrozoodporność, walory antypoślizgowe.

Na RYS. 7, RYS. 8 i RYS. 9 przedstawiono przykładowe rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe podłóg na stropach międzykondygnacyjnych.

Osiągnięcie niskiego obliczeniowego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną – EP [kWh/(m2·rok)] dla "budynku o niskim zużyciu energii" jest możliwe m.in. poprzez poprawne zaprojektowanie przegród zewnętrznych i ich złączy.

Zgodnie z rozporządzeniem [1] maksymalna wartość współczynnika przenikania ciepła dla ściany zewnętrznej od 31 grudnia 2020 roku U_c(max) = 0,20 W/(m2·K), natomiast dla stropów nad przejazdami U_c(max) = 0,15 W/(m2·K).

Do ocieplenia ścian zewnętrznych i stropów nad przejazdami i pomieszczeniami ogrzewanymi zaleca się stosowanie następujących materiałów: styropian (EPS), styropian szary (grafitowy), płyty z polistyrenu ekstrudowanego XPS, płyty z piany fenolowej i wełna mineralna.

Przykład obliczeniowy 2

Określono parametry fizykalne połączenia ściany zewnętrznej ze stropem wraz z warstwami podłogi pływającej nad pomieszczeniami nieogrzewanymi i przejazdami.

Przyjęto następujące rozwiązania materiałowe:

• podłoga pływająca:
  - tynk gipsowy gr. 1 cm o λ = 0,40 W/(m·K),
  - strop żelbetowy gr. 14 cm o λ = 1,70 W/(m·K),
  - folia budowlana, wełna mineralna twarda gr. 5 cm o λ = 0,04 W/(m·K),
  - folia budowlana, pas dylatacji obwodowej,
  - wylewka cementowa gr. 3 cm o λ = 1,00 W/(m·K),
  - parkiet drewniany gr. 1 cm o λ = 0,18 W/(m·K),
• Ściana zewnętrzna:
  - tynk gipsowy gr. 1 cm o λ = 0,40 W/(m·K),
  - bloczki z betonu komórkowego gr. 24 cm o λ = 0,21 W/(m·K),
  - styropian gr. 10, 12, 15, 20 cm o λ = 0,04 W/(m·K),
  - tynk cienkowarstwowy gr. 0,5 cm o λ = 0,76 W/(m·K).

Na RYS. 10, RYS. 11 i RYS. 12 przedstawiono graficzne wyniki symulacji komputerowej analizowanych złącza (nad pomieszczeniem nieogrzewanym t = 5°C) przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO, a w TAB. 1 zestawiono wyniki przeprowadzonych obliczeń.

W wielu sytuacjach warstwy podłogi pływającej projektuje się nad przejazdami (narażone na oddziaływanie parametrów powietrza zewnętrznego) – RYS. 13, RYS. 14 i RYS. 15.

Należy zauważyć, że w takiej sytuacji (czyli bez dodatkowej warstwy izolacji cieplnej stropu) następuje znaczne obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody na styku ściany zewnętrznej i warstw podłogi pływającej (TAB. 2).

W związku z tym zaproponowano docieplenie dolnej powierzchni stropu płytami z pianki poliuretanowej gr. 10 cm o współczynniku λ = 0,022 W/(m·K) (RYS. 16, RYS. 17 i RYS. 18).

Uzyskano wartość współczynnika przenikania ciepła dla poziomej przegrody na poziomie U = 0,141 W/(m2·K), co daje możliwość spełnienia kryterium cieplnego U ≤ U_max = 0,15 W/(m2·K) według rozporządzenia [1].

Wyniki parametrów fizykalnych przy uwzględnieniu docieplenia dolnej powierzchni stropu zestawiono w TAB. 3.

Wprowadzenie dodatkowej warstwy w postaci płyt z pianki poliuretanowej w dolnej powierzchni stropu pozwala na obniżenie strat ciepła przez strop nad przejazdami oraz minimalizację strat ciepła wynikające z połączenia ściany zewnętrznej ze stropem w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła λ_i (TAB. 2 i TAB. 3). Należy także zauważyć podwyższenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody na styku dwóch przegród w porównaniu z analizowanym złączem bez docieplenia (TAB. 2 i TAB. 3), co prowadzi do wyeliminowania ryzyka kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego (ryzyka rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych).

Dachy i stropodachy w świetle wymagań cieplno-wilgotnościowych

Dach to element zwieńczający budynek z przekryciem osłaniającym przed wpływami zjawisk atmosferycznych oraz przenoszącym obciążeniem od śniegu i wiatru. Do podstawowych elementów dachu można zaliczyć:

• konstrukcję nośną (drewno, stal, żelbet lub połączenie drewna i żelbetu),
• warstwą izolacji cieplnej, paroszczelnej,
• warstwą podkładu (deskowanie, łacenie),
• pokrycie dachowe (dachówka ceramiczna, dachówka cementowa, gont bitumiczny, blacha trapezowa itp.).

Dachy o konstrukcji drewnianej projektowane i wykonywane są zwykle z drewna sosnowego, jodłowego lub świerkowego o wilgotności poniżej 20% zabezpieczonego przed korozją biologiczną. Konstrukcje nośne dachów drewnianych, czyli więźby dachowe, mogą różnić się układem tworzących elementów.

Przykładowe konstrukcje dachów drewnianych:

• dachy krokwiowe,
• dachy jętkowe,
• dachy płatwiowo-kleszczowe,
• dachy zastrzałowe.

Dobór pokrycia dachowego zależy od kąta nachylenia połaci dachowej, stylu architektonicznego oraz upodobań (gustu) użytkowników. Pochylenie dachu (nachylenie połaci dachowych) zależy od warunków klimatycznych, rodzaju pokrycia dachowego, rodzaju konstrukcji dachowej, przeznaczenia poddasza, wymagań architektonicznych.

Spadek połaci może być podawany w procentach (%) lub określany wartością kąta nachylenia połaci dachowej do poziomu (określa się go stosunkiem wysokości h do rzutu poziomego szerokości połaci dachowej i równa się tg α).

Na RYS. 19 przedstawiono zależności w zakresie nachylenie połaci dachowej – rodzaj pokrycie dachowe.

Do grupy materiałów pokryciowych lekkich można zaliczyć:

• płyty bitumiczne (3,3 kg/m²),
• papy (4–6 kg/m²),
• blachodachówka (5 kg/m²),
• gonty bitumiczne (8–15 kg/m²).

Natomiast przyładowymi materiałami pokryciowymi ciężkimi są:

• dachówki cementowe (35–46 kg/m²) oraz
• dachówki ceramiczne (40–75 kg/m²).

Z punktu widzenia zagadnień cieplno-wilgotnościowych istotne znaczenie ma określenie grubości izolacji cieplnej i odpowiednie jej usytuowanie oraz zabezpieczenie przed ryzykiem występowania kondensacji powierzchniowej i międzywarstwowej.

Do ocieplania dachów drewnianych według [11, 12] stosowane są najczęściej następujące materiały termoizolacyjne:

• płyty drzewne,
• płyty z wełny owczej,
• płyty z wełny mineralnej,
• pianka poliuretanowa (PUR/PIR),
• a także płyty korkowe.

Wełna mineralna stosowana jest do ocieplenia dachów drewnianych skośnych w postaci mat i płyt o gęstości objętościowej ρob.= 80–120 kg/m3 i współczynniku przewodzenia ciepła λ_D = 0,032–0,038 W/(m·K) w układzie: między krokwiami oraz dodatkowo pod krokwiami (RYS. 20 i RYS. 21).

Pianka poliuretanowa PIR/PUR jest materiałem chemoutwardzalnym w postaci sztywnej piany natryskowej. Występuje w postaci pianki o porach otwartych (spieniona na budowie) i o porowatości zamkniętej (płyty z osłoną lub bez osłony). Sztywne płyty stosowane są jako izolacja podkrokwiowa (często z wykończeniem płytą gipsowo-kartonową) lub jako izolacja nadkrokwiowa (RYS. 22 i RYS. 23). Przy gęstości objętościowej ρ_ob. = 35–60 kg/m3 charakteryzują się współczynnikiem przewodzenia ciepła na poziomie λ_D = 0,020–0,023 W/(m·K).

Przykład obliczeniowy 3

Analiza rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych stropodachów drewnianych w aspekcie ochrony cieplnej budynków według rozporządzenia [1].

Rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe stropodachów drewnianych różnią się od siebie sposobem ułożenia warstwy izolacji termicznej oraz sposobem wentylowania. Występuje kilka możliwości mocowania termoizolacji (RYS. 24, RYS. 25 i RYS. 26):

• między krokwiami,
• między krokwiami i nad lub pod nimi,
• nad krokwiach.

Jej usytuowanie zależy od wielu czynników oraz zjawisk cieplno-wilgotnościowych. W dachach z poddaszem ogrzewanym ocieplenie jest najczęściej układane między i pod krokwiami. Jego grubość zależna jest od wysokości krokwi. Wykonywane jest z płyt, mat lub w postaci luźnego materiału wdmuchiwanego, na którym układana jest warstwa wiatroizolacji. Jej zadaniem jest ochrona przed powietrzem przepływającym z zewnątrz oraz przepuszczanie pary wodnej.

Pod warstwą izolacji stosuje się paroizolację. Nachylenie połaci dachowych zależy od rodzaju pokrycia dachowego i geometrii dachu.

Do analizy parametrów cieplnych wybrano stropodach drewniany z izolacją cieplną między i pod krokwiami (wariant I, II) oraz stropodach drewniany w systemie nadkrokwiowym (wariant III).

Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

• wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] według danych producenta oraz pracy [14]
  - dla wełny mineralnej λ = 0,035 W/(m·K) (wariant I),
  - dla płyt ze styropianu grafitowego λ = 0,031 W/(m·K) (wariant II),
  - dla płyt z pianki poliuretanowej PIR λ = 0,026 W/(m·K) (wariant III),
• w wariancie I i II stropodachu zaprojektowano dobrze wentylowaną warstwę powietrza o grubości 4 cm, więc według PN-EN ISO 6946:2008 [6] opór cieplny komponentu budowlanego będzie liczony z pominięciem oporu cieplnego warstw między szczeliną powietrzną a środowiskiem zewnętrznym oraz wliczając zewnętrzny opór przejmowania ciepła, który odpowiada powietrzu nieruchomemu (R_si = 0,10 (m²·K)/W). Obliczenia przeprowadzono metodą kresów.

Modele obliczeniowe zawierające układy warstw materiałowych analizowanych stropodachów w dwóch powszechnie stosowanych rozwiązaniach materiałowych (izolacja pod krokwiami i między krokwiami – wariant I i II) przedstawiono na RYS. 27.

Wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła U [W/(m2·K)] dla wybranych rozwiązań materiałowych stropodachów drewnianych, metodą kresów, zestawiono w TAB. 4.

W drugim etapie obliczeń wytypowano stropodach drewniany w systemie nadkrokwiowym (izolacja cieplna w postaci płyt z pianki poliuretanowej PIR). Model obliczeniowy przedstawiono na RYS. 28.

Wyniki obliczeń parametrów cieplnych według PN-EN ISO 6946:2008 [6] dla analizowanych rozwiązań materiałowych stropodachu w systemie nadkrokwiowym przedstawiono w TAB. 5.

Powyżej przedstawiono tylko wybrane (reprezentatywne) rozwiązania materiałowe stropodachów drewnianych. Dobór warstw materiałowych stropodachów drewnianych powinien być przeprowadzony w oparciu o obliczenia i analizy w aspekcie cieplno-wilgotnościowym. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń współczynnika przenikania ciepła U [W/(m2·K)] wybranych stropodachów drewnianych (TAB. 4 i TAB. 5) można stwierdzić, że warunek izolacyjności cieplnej U_c ≤ U_c(max) = 0,15 (od 31 grudnia 2020 r.) w wielu przypadkach został spełniony.

Stropodachy to element budynku pełniący funkcję przekrycia ostatniej kondygnacji i pełnią dwie podstawowe funkcje: stropu i dachu. Podstawowe elementy stropodachu to:

• konstrukcja nośna,
• paroizolacja,
• izolacja termiczna,
• warstwa nadająca spadek,
• pokrycie dachowe.

Stropodachy przenoszą obciążenia od śniegu i wiatru oraz zabezpieczają wnętrze budynku przed opadami atmosferycznymi i wahaniami temperatury. Ze względu na układ warstw materiałowych stropodachu można wyróżnić:

• stropodachy pełne,
• stropodachy odpowietrzane i
• stropodachy wentylowane.

Natomiast w zależności od sposobu użytkowania:

• stropodachy nieużytkowe (dostęp ogranicza się do prac konserwacyjnych i kontrolnych),
• stropodachy użytkowe (dostępne dla ludzi oraz ruchu kołowego) oraz zielone (użytkowane w sposób ekstensywny i intensywny).

Na RYS. 29, RYS. 30, RYS. 31 i RYS. 32 przedstawiono przykładowe rozwiązania materiałowe stropodachów.

Do ocieplania stropodachów pełnych stosowane są najczęściej następujące materiały termoizolacyjne:

• polistyren ekstrudowany (XPS),
• płyty z pianek poliuretanowych PIR i PUR,
• a także styropapa.

Do ocieplania stropodachów dwudzielnych i stropów nad poddaszami nieużytkowanymi stosowane są wełna celulozowa oraz wełna mineralna. Wartość współczynnika przenikania ciepła ww. stropodachów zależy głównie od rodzaju i grubości materiału termoizolacyjnego.

Dach zielony (RYS. 33) to rodzaj stropodachu o odwróconym układzie warstw, dzięki czemu jest możliwość uprawy różnego rodzaju roślinności.

Na konstrukcję stropodachu składa się wiele uporządkowanych warstw, z których każda musi spełniać szereg wymagań i kryteriów:

1. warstwa wegetacyjna (występuje w postaci substratu bądź humusu przemieszanego z keramzytem czy żwirem rzecznym; jej grubości przyjmowane są w zależności od systemu korzeniowego roślin),
2. warstwa filtrująca (najczęściej stosowana w niej jest geowłóknina polipropylenowa, która daje możliwość przenikania korzeni roślin; zapobiega przedostaniu się jakichkolwiek zanieczyszczeń do warstwy drenującej, a jednocześnie w dużym stopniu przepuszcza wodę),
3. warstwa drenażowa (służąca do maksymalnego magazynowania wody opadowej, wykorzystywanej w późniejszym czasie przez roślinność; zbyt duża ilość nadmiaru wody zostaje dalej odprowadzona do odpływów),
4. warstwa ochronna (stanowi dodatkową ochronę przed przerastaniem korzeni roślin oraz przed uszkodzeniami mechanicznymi),
5. warstwa termoizolacji (w przypadku układu warstw o odwróconym układzie stropodachu znajdują zastosowanie płyty z polistyrenu ekstradowanego lub płyt z pianki poliuretanowej PIR i płyt rezolowych),
6. warstwa hydroizolacyjna (przy jej wykonywaniu w przypadku odwróconego układu najczęściej stosowana jest papa termozgrzewalna lub folia EPDM; powinna posiadać właściwości przeciwkorzenne oraz odpowiednią odporność na ściskanie; dodatkowo musi zapewniać odporność na wszelkie środki chemiczne oraz na grzyby czy pleśnie),
7. warstwa konstrukcyjna (strop nad ostatnią kondygnacją; obciążenia w przypadku dachów zielonych mogą dochodzić od 100 do nawet 1000 kg/m2 powierzchni).

Zastosowanie formy (przyjęcie rozwiązania materiałowego) dachu zielonego zasadniczo nie jest ograniczone wysokością budynku, ponieważ stosuje się to rozwiązanie zarówno w budynkach niskich, jak i wysokich.

W przypadku stosowania wysokich form architektury należy uwzględnić utrudnione warunki klimatyczne (silne porywy wiatru oraz znaczące nasłonecznienie). Wiąże się to z odpowiednim doborem struktury roślinnej.

Formę ogrodową dachów zielonych wykonuje się na budynkach użyteczności publicznej (przykładem jest budynek Biblioteki Uniwersytetu Warszawskiego), ale także w budownictwie wielorodzinnym, przemysłowym i niskiej zabudowie jednorodzinnej.

Ogrody na dachach umieszcza się zazwyczaj na dachach płaskich – stropodachach o pochyleniu połaci od 5 do 35%. Przy wartości pochylenia większej niż 20° dach zielony należy zabezpieczać przed osuwaniem się zieleni. Duże znaczenie roślinności w strukturze miejskiej zaczęło być doceniane niedawno, choć jej wartości estetyczne znane były w wielu kulturach od setek lat.

Ogrody zielone to istotne elementy zieleni, wprowadzające nowe znaczenie w architekturze i urbanistyce. Wykorzystanie technologii dachów zielonych daje duże możliwości kreowania form architektonicznych.

Zastosowanie różnego typu zieleni nadaje obiektowi i terenom otaczającym go indywidualny wygląd i charakter. Tak stworzony obiekt wraz z zastosowaną zielenią może się przyczynić do identyfikacji terenu w przestrzeni, stać się wyróżnikiem danego osiedla.

Wykorzystanie przez architekta rozwiązania ogrodu zielonego wraz z innymi materiałami ekologicznymi przyczynia się w znacznym stopniu do ochrony środowiska naturalnego. Odpowiednie zakomponowanie przestrzeni dachu formą zieloną pozwala uzyskać powierzchnię użytkową, którą można przeznaczyć na tarasy zielone – miejsca odpoczynku i rekreacji.

Przykład obliczeniowy 4

Analiza parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z dachem zielonym.

W TAB. 6 zestawiono charakterystykę materiałową analizowanego złącza oraz przyjęte warunki brzegowe do obliczeń numerycznych przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO-KOBRU. Szczegółowe procedury obliczeniowe w tym zakresie przedstawiono w pracy [14].

Wyniki obliczeń parametrów fizyklanych analizowanego złącza przedstawiono w postaci przykładowej karty katalogowej (TAB. 7).

W literaturze brakuje kart katalogowych złączy dachów zielonych, co utrudnia proces projektowania współczesnych przegród zewnętrznych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym. Wartości parametrów fizykalnych zależą od przyjętego układu warstw materiałowych, a w szczególności – usytuowania i grubości materiału termoizolacyjnego.

Wartości parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z dachem zielonym zależą od grubości materiału termoizolacyjnego ściany zewnętrznej i dachu zielonego. Należy zauważyć, że mimo spełnienia kryterium cieplnego U ≤ U_max dla pojedynczych przegród (ściana zewnętrzna i dach zielony) złącze tych przegród generuje dodatkowe straty ciepła w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ oraz obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego θ_si,min [°C].

Podsumowanie i wnioski

W artykule przedstawiono zasady projektowania wybranych poziomych przegród zewnętrznych (przegród stykających się z gruntem, stropów, dachów oraz stropodachów) i ich złączy spełniających prawne wymagania cieplno-wilgotnościowe obowiązujące od 31 grudnia 2020 roku z uwzględnieniem wytycznych budownictwa niskoenergetycznego.

Osiągnięcie wartości współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m2·K)] poniżej wartości granicznej polega na poprawnym usytuowaniu materiału termoizolacyjnego oraz określeniu odpowiedniej jego grubości. Należy jednak zwrócić uwagę także na odpowiednie kształtowanie układów materiałowych złączy budowlanych (połączenie dwóch lub trzech przegród w węźle), określanych także w literaturze jako mostki cieplne (mostki termiczne). Dobór materiałów, szczególnie termoizolacyjnych, powinien uwzględniać innowacyjne rozwiązania pozwalające na optymalizację (minimalizację) ich grubości.

Znajomość zagadnień fizyki cieplnej budowli oraz procedur obliczeniowych w tym zakresie pozwala na odpowiedni dobór materiałów budowlanych pod kątem przyjaznego ich oddziaływania na zdrowie i samopoczucie człowieka, a także obniżenie zapotrzebowania budynku na energię użytkową (EU), energię końcową (EK) i energię pierwotną (EP).

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2017 r. poz. 2285).
2. PN-EN ISO 13370:2008, „Cieplne właściwości użytkowe budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metoda obliczania”.
3. PN-EN 12831:2006, „Instalacje grzewcze w budynkach – Metoda obliczania obciążenia cieplnego”.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376).
5. M. Maciaszek, „Analiza porównawcza parametrów fizykalnych złączy ścian zewnętrznych trójwarstwowych w świetle nowych wymagań cieplnych”, praca magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Pawłowskiego, UTP, Bydgoszcz 2017.
6. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
7. PN-EN ISO 14683:2008, „Mostki cieplne w budynkach – Liniowy współczynnik przenikania ciepła – Metody uproszczone i wartości orientacyjne”.
8. W.M. Francuz, A. Kusina, M. Machnik, „Technologia budownictwa” cz. 2, Wydawnictwo REA, Warszawa 2012.
9. P. Markiewicz, „Budownictwo ogólne dla architektów”, Wydawnictwo ARCHI-PLUS, Kraków 2011.
10. K. Pawłowski, „Analiza rozwiązań materiałowych podłóg na stropach w budynkach – stadium przypadku”,„IZOLACJE” 2/2018, s. 60–64.
11. M. Wesołowska, K. Pawłowski, „Aspekty związane z dostosowaniem obiektów istniejących do standardów budownictwa energooszczędnego”, Agencja Reklamowa TOP, Włocławek 2016. Praca wydana w ramach projektu finansowanego ze środków funduszy norweskich i środków krajowych.
12. K. Pawłowski, „Innowacyjne rozwiązania materiałów termoizolacyjnych w aspekcie modernizacji budynków w Polsce”,„IZOLACJE”, nr 3/2018, s. 48–64.
13. M. Maciaszek „Studium projektowe przegród zewnętrznych i ich złączy z zastosowaniem nowoczesnych materiałówizolacyjnych”, praca dyplomowa inżynierska napisana pod kierunkiem dr. inż. K. Pawłowskiego, UTP, Bydgoszcz 2016.
14. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2016.
15. A. Wojtalewicz „Studium projektowe przegród zewnętrznych niskoenergetycznego budynku jednorodzinnego”, praca dyplomowa inżynierska napisana pod kierunkiem dr. inż. K. Pawłowskiego, UTP, Bydgoszcz 2016.
16. M. Mrzygłód, A. Wojtalewicz „Analiza rozwiązań materiałowych przegród zewnętrznych budynku w standardzie niskoenergetycznym” [w:] „Nowoczesne projektowanie i realizacja konstrukcji budowlanych”, Politechnika Krakowska, Kraków 2016.
17. J. Ciuba, „Studium projektowe złączy stropodachów pełnych w świetle nowych wymagań cieplnych”, praca dyplomowa magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. K. Pawłowskiego, UTP, Bydgoszcz 2016.
18. A. Chruścińska „Analiza porównawcza parametrów fizykalnych złączy stropodachów w świetle nowych wymagań cieplnych”, praca dyplomowa magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. K. Pawłowskiego, UTP, Bydgoszcz 2017.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!