Jakość cieplna wybranych złączy budowlanych budynków w standardzie niskoenergetycznym
Thermal quality of selected construction joints in a low energy standard
Element systemowy łącznika izotermicznego; rys.: www.tipomega.eu
Budynek składa się z wielu przegród budowlanych oraz ich złączy o indywidualnym charakterze fizykalnym i poddany jest oddziaływaniu zmiennego środowiska zewnętrznego i wewnętrznego. W wielu przypadkach analiza przegród i złączy budowlanych w aspekcie konstrukcyjno-materiałowym i technologii wykonania nie budzi zastrzeżeń na etapie projektowania.
Zobacz także
M.B. Market Ltd. Sp. z o.o. Czy piana poliuretanowa jest palna?
W artykule chcielibyśmy przyjrzeć się bliżej temu aspektowi i rozwiać wszelkie wątpliwości na temat palności pian poliuretanowych.
W artykule chcielibyśmy przyjrzeć się bliżej temu aspektowi i rozwiać wszelkie wątpliwości na temat palności pian poliuretanowych.
Ultrapur Sp. z o.o. Pianka poliuretanowa a szczelność budynku
Wielu inwestorów, wybierając materiał do ocieplenia domu, kieruje się głównie parametrem lambda, czyli wartością współczynnika przewodzenia ciepła. Jest on jedynym zestandaryzowanym współczynnikiem, który...
Wielu inwestorów, wybierając materiał do ocieplenia domu, kieruje się głównie parametrem lambda, czyli wartością współczynnika przewodzenia ciepła. Jest on jedynym zestandaryzowanym współczynnikiem, który określa właściwości izolacyjne materiału. Jednocześnie jest współczynnikiem wysoce niedoskonałym – określa, jak dany materiał może opierać się utracie ciepła poprzez przewodzenie.
Rockwool Polska Termomodernizacja domu – na czym polega i jak ją zaplanować?
Termomodernizacja to szereg działań mających na celu poprawę energochłonności Twojego domu. Niezależnie od zakresu inwestycji, kluczowa dla osiągnięcia spodziewanych efektów jest kolejność prac. Najpierw...
Termomodernizacja to szereg działań mających na celu poprawę energochłonności Twojego domu. Niezależnie od zakresu inwestycji, kluczowa dla osiągnięcia spodziewanych efektów jest kolejność prac. Najpierw należy docieplić ściany i dach, aby ograniczyć zużycie energii, a dopiero potem zmodernizować system grzewczy. Dzięki kompleksowej termomodernizacji domu prawidłowo wykonanej znacznie zmniejszysz koszty utrzymania budynku.
Znajomość parametrów cieplno-wilgotnościowych (fizykalnych), związanych z wymianą ciepła i wilgoci pozwala na uniknięcie wielu wad projektowych i wykonawczych oraz zapewnienie odpowiednich parametrów mikroklimatu wnętrza podczas użytkowania (odpowiednia temperatura, wilgotność i czystość powietrza wewnętrznego).
|
O czym przeczytasz w artykule:
|
Przedmiotem artykułu jest jakość cieplna wybranych złączy budowlanych budynków w standardzie niskoenergetycznym. Autor omawia wybrane aspekty prawne i parametry fizykalne określające jakość cieplną złączy budowlanych budynków, a także jakość cieplną połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową oraz jakość cieplną połączenia ściany zewnętrznej z oknem.
Thermal quality of selected construction joints in a low energy standard The subject of the article is the thermal quality of selected building joints of buildings in a low-energy standard. The author discusses selected legal aspects and physical parameters determining the thermal quality of building joints in buildings, as well as the thermal quality of the connection of the external wall with the balcony slab and the thermal quality of the connection between the external wall and the window. |
Jakość cieplna złączy budowlanych budynków – wybrane aspekty prawne i parametry fizykalne
Zasadniczą zmianą rozporządzenia w zakresie ochrony cieplnej budynków [1] jest zmiana wartości maksymalnych współczynników przenikania ciepła Uc(max). Zaostrzeniu uległy wymagania cząstkowe w zakresie izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych, dachów, podłóg oraz okien i drzwi. Ponadto nie ma już znaczenia typ przegrody (wielo- czy jednowarstwowa) oraz przeznaczenie obiektu (mieszkalny, użyteczności publicznej, magazynowy, gospodarczy itp.).
Wg rozporządzenia [1] dla budynku produkcyjnego, magazynowego i gospodarczego dopuszcza się większe wartości współczynnika U niż Uc(max) oraz U(max), określone w rozporządzeniu [1], jeśli uzasadnia to rachunek efektywności ekonomicznej inwestycji obejmujący koszt budowy i eksploatacji budynku.
Ponadto w budynku mieszkalnym, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej, produkcyjnym, magazynowym i gospodarczym podłoga na gruncie w ogrzewanym pomieszczeniu powinna mieć izolację cieplną obwodową z materiału izolacyjnego w postaci warstwy o oporze cieplnym co najmniej 2,0 (m2·K)/W, przy czym opór cieplny warstw podłogowych oblicza się zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [2] oraz PN-EN ISO 13370:2008 [3].
Dodatkowo należy uwzględnić wymagania w zakresie ochrony wilgotnościowej dotyczącej sprawdzenia ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej i międzywarstwowej. Szczegółowe procedury obliczeniowe i analizy przepisów prawnych w zakresie projektowania, wykonywania i eksploatacji budynków o niskim zużyciu energii przedstawiono m.in. w pracach [4–6].
Niestety, przepisy prawne w tym zakresie nie regulują wymagań w zakresie ograniczenia strat ciepła przez złącza budowlane – mostki cieplne, ponieważ nie określono wartości granicznych np. w zakresie maksymalnych wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψmax. [W/(m·K)]. Znacząca wartość współczynnika Ψ nie zawsze oznacza automatycznie istotnego mostka cieplnego.
Zgodnie z definicją wartości Ψ traktowane są jako współczynniki korekcyjne do obliczeń jednowymiarowych strat ciepła, za pomocą których aspekt geometryczny (określony przez przyjęcie wymiarów), powinien być uwzględniony, tak samo jak zwiększenie strumienia cieplnego. Przykładową klasyfikację wpływu mostków cieplnych w zależności od wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ podano w TABELI 1.
TABELA 1. Klasyfikacja wpływu mostków cieplnych na straty ciepła – opracowanie
własne na podstawie [7]
Wg [8] ograniczenie strat ciepła przez przenikanie przez obudowę budynku niskoenergetycznego można osiągnąć poprzez weryfikacje złączy budowlanych (mostków cieplnych) w zakresie spełnienia kryterium:
Ψ ≤ Ψ(max),
gdzie:
Ψ – wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła dla wybranego mostka cieplnego [W/(m·K)],
Ψ(max) – graniczna wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła dla wybranego mostka cieplnego [W/(m·K)] [dla standardu NF40 – Ψ(max) = 0,10 W/(m·K), a dla połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową Ψ(max) = 0,20 W/(m·K); dla standardu NF15 – Ψ(max) = 0,01 W/(m·K)].
Jednak wartość współczynnika Ψ nie zawsze powinna być tylko parametrem oceniającym jakość cieplną mostka cieplnego.
W wielu przypadkach rozwiązanie przepływu ciepła sprowadza się tylko do określenia przenikania ciepła przez płaską przegrodę budowlaną w polu jednowymiarowym (1D), bez uwzględnienia przepływu ciepła w polu dwuwymiarowym (2D) i trójwymiarowym (3D). Jednak realnym (rzeczywistym) polem wymiany ciepła jest zazwyczaj przegroda zewnętrzna jako fragment budynku, a więc połączona systemem złączy z przegrodami dowiązującymi (stropem, ścianą zewnętrzną lub wewnętrzną lub podłogą na gruncie).
Jakość cieplną elementów obudowy budynków (przegród budowlanych i ich złączy) kształtują następujące parametry obliczeniowe:
- współczynnik przenikania ciepła pojedynczej przegrody w polu jednowymiarowym (1D) – U/U(1D) [W/(m2·K)],
- liniowy współczynnik przenikania ciepła mostka cieplnego w polu dwuwymiarowym (2D) – Ψ [W/(m·K)], gałęziowy współczynnik przenikania ciepła dla pojedynczej części złącza, np. w przypadku połączenia ściany zewnętrznej z oknem (Ψśc. – w odniesieniu do ściany zewnętrznej, Ψw. – w odniesieniu do okna),
- współczynnik przenikania ciepła przegrody z uwzględnieniem liniowych mostków cieplnych (2D) – U(2D) [W/(m2·K)],
- temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego (2D) – tmin. [°C],
- czynnik temperaturowyƒRsi(2D) [–], określony na podstawie tmin..
W dalszej części artykułu przedstawiono ocenę jakości cieplnej wybranych złączy budowlanych budynków w standardzie niskoenergetycznym.
Jakość cieplna połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową
Balkon jest elementem konstrukcyjno-architektonicznym budynku stanowiącym otwartą formę. Jego rozwiązanie konstrukcyjno-materiałowe zależy od wielu oddziaływujących na niego czynników (np. obciążenia, bezpieczeństwo użytkowników, względy architektoniczne). Głównym problemem w kształtowaniu złączy balkonów ze ścianą zewnętrzną jest zachowanie ciągłości izolacji cieplnej.
Ograniczenie wpływu tego typu mostka cieplnego można uzyskać poprzez:
- oparcie płyty balkonowej na żelbetowych lub stalowych wspornikach kotwionych w wieńcu,
- zastosowanie balkonów dostawianych,
- zastosowanie łączników izotermicznych.
RYS. 1–2. Elementy systemowych łączników izotermicznych; rys.: www.tipomega.eu
Zastosowanie w łącznikach balkonowych odpowiednio wygiętych blach stalowych jako elementów nośnych (zamiast prętów jak w większości innych tego typu rozwiązań) pozwoliło na zwiększenie grubości izolacji termicznej systemu do wielkości 16 cm (RYS. 1–2). Natomiast zrównoważona przewodność cieplna 1 m.b. łącznika izotermicznego w zależności od jego grubości (8 cm, 12 cm, 16 cm), wysokości (16–24 cm) oraz procentowego udziału stali wynosi λ = 0,052–0,258 W/(m·K).
Do analizy wybrano trzy podstawowe warianty obliczeniowe:
- I – płyta balkonowa przebija warstwę izolacji cieplnej,
- II – płyta balkonowa oparta na dwóch belkach żelbetowych,
- III – połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową przy zastosowaniu łącznika izotermicznego (RYS. 3–11).
RYS. 3–5. Połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową (wariant I): model obliczeniowy (3), linie strumieni cieplnych – adiabaty (4), rozkład temperatury – izotermy (5); rys.: K. Pawłowski
RYS. 6–8. Połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową (wariant II): model obliczeniowy (6), linie strumieni cieplnych – adiabaty (7), rozkład temperatury – izotermy (8); rys.: K. Pawłowski
RYS. 9–11. Połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową (wariant III): model obliczeniowy (9), linie strumieni cieplnych – adiabaty (10), rozkład temperatury – izotermy (11); rys.: K. Pawłowski
Do obliczeń numerycznych (przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO-KOBRU 86) przyjęto następujące założenia:
- modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami przedstawionymi w PN-EN ISO 10211:2008 [9],
- opory przejmowania ciepła (Rsi, Rse) przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [2] przy obliczeniach strumieni cieplnych oraz wg PN-EN ISO 13788:2003 [10] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego ƒRsi(2D),
- temperatura powietrza wewnętrznego ti = 20°C (pokój dzienny), temperatura powietrza zewnętrznego te = –20°C (III strefa),
- wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie tablic w pracy [6],
- ściana zewnętrzna dwuwarstwowa:
- bloczek z betonu komórkowego gr. 24 cm – λ = 0,21 W/(m·K),
- płyty z pianki poliuretanowej gr. 8 cm/12 cm/16 cm – λ = 0,022 W/(m·K),
- elementy żelbetowe - λ = 1,70 W/(m·K),
- tynk gipsowy gr. 1 cm – λ = 0,40 W/(m·K),
- tynk cienkowarstwowy gr. 1 cm – λ = 0,76W/(m·K),
- łączniki izotermiczne λ = 0,058–0,176 W/(m·K).
Wyniki obliczeń zestawiono w TABELI 2.
Wartości parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową zależą od wielu czynników, m.in. od:
- rozwiązania konstrukcyjno-materiałowego analizowanego złącza,
- współczynnika przenikania ciepła ściany zewnętrznej,
- układu rozwiązań materiałowych podłogi na stropie międzykondygnacyjnym.
TABELA 2. Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową
1) współczynnik przewodzenia ciepła łącznika izotermicznego:
B3(8) – λ = 0,058 W/(m·K), B3(12) – λ = 0,068 W/(m·K), B3(16) – λ = 0,077 W/(m·K),
B4(8) – λ = 0,100 W/(m·K), B4(12) – λ = 0,139 W/(m·K), B4(16) – λ = 0,176 W/(m·K),
Uśc. – współczynnik przenikania ciepła ściany zewnętrznej, Uść.(w) – współczynnik przenikania ciepła ściany zewnętrznej w przekroju przez wieniec,
Φ – strumień cieplny przepływający przez złącze, Ψi – liniowy współczynnik przenikania ciepła, określony po wymiarach wewnętrznych,
tmin. – temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni złącza, fRsi(2D) – czynnik temperaturowy, określony na podstawie tmin.
Zastosowanie łączników izotermicznych pozwala na ograniczenie dodatkowych strat ciepła przez przenikanie (strumień cieplny Φ [W], liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψi [W/(m·K)]) oraz ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej na wewnętrznej powierzchni przegrody (temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni złącza tmin. [°C], czynnik temperaturowy, określany na podstawie tmin. – ƒRsi(2D) [–]).
Jakość cieplna połączenia ściany zewnętrznej z oknem
Poprawne zaprojektowanie połączenia dwóch zróżnicowanych przegród zewnętrznych (np. połączenie ściany zewnętrznej z oknem) wymaga analizy parametrów fizykalnych przy zróżnicowanym ukształtowaniu złącza.
Poniżej przedstawiono wyniki obliczeń parametrów fizykalnych złącza: połączenie ściany zewnętrznej z oknem w przekroju przez ościeżnicę w różnych wariantach obliczeniowych:
- wariant I (brak węgarka w postaci izolacji cieplnej) – RYS. 12–14,
- wariant II (zastosowanie węgarka – ocieplenie przedłużone na ościeżnicę) – RYS. 15–17,
- wariant III (ościeżnica przesunięta w kierunku ocieplenia) – RYS. 18–20.
RYS. 12–14. Połączenie ściany zewnętrznej z oknem w przekroju przez ościeżnicę (wariant I): model obliczeniowy (12), linie strumieni cieplnych – adiabaty (13), rozkład temperatury – izotermy (14); rys.: K. Pawłowski
RYS. 15–17. Połączenie ściany zewnętrznej z oknem w przekroju przez ościeżnicę (wariant II): model obliczeniowy (15), linie strumieni cieplnych – adiabaty (16), rozkład temperatury – izotermy (17); rys.: K. Pawłowski
RYS. 18–20. Połączenie ściany zewnętrznej z oknem w przekroju przez ościeżnicę (wariant III): model obliczeniowy (18), linie strumieni cieplnych – adiabaty (19), rozkład temperatury – izotermy (20); rys.: K. Pawłowski
Do obliczeń przyjęto następujące założenia:
- modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami przedstawionymi w PN-EN ISO 10211:2008 [9],
- opory przejmowania ciepła (Rsi, Rse) przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [2] przy obliczeniach strumieni cieplnych oraz wg PN-EN ISO 13788:2003 [10] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego ƒRsi(2D),
- temperatura powietrza wewnętrznego ti = 20°C (pokój dzienny), temperatura powietrza zewnętrznego te = –20°C (III strefa),
- wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie tablic w pracy [6]
- ściana zewnętrzna dwuwarstwowa:
bloczek z betonu komórkowego gr. 24 cm – λ = 0,21 W/(m·K),
płyty z pianki poliuretanowej gr. 8 cm/12 cm/16 cm – λ = 0,022 W/(m·K),
tynk gipsowy gr. 1 cm – λ = 0,40 W/(m·K),
tynk cienkowarstwowy gr. 1 cm – λ = 0,76W/(m·K);
stolarka okienna o Uw = 0,81 W/(m2·K).
Wyniki obliczeń zestawiono w TABELI 3.
TABELA 3. Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z oknem w przekroju przez ościeżnicę
Uśc. – współczynnik przenikania ciepła ściany zewnętrznej, Uw. – współczynnik przenikania ciepła okna,
Φ – strumień cieplny przepływający przez złącze, Ψi – liniowy współczynnik przenikania ciepła, określony po wymiarach wewnętrznych,
Ψi,śc. – liniowy/gałęziowy/współczynnik przenikania ciepła w odniesieniu do ściany zewnętrznej, określony po wymiarach wewnętrznych,
Ψi,w. – liniowy/gałęziowy/współczynnik przenikania ciepła w odniesieniu do okna, określony po wymiarach wewnętrznych,
tmin. – temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni złącza, fRsi(2D) – czynnik temperaturowy, określony na kreślony na podstawie tmin..
Parametry fizykalne połączenia dwóch przegród zewnętrznych (ściany zewnętrznej i stolarki okiennej) kształtują się w zależności od rodzaju i usytuowania zastosowanego materiału termoizolacyjnego oraz położenia ościeżnicy okiennej. Określenie gałęziowych współczynników przenikania ciepła, dotyczących indywidualnie ściany zewnętrznej (Ψi,śc.) oraz okna (Ψi,w.), pozwala na określenie strat ciepła przez przenikanie HD [W/K] w odniesieniu do pojedynczych przegród zewnętrznych.
Podsumowanie i wnioski
Jakość cieplna złączy budowlanych (połączeń przegród zewnętrznych) zależy od wielu czynników, szczególnie związanych z kształtowaniem układów materiałowych elementów obudowy budynków z uwzględnieniem wymagań budownictwa w standardzie niskoenergetycznym.
Należy zauważyć, że mimo spełnienia podstawowego kryterium cieplnego (U ≤ Umax.) dla pojedynczej przegrody złącza przegród (mostki cieplne) generują dodatkowe straty ciepła w postaci np. strumienia cieplnego przepływającego przez złącze Φ [W] lub liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)].
Spełnienie kryterium w zakresie uniknięcia występowania ryzyka kondensacji powierzchniowej (rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych): ƒRsi.(2D) ≥ ƒRsi.(kryt.), wymaga określenia wartości ƒRsi.(2D) na podstawie temperatury minimalnej na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego (2D) tmin. [°C] oraz wartości ƒRsi.(kryt.) uwzględniającej parametry powietrza wewnętrznego i zewnętrznego (wilgotność i temperatura powietrza). Wartość maksymalna z 12 miesięcy w odniesieniu do lokalizacji (Bydgoszcz) ƒRsi.(max) = ƒRsi.(kryt.) = 0,785 (luty). Oznacza to, że w każdym miesiącu roku i dla każdych innych wartości temperatur brzegowych dla uniknięcia kondensacji powierzchniowej ƒRsi.(2D) powinien być większy od 0,785. Należy podkreślić, że na podstawie przeprowadzonych obliczeń w analizowanych wariantach (TABELA 2 i TABELA 3), można ocenić, czy wystąpi ryzyko kondensacji powierzchniowej (ryzyko rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych).
Zasadne staje się sformułowanie wymagań prawnych w rozporządzeniu [1] w zakresie jakości cieplnej złączy budowlanych, polegające na określeniu wartości granicznej liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψmax oraz wartości granicznej punktowego współczynnika przenikania ciepła Χmax.. Jednak istnieje także możliwość oceny cieplnej przez zastosowanie kryterium sformułowanego w pracy [7] – TABELA 1 oraz wymagań określonych przez NFOŚiGW [8].
W procesie projektowym budynków w standardzie niskoenergetycznym zaleca się stosowanie katalogów elementów obudowy budynków (przegród zewnętrznych i złączy budowlanych) wraz z analizą ich parametrów fizykalnych (cieplno-wilgotnościowych).
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 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
3. PN-EN ISO 13370:2008, „Cieplne właściwości użytkowe budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metoda obliczania”.
4. M. Grudzińska, A. Ostańska, A. Zyczyńska, „Low energy and passive building”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2017.
5. A. Kaliszuk-Wietecka, „Budownictwo zrównoważone. Wybrane zagadnienia z fizyki budowli”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2017.
6. K. Pawłowski, „Zasady projektowania budynków energooszczędnych”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2017.
7. P. Wouters, J. Schietecata, P. Standaert, K. Kasperkiewicz, „Cieplno-wilgotnościowa ocena mostków cieplnych”, Wydawnictwo ITB, Warszawa 2004.
8. Wytyczne określające podstawowe wymogi niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkalnych oraz sposób weryfikacji projektów i sprawdzenia wykonanych domów energooszczędnych, www.nfosigw.gov.pl
9. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
10. 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”.
