Parametry fizykalne przegród zewnętrznych budynków drewnianych – studium przypadku
Physical parameters of external timber building partitions – case study
FOT. Przykładowe rozwiązanie ringmuru, tzw. termomur: ułożenie i zbrojenie ringmuru (po lewej) i uzupełnienie mieszanką betonową (po prawej), fot. K. Pawłowski, K. Stefańska
Budynki drewniane wpisują się w rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe szeroko rozumianego budownictwa zrównoważonego. W krajach skandynawskich bardzo popularne i powszechnie stosowane jest właśnie budownictwo drewniane szkieletowe. Mimo że panuje tam chłodniejszy klimat, sprawdza się ono bardzo dobrze, a zaletą tych budynków jest głównie to, że ich obudowa to w większości materiał izolacyjny w postaci wełny mineralnej.
Należy także zauważyć, że przegrody zewnętrzne o konstrukcji szkieletowej drewnianej ze szczeliną dobrze wentylowaną charakteryzują się strukturą niejednorodną cieplnie (drewno–wełna mineralna).
O czym przeczytasz w artykule:
|
W artykule przedstawiono wyniki obliczeń współczynników przenikania ciepła U wybranych przegród zewnętrznych różnymi metodami oraz parametrów fizykalnych złączy tych przegród. Dodatkowo przeprowadzono ich ocenę w zakresie podstawowego kryterium cieplno-wilgotnościowego.
Physical parameters of external timber building partitions – case studyThe article presents the results of calculations of the heat transfer coefficients U of selected external partitions using various methods and the physical parameters of the joints of these partitions. Additionally, they were assessed in terms of the basic hygrothermal criterion. |
Charakterystyka rozwiązań konstrukcyjno‑materiałowych wybranych przegród
Aby spełnić podstawowe wymagania dotyczące wytrzymałości, izolacyjności cieplnej, akustyki i odporności na wilgoć, proponowane są głównie dwa rodzaje ścian stanowiących obudowę budynku:
- ściany konstrukcyjne o grubości netto 200 mm, których współczynnik U wynosi średnio 0,22 W/(m2·K) przy standardowym założeniu, że konstrukcja szkieletu jest drewniana i wypełniona wełną mineralną,
- ściany konstrukcyjne o grubości netto 250 mm, których współczynnik U = 0,18 W/(m2·K).
Spełniają one warunek podstawowy zawarty w § 14 norweskich Wytycznych Technicznych TEK 10 i TEK 17, dotyczący efektywności energetycznej, oraz wymagania sformułowane w polskim rozporządzeniu WT [1].
Aby uzyskać odpowiednią grubość izolacji ścian zewnętrznych, stosuje się ściany konstrukcyjne pojedyncze lub podwójne. Rozwiązania konstrukcyjne różnią się między sobą głównie rodzajem i rozmieszczeniem słupów w konstrukcji szkieletowej ściany.
W Norwegii 98% budynków jednorodzinnych posadowionych jest na płycie fundamentowej. Jest to bardzo dobry sposób na poprawne izolowanie od gruntu i wystarczające wytrzymałościowo rozwiązanie dla lekkich konstrukcji drewnianych. Technologia ta polega w pierwszym etapie na przygotowaniu podłoża: wyrównaniu go i ustabilizowaniu żwirem o różnej wielkości z równoczesnym doprowadzeniem instalacji wodno-kanalizacyjnych i elektrycznych.
Funkcję wieńca w budownictwie szkieletowym drewnianym spełnia tzw. ringmur, czyli opaska dla płyty fundamentowej. Wymagane jest, aby był on skonstruowany jako konstrukcja szczelna, tj. aby wokół wszelkich otworów był uszczelniony.
Ringmur układa się z gotowych elementów będących szalunkiem traconym, tzw. termomur (FOT. główne).
RYS. 1. Schemat i warstwy materiałowe ściany zewnętrznej. Objaśnienia: 1 – drewniane panele fasadowe gr. 16 mm, 2 – łaty sosnowe 24×23 mm, 3 – pustka powietrzna, 4 – wiatroizolacja, 5 – słup sosnowy 50×200 mm, 6 – wełna mineralna gr. 200 mm, 7 – paroizolacja, 8 – wełna mineralna gr. 50 mm na stelażu drewnianym poziomym, 9 – płyta ognioodporna gr. 12,5 mm, 10 – płyta gipsowo-kartonowa gr. 12,5 mm; rys.: K. Pawłowski, K. Stefańska
Konstrukcja dachu opiera się na krokwiach lub kratownicach drewnianych, a wolne przestrzenie uzupełniane są wełną mineralną. Natomiast od strony wewnętrznej jako wykończenie stosuje się płyty gipsowo-kartonowe, a od strony zewnętrznej pokrycie dachowe.
Obliczenia parametrów fizykalnych przegród zewnętrznych i złączy budynków drewnianych
Przegrody o konstrukcji szkieletowej drewnianej (ściana zewnętrzna i stropodach) to przegrody o budowie niejednorodnej cieplnie z pustką dobrze wentylowaną. W tym przypadku pomija się opór cieplny szczeliny i innych warstw znajdujących się między nią a środowiskiem zewnętrznym i dodaje zamiennie do oporu pozostałej części przegrody opór przejmowania ciepła odpowiadający nieruchomemu powietrzu wnętrza szczeliny; można przyjmować wartość Rsi. Obliczenia całkowitego oporu cieplnego RT i współczynnika przenikania ciepła U wykonano metodą kresów oraz na podstawie wyników symulacji komputerowej.
RYS. 2–3. Modele obliczeniowe ścian zewnętrznych o konstrukcji drewnianej: płyta g-k 2×1,25 cm – λ = 0,23 W/(m·K), słup drewniany 5×20 cm – λ = 0,16 W/(m·K), wełna mineralna gr. 20 cm + 5 cm – λ = 0,04 W/(m·K) (2) i λ = 0,035 W/(m·K) (3); rys.: K. Pawłowski, K. Stefańska
RYS. 4. Schemat i warstwy materiałowe stropodachu. Objaśnienia: 1 – gont bitumiczny SBB, 2 – papa wierzchniego krycia, 3 – deskowanie pełne gr. 25 mm, 4 – kontrłata sosnowa 40×32 mm, 5 – pustka powietrzna, 6 – izolacja wysokoparoprzepuszczalna, 7 – krokiew sosnowa 48×198 mm, 8 – wełna mineralna gr. 198 mm, 9 – wełna mineralna gr. 50 mm na ruszcie stalowym, 10 – paroizolacja, 11 – płyta gipsowo‑kartonowa gr. 12,5 mm; rys.: K. Pawłowski, K. Stefańska
Na RYS. 1 oraz RYS. 2–3 przedstawiono schemat i warstwy materiałowe oraz model obliczeniowy ściany zewnętrznej.
Na RYS. 4 oraz RYS. 5–6 przedstawiono schemat i warstwy materiałowe oraz model obliczeniowy dachu.
W TABELI 1 zestawiono wyniki obliczeń RT i U dla ścian zewnętrznych i stropodachów metodą kresów oraz na podstawie symulacji komputerowej.
RYS. 5–6. Modele obliczeniowe stropodachu o konstrukcji drewnianej: płyta g-k gr. 1,25 cm – λ = 0,23 W/(m·K), słup drewniany 5×20 cm – λ = 0,16 W/(m·K), wełna mineralna gr. 20 cm + 5 cm – λ = 0,04 W/(m·K) (5) i λ = 0,035 W/(m·K) (6); rys.: K. Pawłowski, K. Stefańska
TABELA 1. Wyniki obliczeń RT i U dla ścian zewnętrznych i stropodachów metodą kresów oraz na podstawie symulacji komputerowej
W następnym etapie obliczeń wytypowano złącza budowlane pochodzące z tej technologii. Do obliczeń wytypowano następujące złącza:
- połączenie ściany zewnętrznej w narożniku,
- połączenie ściany zewnętrznej z oknem (bez węgarka i z węgarkiem).
Do obliczeń numeryczne (przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO-KOBRU86) parametrów fizykalnych wybranych złączy przegród zewnętrznych przyjęto następujące założenia:
- temperatura powietrza wewnętrznego ti = 20°C (pokój dzienny), temperatura powietrza zewnętrznego te = –18°C (II strefa – Bydgoszcz),
- opory przejmowania ciepła zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [2],
- wartości współczynnika przewodzenia ciepła – modele obliczeniowe (RYS. 2–3 i 5–6); do obliczeń przyjęto zrównoważony współczynnik przewodzenia ciepła w przypadku warstw niejednorodnych cieplnie,
- modelowanie złączy zgodnie z PN-EN ISO 10211:2008 [3].
Dla każdego wybranego złącza budowlanego określono następujące parametry fizykalne:
- współczynnik przenikania ciepła pojedynczych przegród w polu jednowymiarowym U [W/(m2·K)],
- strumień cieplny przepływający przez złącze Φ [W],
- współczynnik sprzężenia cieplnego L2D [W/(m·K)],
- liniowy współczynnik przenikania ciepła (określony po wymiarach wewnętrznych) Ψi [W/(m·K)],
- temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka tmin. [°C],
- czynnik temperaturowy ƒRsi(2D) [-], określony na podstawie temperatury minimalnej na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego tmin. [°C].
Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych dla poszczególnych złączy budowlanych zostały zestawione w postaci kart katalogowych mostków cieplnych.
Na RYS. 7–10 przedstawiono model obliczeniowy, linie strumieni cieplnych (adiabaty) oraz rozkład temperatur dla narożnika ścian zewnętrznych.
RYS. 7–10. Wyniki symulacji komputerowej dla narożnika ścian zewnętrznych: model obliczeniowy (7), linie strumieni cieplnych (adiabaty) (8), rozkład temperatury (izotermy 0–20°C) (9) i rozkład temperatury (izotermy –18–20°C) (10); rys.: K. Pawłowski, K. Stefańska
TABELA 2. Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych narożników ścian zewnętrznych
λ'' – zrównoważony współczynnik przewodzenia ciepła (drewno–wełna mineralna)
UC – współczynnik przenikania ciepła ściany zewnętrznej
W TABELI 2 zestawiono wyniki parametrów fizykalnych narożnika ścian zewnętrznych.
Na RYS. 11–14 przedstawiono model obliczeniowy, linie strumieni cieplnych (adiabaty) oraz rozkład temperatur dla połączenia ściany zewnętrznej z oknem (bez węgarka).
RYS. 11–14. Wyniki symulacji komputerowej dla połączenia ściany zewnętrznej z oknem (bez węgarka): model obliczeniowy (11), linie strumieni cieplnych (adiabaty) (12), rozkład temperatury (izotermy 0–20°C) (13) i rozkład temperatury (izotermy –18–20°C) (14); rys.: K. Pawłowski, K. Stefańska
W TABELI 3 zestawiono wyniki parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z oknem (bez węgarka).
TABELA 3. Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z oknem (bez węgarka)
λ'' – zrównoważony współczynnik przewodzenia ciepła (drewno–wełna mineralna)
UC – współczynnik przenikania ciepła ściany zewnętrznej
UW – współczynnik przenikania ciepła okna
Na RYS. 15–18 przedstawiono model obliczeniowy, linie strumieni cieplnych (adiabaty) oraz rozkład temperatur dla połączenia ściany zewnętrznej z oknem (z węgarkiem).
RYS. 15–18. Wyniki symulacji komputerowej dla połączenia ściany zewnętrznej z oknem (z węgarkiem): model obliczeniowy (15), linie strumieni cieplnych (adiabaty) (16), rozkład temperatury (izotermy 0–20°C) (17) i rozkład temperatury (izotermy –18–20°C) (18); rys.: K. Pawłowski, K. Stefańska
W TABELI 4 zestawiono wyniki parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z oknem (z węgarkiem).
TABELA 4. Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z oknem (z węgarkiem)
λ'' – zrównoważony współczynnik przewodzenia ciepła (drewno–wełna mineralna)
UC – współczynnik przenikania ciepła ściany zewnętrznej
UW – współczynnik przenikania ciepła okna
Znajomość parametrów fizykalnych złączy (mostków cieplnych) pozwala m.in. na:
- określenie całkowitych strat ciepła przez elementy obudowy budynków z uwzględnieniem przepływów ciepła w polu dwuwymiarowym (2D) – wykorzystanie wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψi [W/(m·K)],
- określenie współczynnika przenikania ciepła Uk z uwzględnieniem liniowych mostków cieplnych – wykorzystanie wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψi [W/(m·K)],
- ocena ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej (ryzyka rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych) – wykorzystanie wartości temperatur minimalnych na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka tmin. [°C] oraz czynnika temperaturowego ƒRsi(2D) [-].
- W pracy [4] przedstawiono wyniki obliczeń i analiz innych złączy przegród budynków szkieletowych drewnianych.
Podsumowanie i wnioski
Należy zauważyć, że dwie przegrody spełniające wymaganie cieplne (np. ściana zewnętrzna, stolarka okienna) połączone ze sobą generują dodatkowe straty ciepła opisane m.in. w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ. Znacząca wartość współczynnika Ψ nie 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.
W rozporządzeniu [1] nie określono wartości maksymalnych (granicznych) wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψmax. [W/(m·K)].
Przykładową klasyfikację wpływu mostków cieplnych w zależności od wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ podano w TABELI 5.
TABELA 5. Klasyfikacja wpływu mostków cieplnych na straty ciepła; oprac. na podstawie [5]
Stwierdzono także, że w złączach nie występuje ryzyko kondensacji powierzchniowej (ryzyko rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych), ponieważ nie został spełniony warunek:
ƒRsi.(2D) ≥ ƒRsi.(kryt.);
przyjmując ƒRsi.(kryt.) = 0,785 (Bydgoszcz, III klasa wilgotności pomieszczeń) wg pracy [6].
Minimalizację wpływu mostków cieplnych można osiągnąć poprzez poprawne ukształtowanie układów materiałowych elementów obudowy budynków (odpowiednie grubości oraz usytuowanie).
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń i analiz można stwierdzić, że budownictwo szkieletowe drewniane wpisuje się w standard „budynków o niskim zużyciu energii” oraz szeroko rozumianego „budownictwa zrównoważonego”.
Literatura
- 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).
- PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
- PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
- K. Stefańska, „Analiza parametrów fizykalnych złączy przegród zewnętrznych budynku o konstrukcji drewnianej”, praca dyplomowa magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. K. Pawłowskiego, Politechnika Bydgoska im. J. i J. Śniadeckich w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2022.
- P. Wouters, J. Schietecata, P. Standaert, K. Kasperkiewicz, „Cieplno-wilgotnościowa ocena mostków cieplnych”, Wydawnictwo ITB, Warszawa 2004.
- K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych budynków o niskim zużyciu energii. Obliczenia fizykalne przegród zewnętrznych i ich złączy w świetle wymagań obowiązujących od 1 stycznia 2021 r.”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2021.
