Współczesna charakterystyka mostka cieplnego

Mostek cieplny to część budynku, w której jednolity opór cieplny jest znacznie zmieniony przez: całkowite lub częściowe przebicie obudowy budynku przez materiały o innej przewodności cieplnej, zmianę grubości warstw materiału, różnicę między wewnętrznymi i zewnętrznymi powierzchniami przegród, jak w połączeniach ściana/podłoga/sufit [7]. Występowanie liniowych mostków cieplnych w przegrodach zewnętrznych powoduje:

• zwiększenie strat ciepła (duże zagęszczenie linii strumieni cieplnych – adiabat),
• obniżenie temperatur na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego.

Aby dokonać charakterystyki danego mostka cieplnego, należy określić jego rozkład temperatur badany najczęściej w warunkach ustalonego przepływu ciepła. Do uwzględnienia strat ciepła spowodowanych działaniem mostka konieczna jest znajomość rozkładu temperatur na powierzchniach wewnętrznych przegród. Parametry charakterystyczne mostków cieplnych można podzielić na dwie grupy: cieplne (np. liniowy współczynnik przenikania ciepła, gałęziowy współczynnik przenikania ciepła), wilgotnościowe (wartości temperatur w charakterystycznych miejscach mostka cieplnego, określenie czynnika temperaturowego fR,si).

Zakres badań

Do obliczeń i analizy wybrano liniowy mostek cieplny: połączenie ściany zewnętrznej ze stropem w przekroju przez nadproże z oknem (rys. 1). Modelowanie złącza przeprowadzono zgodnie z wytycznymi norm [7, 8] (podział na kilka modeli geometrycznych trzeba wykonać, wybierając odpowiednie płaszczyzny podziału [15]).

Wybór warunków brzegowych ma zasadnicze znaczenie przy ocenie mostków cieplnych, szczególnie jeśli warunki te mogą różnić się w zależności od rodzaju obliczeń. Płaszczyzny wydzielające powinny być adiabatyczne (z zerowym strumieniem ciepła przepływającym przez płaszczyznę), z wyjątkiem poziomych płaszczyzn odcinających w gruncie w przypadku obliczeń temperatury powierzchni; temperatura płaszczyzn odcinających przyjmowana jest jako równa rocznej średniej temperaturze powietrza zewnętrznego [15].

Do obliczeń własnych przyjęto temperaturę powietrza zewnętrznego te = –20°C (według PN-82/B-02403 [12], dla III strefy klimatycznej – miasto Toruń) oraz temperaturę powietrza wewnętrznego ti = 20°C (według rozporządzenia ministra infrastruktury [13] w pomieszczeniach przeznaczonych do przebywania bez okryć zewnętrznych, np. w pokoju mieszkalnym). W obliczeniach cieplno-wilgotnościowych przyjęto obliczeniowe wartości współczynnika przewodzenia ciepła na podstawie normy PN-EN 12524: 2003 [10] i danych podawanych przez producentów. Obliczenia przeprowadzono przy użyciu programu komputerowego TRISCO – wersja 10.0 w. PHYSIBEL – Belgia 2002 [2]. Jest to narzędzie do analizy termicznej stacjonarnego przepływu ciepła (przepływ ciepła odbywa się w warunkach stałych temperatur otoczenia) i poddanych różnym warunkom brzegowym.

Określenie parametrów cieplnych mostka termicznego

Wykonano obliczenia następujących parametrów cieplnych:

• strumienia ciepła przepływającego przez złącze Φ,
• liniowego współczynnika sprzężenia cieplnego między dwoma środowiskami L2D,
• liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ,
• gałęziowego współczynnika przenikania ciepła części złącza Ψig.

Współczynnik Ψ jest równy stracie ciepła na 1 m długości elementu budowlanego zawierającego mostek cieplny, zmniejszonej o stratę ciepła, która nastąpiłaby, gdyby mostek nie występował. Obliczenia powinny być zgodne ze wszystkimi innymi znormalizowanymi obliczeniami przenikania ciepła dokonanymi przy założeniu takich samych warunków brzegowych.

W celu uniknięcia błędów wynikających z przeszacowania wielkości strat ciepła zaproponowano przyjęcie wartości gałęziowych współczynników przenikania ciepła, w odróżnieniu od wymagań zawartych w polskich katalogach, opracowaniach i normach, które podają wartości współczynników Ψi dotyczące całej dodatkowej straty ciepła przez mostek. Jedynie w normie PN-EN 12831:2006 [11] zauważa się potrzebę ich podziału przy obliczeniach strat ciepła „metodą pomieszczenie po pomieszczeniu” i proponuje się, aby: „całkowite wartości Ψi obliczone według EN ISO 10211-1 zostały podzielone na dwa…”. Tymczasem określanie całej dodatkowej straty ciepła przez mostek w wielu wypadkach jest podstawowym błędem. Aby wykonać obliczenia cieplne odniesione do pewnych fragmentów budynku, np. poszczególnych ścian zewnętrznych, należy dokonać podziału wartości współczynnika Ψ na odpowiednie gałęzie złącza uczestniczące w stratach ciepła. Przykładowy podział mostka cieplnego: połączenie ściany zewnętrznej ze stropem w przekroju przez nadproże z oknem przedstawiono na rys. 1.

Wykonanie podziałów jest często bardzo uciążliwe, ponieważ wymaga analizy składowych strumieni ciepła płynących przez mostek termiczny. Wydzielenie częściowych (gałęziowych) strumieni ciepła w złączu jest możliwe przy zastosowaniu numerycznych metod obliczeniowych. W obliczeniach własnych zastosowano program komputerowy TRISCO [2], który umożliwia uzyskanie wartości poszukiwanych częściowych strumieni bezpośrednio, po uprzednim dokładnym zdefiniowaniu gałęzi (powierzchni złącza), przez które przepływają strumienie. Może to dotyczyć opisywanych złączy dwuwymiarowych, a także trójwymiarowych. Przedstawione na rys. 1 złącze tworzy gałęzie kształtujące trzy różne strumienie cieplne:

• pierwszy (górna część złącza) napływa na powierzchnię przegrody zewnętrznej (a) oraz górną warstwę stropu (b), oznaczono go następująco: Φ_iG = Φ_iG(a) + Φ_iG(b);

• drugi (dolna część złącza) napływa na dolną część stropu (c) oraz na powierzchnię przegrody zewnętrznej (d): Φ_iD = Φ_iD(c) + Φ_iD(d);

• trzeci (okno) napływa na powierzchnię ościeżnicy i zestawu szybowego (e): Φ_iO.

Ważna jest zależność:

Φ = Φ_iG + Φ_iD+ Φ_iO,

gdzie Φ oznacza całkowity strumień ciepła płynący przez złącze w przyjętych granicach geometrycznych. Jednak ze względu na różną geometrię złącza i układu konstrukcyjnego w wielu wypadkach Φ_iG ≠ Φ_iD≠ Φ_iO.

Dla określonych wielkości strumieni napływających: Φ_iG, Φ_iD, Φ_iO jest możliwe, według odpowiednich zależności, wyznaczenie gałęziowych współczynników przenikania ciepła odpowiednich części złącza. Proponowane podziały innych złączy zaprezentowano w pracach [3 i 5].

Połączenie ściany zewnętrznej ze stropem w przekroju przez nadproże z oknem (rys. 1) daje złącze dwuwymiarowe, w odniesieniu do którego oblicza się gałęziowe (częściowe) współczynniki przenikania ciepła:

• Ψ_iG (dla górnej części złącza),
• ΨiD (dla dolnej części złącza),
• Ψ_iO (dla części złącza z oknem).

Po zsumowaniu Ψ_iG + Ψ_iD+ Ψ_iO otrzymujemy całościowy współczynnik Ψ_i dla całego mostka termicznego. Wydzielenie części związanej z oknem jest konieczne tym bardziej, że poziom wymagań cieplnych dla ścian i okna znacznie się różni. Dlatego wartości współczynnika ΨiO (dla części złącza z oknem) znajdują zastosowanie w obliczeniach związanych ze stratami ciepła przez okna. W Polsce przyjęto bowiem taki model realizacji wymagań termoizolacyjnych, który nakazuje obliczać wartości współczynników przenikania ciepła poszczególnych przegród w budynkach, co nie jest możliwe bez podziału liniowych współczynników przenikania ciepła występujących mostków.