Układy materiałowe wybranych przegród zewnętrznych w aspekcie wymagań cieplnych

Abstrakt

Artykuł jest trzecią częścią cyklu pt. „Fizyka cieplna budowli w projektowaniu, wznoszeniu i eksploatacji budynków”, w którym prezentowane są zagadnienia praktyczne współczesnego budownictwa. Tym razem przedstawiono zasady kształtowania układów materiałowych wybranych przegród zewnętrznych z uwzględnieniem przypływu ciepła w polu jednowymiarowym (1D).

Material layouts of selected external partitions in the aspect of heat requirements

The article is the third part of the series entitled „Thermal physics of buildings in the design, construction and operation of buildings”, in which practical issues of modern construction are presented. This time, the principles of shaping material systems of selected external partitions were presented, taking into account the heat flow in a one-dimensional (1D) field.

***

Należy podkreślić, że często zagadnienia fizyki cieplnej budowli sprowadzają się przede wszystkim do analizy cieplnej przegród zewnętrznych budynków, poddanych oddziaływaniom zmiennych w czasie temperatur zewnętrznych i wewnętrznych. W wielu przypadkach rozwiązanie przepływu ciepła sprowadza się 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). Natomiast w obrębie przegrody mogą występować miejsca zaburzające jej ciągły charakter – wstawki materiałowe, stolarka okienna i drzwiowa, zmienna grubość izolacji cieplnej.

W tych wszystkich przypadkach pojawia się pole temperatur: płaskie (2D) lub przestrzenne (3D), zmieniające istotnie procedurę prowadzenia obliczeń cieplno-wilgotnościowych przegrody.

Jeżeli powstałe płaskie lub przestrzenne pole temperatur w istotny sposób zmienia ukształtowany w polu jednowymiarowym prostolinijny przebieg izoterm i adiabat – zakrzywiając je, można wówczas mówić o mostku cieplnym (termicznym) w przegrodzie lub złączu [2, 3].

Jakość cieplna ścian zewnętrznych

Ściany to pionowe przegrody w budynku, które można podzielić na dwie podstawowe grupy:

• ściany wewnętrzne (nośne, usztywniające, działowe i działowe międzymieszkaniowe),
• ściany zewnętrzne (nośne i osłonowe).

Zmieniające się wymagania powodują, że na etapie projektowania i wykonywania pojawiają się nowe rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe ścian zewnętrznych. Najczęściej stosowanymi technologiami wznoszenia ścian zewnętrznych budynków w Polsce są technologia murowana, drewniana lub prefabrykowana.
Ściany zewnętrzne murowane warstwowe (RYS. 1–3) składają się z warstw:

• konstrukcyjnej,
• izolacji cieplnej,
• pustki powietrznej wentylowanej (w przypadku ścian szczelinowych),
• elewacyjnej (w przypadku ścian trójwarstwowych i szczelinowych).

Do wznoszenia warstwy konstrukcyjnej powszechnie stosuje się materiały ceramiczne, materiały silikatowe: pełne lub drążone, elementy betonowe, np. pustaki szalunkowe, pustaki z autoklawizowanego betonu komórkowego i elementy murowe z kamienia naturalnego. Jej głównym zadaniem jest zdolność przenoszenia obciążeń z wyższych kondygnacji oraz w wyniku parcia wiatru. W przypadku znaczących obciążeń często stosuje się słupy żelbetowe (jako trzpienie).

W przypadku ścian warstwowych, aby uzyskać odpowiednią izolacyjność cieplną w postaci współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] należy dobrać odpowiednią grubość izolacji cieplnej w różnych postaciach. Materiały do warstwy izolacji cieplnej powinny charakteryzować się niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] i dużą porowatością.

Do grupy materiałów warstwy izolacji cieplnej można zaliczyć:

• styropian – materiał syntetyczny, sztuczny, produkowany z granulek poliestrowych, które podczas spienienia powiększają swoją objętość ponadczterokrotnie,
• wełnę mineralną – materiał nieorganiczny, włóknisty, produkowany z mieszaniny surowców naturalnych (bazalty, margle) i odpadowych (żużel wielkopiecowy),
• polistyren ekstrudowany – materiał nienasiąkliwy, nieulegający korozji biologicznej,
• styropian grafitowy (szary) – materiał produkowany z gotowego półproduktu w postaci grafitowych granulek, które należy spienić, uformować i pociąć, proces produkcji styropianu grafitowego wygląda tak, jak w przypadku styropianu białego; materiał ma lepsze właściwości izolacyjne z powodu grafitowego koloru odbijającego promieniowanie cieplne,
• 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 – materiał będący rodzajem sztywnej piany o wyjątkowo małej gęstości (na jego masę składa się w 90–99,8% powietrze, resztę stanowi porowaty materiał tworzący jego strukturę),
• płyty celulozowe – włókna celulozowe są produktem przyjaznym naturze, ponieważ powstają z surowców wtórnych, a konkretnie z makulatury; powstające w efekcie mielenia papierowych resztek, impregnowane są preparatami solnymi (dzięki temu zyskują wysoką odporność na mikroorganizmy, owady, a także na ogień, włóknoceluloza to materiał trudnozapalny); włóknoceluloza potrafi również pochłaniać dźwięki i zwiększać komfort akustyczny w izolowanych budynkach,
• płyty klimatyczne – wytwarzane z silikatu wapiennego na bazie mineralnej (kryształki tworzą szkielet); mikropory powiązane są wzajemnie między sobą i otaczającym z zewnątrz powietrzem, co umożliwia uzyskanie wysokiej kapilarności; jest to materiał paroprzepuszczalny, posiadający otwarte pory, kapilarnie aktywny, termoizolacyjny, przyjazny dla środowiska naturalnego, niepalny oraz zapobiegający tworzeniu się pleśni i zagrzybień,
• izolacje próżniowe – płyty z porowatego materiału na bazie krzemionki lub włókien szklanych z mikroporami o rozmiarach 0,0001 mm 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.

Od strony zewnętrznej należy zastosować tynk zewnętrzny (w przypadku ścian dwuwarstwowych) lub warstwę elewacyjną (w przypadku ścian trójwarstwowych i szczelinowych).

Do wykończenia ścian dwuwarstwowych można stosować siatki zbrojące z włókna szklanego, metalowego lub tworzywa sztucznego, które stanowią podkład dla tynków cienkowarstwowych: mineralnych, silikatowych (krzemianowych), silikonowych, silikatowo-silikonowych, polimerowych (np. akrylowych).

Ze względu na rodzaj faktury wyróżnia się tynki: gładkie, drapane, ziarniste (baranki), modelowane i mozaikowe.

W przypadku ścian trójwarstwowych i szczelinowych warstwa elewacyjna wykonywana jest najczęściej z cegły klinkierowej, bloczków wapienno-piaskowych (silikatowych) oraz płyt z drewna.

W kształtowaniu układu warstw materiałowych w ścianie szczelinowej należy zaprojektować szczelinę dobrze wentylowaną między warstwą izolacji cieplnej a warstwą elewacyjną o odpowiedniej grubości z zapewnieniem swobodnej cyrkulacji powietrza (otworów w warstwie elewacyjnej). Warstwa elewacyjna powinna być połączona z warstwą konstrukcyjną za pomocą kotew metalowych (łączników mechanicznych) w liczbie od 5 do 6 szt./m² powierzchni ściany.

Ze względu na zmiany temperatury (w okresie letnim do 50°C, a w okresie zimowym do –25°C), w celu uniknięcia występowania zarysowań, wybrzuszeń, kruszenia i odpryskiwania materiału warstwy elewacyjnej, zaleca się stosowanie w zewnętrznej warstwie ściany szczelinowej przerwy dylatacyjnej (w odległości 8–12 m w zależności od rodzaju warstwy elewacyjnej).

Przykład obliczeniowy 1

Obliczono współczynnik przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] dwuwarstwowych ścian zewnętrznych, przyjmując następujące założenia:

• temperatura obliczeniowa zewnętrzna: Toruń – III strefa klimatyczna: t_e = –20°C,
• temperatura obliczeniowa wewnętrzna: pomieszczenia przeznaczone do przebywania ludzi bez okryć zewnętrznych i niewykonujących w sposób ciągły pracy fizycznej (pokoje mieszkalne, przedpokoje, kuchnie, korytarze): t_i = 20°C,
• opór przejmowania ciepła dla ściany; wartości oporów przejmowania ciepła dla poziomego kierunku strumienia ciepła:
  - opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody: R_si = 0,13 (m²·K)/W,
  - opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody: R_se = 0,04 (m²·K)/W,
• wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie pracy [4].

Obliczenia współczynnika przenikania ciepła U_c przeprowadzono zgodnie z procedurą prezentowaną w PN-EN ISO 6946:2008 [5] (RYS. 4–5).

W TABELI zestawiono wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)]. Kolorem zielonym zaznaczono wartości współczynnika przenikania ciepła U_c dla rozwiązań materiałowych ścian zewnętrznych spełniających kryterium cieplne: U_c <  U_c(max) = 0,20 W/(m^2·K).

Istotny wpływ na wartość współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] ma przyjęta wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] materiału izolacyjnego. W odniesieniu do jednego rodzaju izolacji może się ona wahać w znacznym przedziale w zależności od produktu, co wynika z szybkiego rozwoju rynku materiałów termoizolacyjnych oraz coraz bardziej zaawansowanych technologii produkcyjnych. Szczegółowe obliczenia i analizy w zakresie projektowania cieplnego ścian zewnętrznych przedstawiono m.in. w pracach [6, 7].

Jakość cieplna dachów i stropodachów

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),
• warstwę izolacji cieplnej, paroszczelnej,
• warstwę podkładu (deskowanie, łacenie),
• pokrycie dachowe (dachówka ceramiczna, dachówka cementowa, gont bitumiczny, blacha trapezowa itp.).

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 stosowane są najczęściej następujące materiały termoizolacyjne:

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

Rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe stropodachów drewnianych różnią się od siebie sposobem ułożenia warstwy izolacji termicznej oraz sposobem wentylowania.

Występuje kilka możliwości mocowania termoizolacji (RYS. 6–8):

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

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.

Przykład obliczeniowy 2

Obliczono całkowity opór cieplny RT [(m²·K)/W] oraz wartość współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] stropodachu drewnianego o układach warstw materiałowych przedstawionych RYS. 9.

Obliczenia współczynnika przenikania ciepła U dachów drewnianych, jako przegród niejednorodnych cieplnie, określa się metodą kresów (RYS. 10).

Przyjmując do obliczeń metodą kresów wg PN-EN ISO 6946:2008 [5] wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ:

• dla płyt gipsowo-kartonowych gr. 1,25 cm – 0,23 W/(m·K),
• dla drewna gr. 18 cm – 0,18W/(m·K),
• dla płyt z pianki poliuretanowej gr. 18 cm – 0,022 W/(m·K)

otrzymano wartość R_T = 5,66 (m²·K)/W oraz U_c = 0,18 W/(m²·K).

Analizowany stropodach nie spełnia kryterium cieplnego wg rozporządzenia [1] od 31.12.2020 r.: U_c = 0,18 W/(m²·K)  >  U_c(max) = 0,15 W/(m²·K).

Aby zmniejszyć wartość współczynnika przenikania ciepła U_c, należy zaproponować zastosowanie dodatkowej warstwy izolacji cieplnej od strony zewnętrznej – np. płyta z pianki poliuretanowej gr. 5 cm (RYS. 11).

Dla analizowanego rozwiązania materiałowego (z dodatkową warstwą izolacji cieplnej) określono wartość R_T = 8,49 (m²·K)/W oraz U_c = 0,12 W/(m²·K).

Analizowany stropodach spełnia kryterium cieplne wg rozporządzenia [1] z 31.12.2020 r.: U_c = 0,12 W/(m²·K)  <  U_c(max) = 0,15 W/(m²·K).

Przykład obliczeniowy 3

Obliczono całkowity opór cieplny R_T [(m²·K)/W] oraz wartość współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] stropodachu drewnianego o układzie warstw materiałowych przedstawionym na RYS. 12.

Przyjmując do obliczeń metodą kresów wg PN-EN ISO 6946:2008 [5] wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ:

• dla płyt gipsowo-kartonowych gr. 1,25 cm – 0,23 W/(m·K),
• dla drewna gr. 18 cm – 0,18 W/(m·K),
• dla otwartokomórkowej pianki półsztywnej o własnościach samogasnących gr. 18 cm + 12 cm – 0,037 W/(m·K)

otrzymano wartość R_T = 7,36 (m²·K)/W oraz U_c = 0,14 W/(m²·K).

Analizowany stropodach spełnia kryterium cieplne wg rozporządzenia [1] od 31.12.2020 r.: U_c = 0,14 W/(m²·K)  <  U_c(max) = 0,15 W/(m²·K).

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, odpowietrzane i wentylowane.

Do ocieplania stropodachów pełnych stosowane są najczęściej następujące materiały termoizolacyjne:

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

Natomiast 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. Na RYS. 13–14 przedstawiono przykładowe rozwiązania materiałowe stropodachu pełnego i wentylowanego.

Szczegółowe obliczenia i analizy w zakresie projektowania cieplnego dachów i stropodachów przedstawiono m.in. w pracach [8, 9].

Podsumowanie i wnioski

Współczynnik przenikania ciepła U_c [W/(m2·K)] jest podstawowym parametrem służącym do sprawdzenia kryterium cieplnego U_c  ≤  U_c(max.). Wraz ze zmieniającymi się wartościami U(max)/Uc(max.) niektóre rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe ścian zewnętrznych nie spełniają podstawowego kryterium (U_c  ≤  U_max).

Określone wartości U_c wykorzystywane są do dalszych obliczeń w zakresie analizy cieplno-wilgotnościowej przegród i całego budynku (np. współczynnika strat ciepła przez przenikanie H_tr [W/K], zapotrzebowania na energię użytkową EU, na energię końcową EK i pierwotną EP [kWh/(m²·rok)]). Należy także podkreślić, że przy kształtowaniu układu warstw materiałowych przegród zewnętrznych powinno się uwzględniać kryteria w zakresie:

• izolacyjności cieplnej,
• kondensacji powierzchniowej i międzywarstwowej,
• izolacyjności akustycznej,
• ochrony przeciwpożarowej,
• nośności i trwałości konstrukcji.

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 z późn. zmianami; DzU z 2022 r., poz. 248).
 2. A. Dylla, „Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych”, Wydawnictwo Uczelniane UTP w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2009.
 3. A. Dylla, K. Pawłowski, „Konieczne zmiany w ocenie jakości cieplno-wilgotnościowej elementów budynków energooszczędnych” [w]: „Budownictwo energooszczędne w Polsce – stan i perspektywy” M. Wesołowska, A. Podhorecki (red.), Wydawnictwo Uczelniane UTP w Bydgoszczy, 2015, s. 281–292.
 4. 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.
 5. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
 6. K. Pawłowski, „Projektowanie ścian w budownictwie energooszczędnym. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe ścian zewnętrznych i ich złączy w świetle obowiązujących przepisów prawnych”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2017.
 7. K. Pawłowski, „Projektowanie ścian zewnętrznych z uwzględnieniem wymagań cieplno-wilgotnościowych od 1 stycznia 2021 r.”, „IZOLACJE” 7/8/2020, s. 20–34.
 8. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród poziomych w budownictwie energooszczędnym. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród stykających się z gruntem, stropów oraz dachów i stropodachów w świetle obowiązujących przepisów prawnych”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2018.
 9. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród poziomych z uwzględnieniem wymagań cieplnowilgotnościowych od 1 stycznia 2021 roku”, „IZOLACJE” 3/2020, s. 19–34.
10. 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.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!