Projektowanie budynków biurowych z wykorzystaniem nowych materiałów izolacyjnych

W budynkach biurowych często stosowanym systemem wykonania ścian zewnętrznych są konstrukcje wentylowane z okładziną, np. z blachy, kamienia lub płyt włóknisto-cementowych (RYS. 1–2).

Tego typu przegrody zawierają punktowe mostki cieplne wynikające z konieczności stosowania konstrukcji podtrzymującej materiał izolacyjny oraz punktowe mostki konstrukcji wsporczej okładzin zewnętrznych.

Do niedawna wpływ takich miejsc był pomijany przez projektantów. Obecnie, dzięki powszechniejszemu dostępowi do kamer termowizyjnych, bardziej szczegółowo obserwuje się i analizuje zjawiska zwiększonego strumienia ciepła (FOT. 1–4).

Mostki punktowe w ścianach wentylowanych

Płyty kamienne, włóknisto-cementowe oraz okładziny z blachy stosowane jako elementy ścian zewnętrznych wentylowanych mogą być mocowane w różnych systemach. Wybór techniki zamocowania ma wpływ na wielkość i intensywność mostków termicznych, a tym samym – na izolacyjność ściany.

Okładziny mogą być mocowane do podłoża za pomocą elementów kotwiących wykonanych ze stali budowlanej lub nierdzewnej. Ze względu na rosnące wymagania w zakresie izolacyjności termicznej odchodzi się od stali budowlanej na rzecz stali nierdzewnej o współczynniku przewodzenia ciepła równym 15–17 W/(m·K) z przekładkami termicznymi. Obecnie testuje się również łączniki ze specjalnych tworzyw sztucznych, które najprawdopodobniej wyeliminują lub znacznie zmniejszą wpływ punktowych mostków cieplnych na izolacyjność ściany.

Najpopularniejszą metodą montażu okładzin z kamienia naturalnego jest mocowanie płyt do podłoża konstrukcyjnego za pomocą kotwi z płaskowników ze stali nierdzewnej. Zasada montażu polega na wywierceniu w podłożu otworu i osadzeniu w nim kotwy na zaprawie cementowej, na których zawiesza się płyty okładziny.

Każda płyta podpierana jest w czterech punktach rozmieszczonych na krawędziach pionowych lub poziomych płyt. Na RYS. 3–4 przedstawiono schematy mocowania elewacji z okładziną kamienną montowaną na kotwiach stalowych, a na RYS. 5 – rozkład temperatury na łączniku ze stali nierdzewnej zakotwionym w części nośnej ściany.

Określenie wpływu mostków cieplnych konstrukcji wsporczej jest przedmiotem analiz naukowych, opracowań eksperckich oraz aprobat technicznych. Na podstawie zdobytych doświadczeń można zauważyć, że trudno stworzyć katalogi punktowych mostków cieplnych.

Wachlarz dostępnych rozwiązań jest ogromny, dodatkowo zależny od izolacyjności stosowanych materiałów oraz wpływu zagadnień wytrzymałościowych na izolacyjność termiczną przegrody. Do prawidłowego oszacowania wpływu konstrukcji na parametry izolacyjne niezbędne jest określenie obciążenia od warstwy elewacyjnej, odległości od części konstrukcyjnej ściany, od sposobu mocowania oraz zastosowanych materiałów.

W pracy A. Byrdego [1] omówiono zagadnienia osłabienia izolacji termicznej ściany z okładziną kamienną. Korekta współczynnika przenikania ciepła, obliczona metodą MES wynosiła ΔU = 0,033 W/(m²·K). W aprobacie technicznej ITB AT-15-9158/2013 [2] wykonano obliczenia wsporczej dla konstrukcji systemowej elewacji wykonywanych z okładzin włóknisto-cementowych izolowanych wełną o różnych parametrach współczynnika przewodzenia ciepła. Wyniki zamieszczono w TABELI 1.

W przypadku konstrukcji bez podkładek termoizolacyjnych dodatek ze względu na mostki punktowe waha się od 0,1 W/(m²·K) do 0,13 W/(m²·K), a średnia wartość ΔU = 0,12 W/(m²·K), natomiast w konstrukcji z przekładką – od 0,07 W/(m²·K) do 0,09 W/(m2·K), średnio ΔU = 0,08 W/(m²·K).

Obliczenia wpływu mostków cieplnych na izolacyjność termiczną wykonano także w odniesieniu do ściany izolowanej pianką rezolową. Przy grubości izolacji termicznej 12 cm i 14 cm dodatek na łączniki punkowe wyniósł ΔU = 0,07–0,08 W/(m²·K). Do dalszych obliczeń przyjęto poprawkę DU = 0,07 W/(m²·K) dla wszystkich rodzajów izolacji termicznej.

Spełnienie wymagań na 2017 r.

Do analiz przyjęto konstrukcję ściany składającą się z tynku gipsowego gr. 1 cm, żelbetu gr. 20 cm lub silikatu gr. 24 cm, izolacji z włóknistych materiałów izolacyjnych (WMI) o λ = 0,042 W/(m·K) oraz λ = 0,036 W/(m·K) lub pianki rezolowej (PR) o λ = 0,02 W/(m·K), pozwalającej spełnić wymagania prawne w zakresie izolacji termicznej w 2017 r. według Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [3].

W przypadku WMI przewidziano mocowanie płyt za pomocą sześciu łączników stalowych ze stali nierdzewnej na 1 m² ściany oraz połączenia warstwy osłonowej z konstrukcją ścian za pomocą łączników ze stali nierdzewnej. Określenie izolacyjności i grubości ścian zamieszono w TABELACH 2–3.

W TABELI 4 przedstawiono dane do analizy energetycznej budynku biurowego wykonanego z żelbetu izolowanego włóknistymi materiałami izolacyjnymi (WMI) lub pianką rezolową (PR).

Przy zastosowaniu pianki rezolowej powierzchnia użytkowa będzie zwiększona o 133,92 m², co stanowi wzrost o ok. 2,5% powierzchni użytkowej uzyskanej przy stosowaniu WMI o λ = 0,042 W/(m·K) i ok. 1,8% powierzchni użytkowej przy ociepleniu WMI o λ = 0,036 W/(m·K). Iloraz powierzchni użytkowej do powierzchni zabudowy jest najwyższy w konstrukcji z izolacją z pianki rezolowej.

Przy zastosowaniu pianki rezolowej wartość współczynnika przenikania ciepła ściany wynosi U = 0,228 W/(m²·K), koszty budowy wzrosną o 259  588 zł, co stanowi 48 zł/m² p.u. Szczegółowe dane przedstawiono w TABELACH 5–6.

Czas zwrotu poniesionych zwiększonych nakładów na wykonanie izolacji termicznej pianką rezolową nastąpi po ok. SPBT = 2,68 lat. Zmniejszenie grubości izolacji termicznej ma wpływ na koszty konstrukcji wsporczej warstwy osłonowej, czego nie uwzględniono w przeprowadzonej analizie.

Należy dodatkowo zaznaczyć, że im grubsza izolacja termiczna, tym konstrukcja musi być odpowiednio większa, co przekłada się na wielkość mostków punktowych.

Spełnienie wymagań na 2021 r.

Do analiz przyjęto konstrukcję ściany składającą się z tynku gipsowego gr. 1 cm, żelbetu gr. 20 cm lub silikatu gr. 24 cm, izolacji z włóknistych materiałów izolacyjnych (WMI) o wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ = 0,042 W/(m·K) oraz λ = 0,036 W/(m·K) lub pianki rezolowej (PR) o λ = 0,02 W/(m·K) pozywające spełnić wymagania prawne w zakresie izolacji termicznej w 2021 r.

W przypadku WMI przewidziano mocowanie płyt za pomocą sześciu łączników stalowych ze stali nierdzewnej na 1 m² ściany oraz połączenia warstwy osłonowej z konstrukcją ścian za pomocą łączników ze stali nierdzewnej. Określenie izolacyjności i grubości ścian zamieszono w TABELI 7.

Grubość muru przy izolacji WMI jest większa odpowiednio o 18 cm przy λ = 0,042 W/(m·K) i 15 cm przy λ = 0,036 W/(m·K). W TABELI 8 przedstawiono dane do analizy energetycznej budynku biurowego wykonanego z żelbetu izolowanego włóknistymi materiałami izolacyjnymi (WMI) lub pianką rezolową (PR).

Przy zastosowaniu pianki rezolowej powierzchnia użytkowa zwiększy się o 150,42 m², co stanowi wzrost o ok. 2,86% powierzchni użytkowej uzyskanej przy stosowaniu WMI o λ = 0,042 W/(m·K) i ok. 1,8% powierzchni użytkowej przy ociepleniu WMI o λ = 0,036 W/(m·K). Iloraz powierzchni użytkowej do powierzchni zabudowy jest najwyższy przy izolacji z pianki rezolowej.

Przy zastosowaniu pianki rezolowej wartość współczynnika przenikania ciepła wynosi U = 0,228 W/(m²·K). Koszty budowy wzrosną o 259  588 zł, co stanowi 48 zł/m² p.u. Szczegółowe dane przedstawiono w TABELACH 9–10.

Czas zwrotu poniesionych zwiększonych nakładów na wykonanie izolacji termicznej pianką rezolową nastąpi po ok. SPBT = 2,2 lat. Zmniejszenie grubości izolacji termicznej ma wpływ na koszty konstrukcji wsporczej warstwy osłonowej, czego nie uwzględniono w przeprowadzonej analizie.

Podobnie jak w poprzednich obliczeniach, można stwierdzić, że zastosowanie pianki rezolowej o bardzo dobrych parametrach izolacyjnych w budynkach biurowych jest uzasadnione ekonomicznie.

Podsumowanie

W analizowanych przypadkach dzięki zastosowaniu pianki rezolowej o wartości współczynnika przewodzenia ciepła l = 0,02 W/(m·K) można uzyskać zwiększenie powierzchni biurowej. Rozwiązania tego typu są uzasadnione ekonomicznie w sytuacji, gdy powierzchnia zabudowy jest ograniczona.

Czas zwrotu poniesionych zwiększonych nakładów na inwestycje nie przekracza 4 lat. Rentowność zainwestowanych środków wynosi około 25% rocznie. W TABELI 11 przedstawiono możliwości uzyskania dodatkowej powierzchni dzięki zastosowaniu materiałów o lepszych parametrach izolacyjnych.

Korzyściami wynikającymi ze stosowania pianki rezolowej powinni zainteresować się m.in. deweloperzy wznoszący budynki wielorodzinne na działkach o bardzo korzystnej lokalizacji. Koszt takich działek jest stosunkowo wysoki, dlatego warto rozważyć rozwiązania materiałowe pozwalające zwiększyć powierzchnię użytkową. Z wykonanej analizy wynika, że zabieg ten jest opłacalny przy marży przekraczającej 2000–2500 zł/m² p.u.

Literatura

1. A. Byrdy, „Punktowe mostki termiczne w ścianach z okładziną z kamienia naturalnego”, materiały konferencyjne Energodom 2014.
2. Aprobata techniczna ITB AT-15-9158/2013.
3. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2013 r., poz. 926).
4. A. Byrdy, „Okładziny kamienne stosowane do wykonywania zewnętrznych elewacyjnych”, „IZOLACJE”, nr 6/2007, s. 68–70.
5. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (DzUrz L 153 z 18.06.2010 s. 13–35).
6. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczeń”.
7. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
8. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (DzU 2012 nr 0 poz. 462).
9. PN-EN ISO 13790:2009, „Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia”.
10. PN-EN ISO 13370:2001, „Właściwości cieplne budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metody obliczania”.
11. PN-EN 12831:2006 „Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego”.
12. PN-EN ISO 13789:2008, „Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynniki przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania”.
13. PN-EN ISO 10077-1:2007, „Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła”.
14. PN-83/B-03430/Az3:2000, „Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej”.
15. PN-EN 13829:2002, „Właściwości cieplne budynków. Określanie przepuszczalności powietrznej budynków. Metoda pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora”.
16. PN-EN ISO 9836:1997, „Właściwości użytkowe w budownictwie. Określanie i obliczanie wskaźników powierzchniowych i kubaturowych”.
17. PN-EN ISO 10456:2004, „Materiały i wyroby budowlane. Procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych”.
18. Aprobata techniczna ITB AT-15-9158/2013.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!