Balkony - analiza numeryczna parametrów cieplno­-wilgotnościowych w świetle nowych wymagań cieplnych

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], wprowadzono stopniowe zaostrzanie wymagań w zakresie wartości granicznych współczynnika U [W/(m²·K)]. W odniesieniu do ściany zewnętrznej budynku ustalono, że wartość U_C(maks.):

• w latach 2014–2016 ma wynosić 0,25 W/(m²·K),
• w latach 2017–2020 – 0,23 W/(m²·K),
• docelowo od 2021 r. – 0,20 W/(m²·K) (RYS. 1).

W rozporządzeniu zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], nie sformułowano wymagań w zakresie ograniczania strat ciepła przez złącza budowlane – dotyczących mostków cieplnych.

Zostały one sformułowane w wytycznych Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej [2] w odniesieniu do energooszczędnych budynków mieszkalnych o standardzie NF40 i NF15, do których budowy lub zakupu z kredytu będzie można otrzymać dopłatę z Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.

Wartości graniczne liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ dla mostków cieplnych w „Wytycznych określających podstawowe wymogi niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkalnych” [2] określono następująco:

• Ψ_maks. = 0,20 W/(m·K) w odniesieniu do płyt balkonowych w budynkach o standardzie NF40,
• Ψ_maks. = 0,10 W/(m·K) odnośnie pozostałych mostków cieplnych w budynkach o standardzie NF40,
• Ψ_maks. = 0,01 W/(m·K) w odniesieniu do mostków cieplnych w budynkach o standardzie NF15.

W celu ograniczenia dodatkowych strat ciepła oraz możliwości obniżenia temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego należy odpowiednio kształtować układy materiałowe w danym złączu przegród zewnętrznych budynku.

Szczególnie należy zwrócić uwagę na poprawne osadzenie okna w ścianie zewnętrznej, połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową, połączenie jej ze stropodachem oraz ze ścianą fundamentową i podłogą na gruncie.

W artykule zostanie przedstawiona szczegółowa analiza parametrów złącza ściany zewnętrznej z balkonem w trzech podstawowych wariantach.

Charakterystyka rozwiązań konstrukcyjno­‑materiałowych balkonów

Ukształtowanie rozwiązania konstrukcyjnego balkonu uzależnione jest od wielu czynników:

• obciążenia oddziałującego na konstrukcję,
• wnikania wody opadowej w konstrukcję balkonu,
• bezpieczeństwa użytkowania przez osoby korzystające z balkonu,
• mostków termicznych na styku płyty nośnej ze ścianą.

Głównym problemem w konstruowaniu połączenia balkonów ze ścianą jest zachowanie ciągłości termoizolacji. Jednym ze sposobów minimalizacji mostków termicznych jest sposób oparcia płyty na żelbetowych lub stalowych wspornikach kotwionych w wieńcu lub zastosowanie tzw. nośników izotermicznych.

Balkon wspornikowy

Grubość płyty w balkonie wspornikowym może być stała lub maleć w kierunku od ściany. Pręty główne w płycie wspornikowej umieszcza się w strefie rozciąganej i kotwi w wieńcu. Model obliczeniowy połączenia przedstawiono na RYS. 2.

Ustrój belkowo-płytowy

W przypadku balkonów o wysięgu większym niż 1,5 m bądź dużym obciążeniu płytę balkonową opiera się na belkach wspornikowych utwierdzonych w wieńcu. Grubość płyty w tym wypadku wynosi 8–10 cm. Model obliczeniowy połączenia przedstawiono na RYS. 3.

Nośniki izotermiczne

Straty energii minimalizuje zastosowanie łączników izotermicznych (RYS. 4) pozwalających na odsunięcie wspornikowej płyty balkonowej od wieńca stropu i wypełnienie tej przestrzeni systemowym materiałem termoizolacyjnym.

Łączniki to gotowe elementy, przygotowane do montażu i połączenia ze zbrojeniem wykonanym na budowie. Rozmiar oraz gęstość rozstawienia uzależnione są od wymagań statyczno-budowlanych, takich jak powierzchnia balkonu, wysunięcie oraz grubość płyty balkonowej.

Model obliczeniowy połączenia przedstawiono na RYS. 5.

Badania i obliczenia własne

Prawidłowe zaprojektowanie przegród zewnętrznych budynku pod względem cieplnym oraz wilgotnościowym wymaga od projektanta rozpatrzenia każdego złącza za pomocą szczegółowych obliczeń numerycznych lub dokładnych kart katalogowych.

W celu przedstawienia parametrów cieplno­‑wilgotnościowych mostków termicznych przeprowadzono analizę numeryczną przy wykorzystaniu programu komputerowego. Na ocenę parametrów cieplnych i wilgotnościowych danego złącza pozwalają generowane przez program dane wyjściowe, zawierające wyniki w postaci graficznej i tekstowej.

Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

• budynek zlokalizowany w III strefie – temp. powietrza zewnętrznego t_e = –20°C, temp. powietrza wewnętrznego t_i = +20°C,
• wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie tablic z prac: „Analiza numeryczna parametrów cieplnych wybranych przegród zewnętrznych budynku i ich złączy” [3] oraz „Praktyczna fizyka cieplna budowli” [4],
• wartości współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] obliczono zgodnie z normą PN­‑EN ISO 6946:2008 [5],
• warunki przejmowania ciepła na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni przegrody przyjęto zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:2008 [5] do obliczenia wielkości strumieni cieplnych oraz zgodnie z normą PN-EN ISO 13788:2003 [6] przy obliczaniu temperatur i czynnika temperaturowego f_Rsi,
• modelowanie analizowanych złączy wykonano zgodnie z zasadami sformułowanymi w normie PN-EN ISO 10211:2008 [7].

W wyniku obliczeń uzyskano wartości strumieni przepływających przez złącza F [W], rozkład linii strumieni cieplnych oraz rozkład izoterm.

Uzyskane wyniki pozwoliły wyznaczyć wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)] według określonych procedur obliczeniowych prezentowanych szczegółowo w pracach: „Analiza numeryczna parametrów cieplnych wybranych przegród zewnętrznych budynku i ich złączy” [3], „Praktyczna fizyka cieplna budowli” [4] oraz „Analiza numeryczna parametrów cieplno-wilgotnościowych złączy ścian zewnętrznych” [8], a także czynnik temperaturowy fRsi [-]. Wyniki obliczeń przedstawiono w TABELI.

Analiza wyników

Na podstawie obliczeń dokonano analizy parametrów charakteryzujących rozpatrywane warianty połączeń (RYS. 6–11) płyty balkonowej ze ścianą zewnętrzną i sformułowano następujące wnioski:

• analizowane złącza ściany zewnętrznej (przy gr. izolacji cieplnej 20 cm) spełniają podstawowe wymaganie w zakresie izolacyjności cieplnej według rozporządzenia zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [1] U_c = 0,171 W/(m²·K) < U_c(maks.) = 0,20 W/(m²·K). 
  
  Jednak połączenie z płytą balkonową generuje dodatkowe straty ciepła określone w postaci parametrów: Φ [W], L2D [W/(m·K)], Ψ_i [W/(m·K)] oraz występuje obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody t_si,min. [°C];
• w aspekcie oceny cieplno-wilgotnościowej najbardziej korzystnym rozwiązaniem jest wariant III – połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową za pomocą łącznika izotermicznego. 
  
  Uzyskano wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_i [W/(m·K)] na poziomie 0,094 (przy 12-centymetrowej izolacji cieplnej) oraz 0,081 (przy 20-centymetrowej izolacji cieplnej). 
  
  Poza tym rozwiązanie według wariantu I powoduje obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody do poziomu, w którym występuje ryzyko kondensacji powierzchniowej, ponieważ f_Rsi < f_Rsi,kryt.
  
  Wartość graniczna (krytyczna) czynnika temperaturowego, przy uwzględnieniu parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, analizowanych wariantów obliczeniowych wynosi f_Rsi(kryt.) = 0,778;
• w zakresie spełnienia wymagań stawianych budynkom w standardzie niskoenergetycznym NF 40 tylko złącze z wariantu III (przy grubości izolacji cieplnej 20 cm) spełnia wymaganie w zakresie liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ = 0,081 W/(m·K) < Ψ_maks. = 0,20 W/(m·K). Pozostałe przypadki nie spełniają wymagań dotyczących budynków zarówno w standardzie NF40, jak i NF15.

Podsumowanie i wnioski

Projektowanie połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową jest zagadnieniem złożonym i wymaga obliczeń i analiz w zakresie konstrukcyjnym i cieplno-wilgotnościowym. Takie szczegółowe obliczenia powinny być podstawą doboru materiałów.

Szczegółowe określenie parametrów cieplnych tego typu złączy za pomocą programu komputerowego pozwala na miarodajne oszacowanie strat ciepła i rozkładu temperatur oraz uniknięcie błędów na etapie wykonywania i eksploatacji budynków.

Przedstawione warianty obliczeniowe nie wyczerpują wszystkich rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych złączy ściany zewnętrznej z płytą balkonową. Zasadne jest więc opracowanie kart katalogowych, np. w wypadku styku ściany zewnętrznej z płytą balkonową i otworami okiennymi.

Literatura

1. 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).
2. „Wytyczne określające podstawowe wymogi niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkalnych oraz sposób weryfikacji projektów i sprawdzania wykonanych domów energooszczędnych”, Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej; dostępny w internecie: www.nfosigw.gov.pl.
3. M. Dybowska, „Analiza numeryczna parametrów cieplnych wybranych przegród zewnętrznych budynku i ich złączy”, praca magisterska, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2005.
4. A. Dylla, „Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych,” Wydawnictwo Uczelniane UTP, Bydgoszcz 2009.
5. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
6. PN-EN ISO 13788:2003, „Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacja międzywarstwowa. Metody obliczania”.
7. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
8. K. Pawłowski, M. Dybowska, „Analiza numeryczna parametrów cieplno-wilgotnościowych złączy ścian zewnętrznych”, „IZOLACJE”, nr 10/2012, s. 80–85.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!