Dachy i stropodachy – wybrane kwestie projektowe w aspekcie cieplno-wilgotnościowym

*****
W artykule przedstawiono obliczenia i analizy w zakresie projektowania cieplno-wilgotnościowego wybranych rozwiązań materiałowych dachów i stropodachów oraz ich złączy.

Roofs and flat roofs – selected thermal and humidity design aspects

The article presents calculations and analyses in the scope of thermal and humidity design of selected material solutions for roofs and flat roofs and their joints.
*****

Wymagania prawne w zakresie projektowania cieplno-wilgotnościowego dachów i stropodachów

Wymagania prawne w zakresie projektowania dachów i stropodachów oraz ich złączy w aspekcie cieplno-wilgotnościowym sformułowano w rozporządzeniu [1]:

• kryterium cieplne, polega na sprawdzeniu warunku cieplnego: U_c ≤ U_c(max), gdzie U_c – współczynnik przenikania ciepła dachu lub stropodachu obliczony wg PN-EN ISO 6946:2017 [2], U_c(max) – maksymalna wartość współczynnika przenikania ciepła sformułowana w rozporządzeniu [1],
• kryterium wilgotnościowe, polega na sprawdzeniu ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej (ƒ_Rsi(2D)/ƒ_Rsi(3D) ≥ ƒ_Rsi,kryt., gdzie: ƒ_Rsi(2D)/ƒ_Rsi(3D) – czynnik temperaturowy w analizowanym złączu, ƒ_Rsi,kryt. – wartość krytyczna czynnika temperaturowego) oraz sprawdzeniu kondensacji międzywarstwowej.

Procedury obliczeniowe w tym zakresie opisano szczegółowo m.in. w pracach [3, 4].

Zobacz też: Jakie cechy powinny mieć nowoczesne dachy płaskie

Przykładowe rozwiązania materiałowe 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.

Rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe stropodachów drewnianych różnią się od siebie sposobem ułożenia warstwy izolacji termicznej oraz sposobem wentylowania. Występuje kilka możliwości mocowania termoizolacji (RYS. 1–3):

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

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.

Do ocieplania dachów drewnianych według [4, 5] stosowane są najczęściej następujące materiały termoizolacyjne:

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

Stropodach 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. 4–6 przedstawiono przykładowe rozwiązania materiałowe stropodachu pełnego, o odwróconym układzie warstw materiałowych i wentylowanego.

Szczegółowe obliczenia i analizy w zakresie projektowania cieplnego dachów i stropodachów przedstawiono m.in. w pracach [5, 6], a poniżej zaprezentowano tylko wybrane przykłady obliczeniowe.

Przykład obliczeniowy 1

Obliczono całkowity opór cieplny R_T [(m²·K)/W] oraz wartość współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] stropodachu drewnianego o układach warstw materiałowych przedstawionych na RYS. 7.

Obliczenia współczynnika przenikania ciepła U dachów drewnianych, jako przegród niejednorodnych cieplnie, określa się metodą kresów wg PN-EN ISO 6946:2017 [2].

Przyjmując do obliczeń metodą kresów wg PN-EN ISO 6946:2017 [2] 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 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 drewniany nie spełnia kryterium cieplnego wg rozporządzenia [1] od 1.01.2021 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 wewnętrznej – np. płyta z pianki poliuretanowej gr. 5 cm. (RYS. 8).

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 drewniany spełnia kryterium cieplne wg rozporządzenia [1] 1.01.2021 r.: U_c = 0,12 W/(m²·K) < U_c(max) = 0,15 W/(m²·K).

Przykład obliczeniowy 2

Obliczono parametry fizykalne połączenia ściany zewnętrznej z dachem drewnianym. Przyjęto uproszczone modele obliczeniowe (bez zastosowania odpowiedniego kąta nachylenia połaci dachowej):

• wariant I:

- ściana zewnętrzna dwuwarstwowa (beton komórkowy gr. 24 cm, styropian grafitowy gr. 15 cm) o współczynniku przenikania ciepła U_c = 0,163 W/(m²·K);
- dach drewniany (krokiew/wełna mineralna gr. 18 cm, wełna mineralna 12 cm) o współczynniku przenikania ciepła U_c = 0,148 W/(m²·K),

• wariant II:

- ściana zewnętrzna dwuwarstwowa (beton komórkowy 24 cm, płyty z pianki poliuretanowej 15 cm) o współczynniku przenikania ciepła U_c = 0,132 W/(m²·K);
- dach drewniany (krokiew/płyty z pianki poliuretanowej gr. 18 cm, płyty z pianki poliuretanowej 12 cm) o współczynniku przenikania ciepła U_c = 0,101 W/(m²·K),

• wariant III:

- ściana zewnętrzna dwuwarstwowa (beton komórkowy 24 cm, płyty z pianki poliuretanowej 20 cm) o współczynniku przenikania ciepła Uc = 0,104 W/(m²·K);
- dach drewniany (krokiew/płyty z pianki poliuretanowej gr. 18 cm, płyty z pianki poliuretanowej 17 cm) o współczynniku przenikania ciepła U_c = 0,090W/(m²·K).

Do obliczeń przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO-KOBRU 86 [7] przyjęto następujące założenia:

• modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami przedstawionymi w PN-EN ISO 10211:2017 [8],
• opory przejmowania ciepła (R_si, R_se) przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2017 [2] przy obliczeniach strumieni cieplnych oraz wg PN-EN ISO 13788:2003 [9] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego ƒ_Rsi(2D),

• temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20ºC (pokój dzienny), temperatura powietrza zewnętrznego t_e= -20ºC (III strefa),
• wartości obliczeniowe współczynnika przewodzenia ciepła materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie danych producentów.

Na RYS. 9 -11 przedstawiono model obliczeniowy (jednego z wariantów), linie strumieni cieplnych (adiabaty) oraz rozkład temperatury (izotermy) dla połączenia ściany zewnętrznej z dachem drewnianym.

Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych analizowanego złącza zestawiono w TABELI 1.

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń (TABELA 1) można stwierdzić, że analizowane złącza budowlane (dwóch przegród zewnętrznych spełniających kryterium cieplne U_c ≤ U_c(max)) generują dodatkowe straty ciepła wynikające z połączenia ściany zewnętrznej z dachem drewnianym w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ.

W analizowanych wariantach obliczeniowych (TABELA 1) nie występuje ryzyko kondensacji powierzchniowej, ponieważ wartość ƒ_Rsi(2D) jest większa od wartości granicznej ƒ_Rsi.(kryt.) = 0,785 – określonej wg pracy [3].

Przykład obliczeniowy 3

Obliczono parametry fizykalne połączenia ściany zewnętrznej ze stropodachem pełnym. Przyjęto modele obliczeniowe (w trzech wariantach obliczeniowych):

• wariant I:

- ściana zewnętrzna dwuwarstwowa (beton komórkowy gr. 24 cm, styropian grafitowy gr. 15 cm) o współczynniku przenikania ciepła U_c = 0,163 W/(m²·K);
- stropodach pełny (płyta stropowa gr. 12 cm, styropian grafitowy 15 cm) o współczynniku przenikania ciepła U_c = 0,150 W/(m²·K),

• wariant II:

- ściana zewnętrzna dwuwarstwowa (beton komórkowy 24 cm, płyty z pianki poliuretanowej 15 cm) o współczynniku przenikania ciepła U_c = 0,132 W/(m²·K);
- stropodach pełny (płyta stropowa gr. 12 cm, płyty z pianki poliuretanowej gr. 15 cm) o współczynniku przenikania ciepła U_c = 0,117 W/(m²·K),

• wariant III:

- ściana zewnętrzna dwuwarstwowa (beton komórkowy 24 cm, płyty z pianki poliuretanowej 20 cm) o współczynniku przenikania ciepła U_c = 0,104 W/(m²·K);
- stropodach pełny (płyta stropowa gr. 12 cm, płyty z pianki poliuretanowej gr. 20 cm) o współczynniku przenikania ciepła U_c = 0,094 W/(m²·K).

Do obliczeń przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO-KOBRU 86 [7] przyjęto następujące założenia:

• modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami przedstawionymi w PN-EN ISO 10211:2017 [8],
• opory przejmowania ciepła (R_si, R_se) przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2017 [2] przy obliczeniach strumieni cieplnych oraz wg PN-EN ISO 13788:2003 [9] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego ƒ_Rsi(2D),
• temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20ºC (pokój dzienny), temperatura powietrza zewnętrznego t_e= -20ºC (III strefa),
• wartości obliczeniowe współczynnika przewodzenia ciepła materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie danych producentów.

Na RYS. 12–14 przedstawiono model obliczeniowy (jednego z wariantów), linie strumieni cieplnych (adiabaty) oraz rozkład temperatury (izotermy) dla połączenia ściany zewnętrznej ze stropodachem pełnym.

Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych analizowanego złącza zestawiono w TABELI 2.

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń (TABELA 2) można stwierdzić, że analizowane złącza budowlane (dwóch przegród zewnętrznych spełniających kryterium cieplne U_c ≤ U_c(max)) generują dodatkowe straty ciepła wynikające z połączenia ściany zewnętrznej ze stropodachem pełnym w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ.

W analizowanych wariantach obliczeniowych (TABELA 2) nie występuje ryzyko kondensacji powierzchniowej, ponieważ wartość ƒ_Rsi(2D) jest większa od wartości granicznej ƒ_Rsi.(kryt.) = 0,785 – określonej wg [3].

Podsumowanie i wnioski

W artykule przedstawiono tylko przykładowe rozwiązania materiałowe dachów i stropodachów oraz ich złączy. Dobór rodzaju i grubości materiału termoizolacyjnego powinien być oparty na podstawie obliczeń parametrów fizykalnych z uwzględnieniem kryterium cieplnego i wilgotnościowego. Zasadne staje się opracowanie katalogu rozwiązań materiałowych dachów i stropodachów oraz ich złączy spełniających wymagania dla budownictwa energooszczędnego i pasywnego z uwzględnieniem zagadnień cieplno-wilgotnościowych, akustycznych i przeciwpożarowych.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Rozwoju i Technologii z dnia 27 października 2023 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2023 r., poz. 2442).
2. PN-EN ISO 6946:2017, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
3. 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.
4. M. Wesołowska, K. Pawłowski, „Aspekty związane z dostosowaniem obiektów istniejących do standardów budownictwa energooszczędnego”, Agencja Reklamowa TOP, Włocławek 2016. Praca wydana w ramach projektu finansowanego ze środków funduszy norweskich i środków krajowych.
5. 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.
6. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród poziomych z uwzględnieniem wymagań cieplno-wilgotnościowych od 1 stycznia 2021 roku”, „IZOLACJE” 3/2020, s. 19–34.
7. Program komputerowy TRISCO-KOBRU 86.
8. PN-EN ISO 10211:2017, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
9. PN-EN ISO 13788:2003, „Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej umożliwiająca uniknięcie krytycznej wilgotności powierzchni wewnętrznej kondensacji. Metody obliczania”.