Projektowanie dachów i stropodachów w aspekcie wymagań cieplnych – studium przypadku

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

Design of roofs and flat roofs in terms of thermal requirements – case study

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

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.

Przykładowe rozwiązania materiałowe dachów

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,
• na 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 [1, 2] stosowane są najczęściej następujące materiały termoizolacyjne: płyty drzewne, płyty z wełny owczej, płyty z wełny mineralnej, pianka poliuretanowa (PUR/PIR), a także płyty korkowe.

Wełna mineralna stosowana jest do ocieplenia dachów drewnianych skośnych w postaci mat i płyt o gęstości objętościowej ρ_ob. = 80÷120 kg/m³ i współczynniku przewodzenia ciepła λ_D = 0,032÷0,038 W/(m·K) w układzie: między krokwiami oraz dodatkowo pod krokwiami.

Pianka poliuretanowa PUR/PIR jest materiałem chemoutwardzalnym w postaci sztywnej piany natryskowej. Występuje w postaci pianki o porach otwartych (spieniona na budowie) i o porowatości zamkniętej (płyty z osłoną lub bez osłony). Sztywne płyty stosowane są jako izolacja podkrokwiowa (często z wykończeniem płytą gipsowo-kartonową) lub jako izolacja nadkrokwiowa (RYS. 2÷3). Przy gęstości objętościowej ρ_ob. = 35÷60 kg/m³ charakteryzują się współczynnikiem przewodzenia ciepła na poziomie λ_D =0,020÷0,023 W/(m·K).

Przykładowe rozwiązania materiałowe stropodachów

Stropodachy to elementy budynku pełniące funkcję przekrycia ostatniej kondygnacji, mające 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 [3, 4].

Dobór pokrycia dachowego zależy od kąta nachylenia połaci dachowej, stylu architektonicznego oraz upodobań (gustu) użytkowników.

Pochylenie dachu (nachylenie połaci dachowych) zależy od warunków klimatycznych, rodzaju pokrycia dachowego, rodzaju konstrukcji dachowej, przeznaczenia poddasza, wymagań architektonicznych.

Spadek połaci może być podawany w procentach (%) lub określany wartością kąta nachylenia połaci dachowej do poziomu (określa się go stosunkiem wysokości h do rzutu poziomego szerokości połaci dachowej i równa się tg α).

Na RYS. 7 przedstawiono zależność w zakresie nachylenia połaci dachowej – rodzaj pokrycia dachowego.

Do grupy materiałów pokryciowych lekkich można zaliczyć:

• płyty bitumiczne (3,3 kg/m²),
• papy (4÷6 kg/m²),
• blachodachówkę (5 kg/m²),
• gonty bitumiczne (8÷15 kg/m²).

Natomiast przykładowymi materiałami pokryciowymi ciężkimi są dachówki cementowe (35÷46 kg/m²) oraz dachówki ceramiczne (40÷75 kg/m²).

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.

Dach zielony (RYS. 8) to rodzaj stropodachu o odwróconym układzie warstw, dzięki czemu jest możliwość uprawy różnego rodzaju roślinności.

Zastosowanie formy (przyjęcie rozwiązania materiałowego) dachu zielonego zasadniczo nie jest ograniczone wysokością budynku, ponieważ stosuje się to rozwiązanie zarówno w budynkach niskich, jak i wysokich. W przypadku stosowania wysokich form architektury należy uwzględnić utrudnione warunki klimatyczne (silne porywy wiatru oraz znaczące nasłonecznienie). Wiąże się to z odpowiednim doborem struktury roślinnej. Formę ogrodową dachów zielonych wykonuje się na budynkach użyteczności publicznej (przykładem jest budynek Biblioteki Uniwersytetu Warszawskiego), ale także w budownictwie wielorodzinnym, przemysłowym i niskiej zabudowie jednorodzinnej. Ogrody na dachach umieszcza się zazwyczaj na dachach płaskich – stropodachach o pochyleniu połaci od 5 do 35%. Przy wartości pochylenia większej niż 20° dach zielony należy zabezpieczać przed osuwaniem się zieleni.

Duże znaczenie roślinności w strukturze miejskiej zaczęło być doceniane niedawno, choć jej wartości estetyczne znane były w wielu kulturach od setek lat. Ogrody zielone to istotne elementy zieleni, wprowadzające nowe znaczenie w architekturze i urbanistyce. Wykorzystanie technologii dachów zielonych daje duże możliwości kreowania form architektonicznych. Zastosowanie różnego typu zieleni nadaje obiektowi i terenom otaczającym go indywidualny wygląd i charakter. Tak stworzony obiekt wraz z zastosowaną zielenią może się przyczynić do identyfikacji terenu w przestrzeni, stać się wyróżnikiem danego osiedla. Wykorzystanie przez architekta rozwiązania ogrodu zielonego wraz z innymi materiałami ekologicznymi przyczynia się w znacznym stopniu do ochrony środowiska naturalnego. Odpowiednie zakomponowanie przestrzeni dachu formą zieloną pozwala uzyskać powierzchnię użytkową, którą można przeznaczyć na tarasy zielone – miejsca odpoczynku i rekreacji.

Przykład obliczeniowy 1

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 na 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 6946:2017 [6] 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 [7] od 31.12.2020 r.: U_C = 0,18 W/(m²·K) > U_c(max) = 0,15 W/(m²·K) wg [7].

Aby zmniejszyć wartość współczynnika przenikania ciepła U_C, należy zaproponować zastosowanie dodatkowej warstwy izolacji cieplnej od strony zewnętrznej – np. z płyty 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 [7] od 31.12.2020 r.: U_C = 0,12 W/(m²·K) < U_c(max) = 0,15 W/(m²·K) wg [7].

Przykład obliczeniowy 2

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 6946:2017 [6] 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 [7] od 31.12.2020 r.: U_C = 0,14 W/(m²·K) < U_c(max) = 0,15 W/(m²·K).

Przykład obliczeniowy 3

Do porównania wybrano trzy rozwiązania stropodachu zielonego ekstensywnego o odwróconym układzie warstw. Wszystkie warianty stanowią rozwiązania systemowe, a parametrem stałym analizy jest grubość żelbetowej płyty stropowej wynoszącej 20 cm. Zróżnicowano natomiast rodzaj i grubość ocieplenia. W wariancie I zdecydowano się na płyty EPS produkowane w technologii agregatowej, pozwalającej na zmniejszenie chłonności wody. W płytach tych ukształtowano również specjalne kanaliki pozwalające na swobodne odprowadzanie wody lub wilgoci z warstwy rozdzielczej znajdującej się między płytą a hydroizolacją [8]. W następnych rozwiązaniach zastosowano styropian XPS oraz płyty piankowe z PIRu. Materiały termoizolacyjne kształtują spadek o nachyleniu 2%. Zestawienie użytych materiałów budowlanych, ich grubości oraz wartości obliczeniowych współczynników przewodzenia ciepła ujęto w TABELACH 1÷3. Przy obliczaniu współczynnika przenikania ciepła przegrody uwzględniono poprawkę z uwagi na dach o odwróconym układzie warstw oraz ze względu na występowanie w przegrodzie warstwy o zmiennej grubości. Wszystkie zaprojektowane przegrody spełniają wymagania cieplne zgodne z rozporządzeniem [7].

Artykuł pochodzi z książki „Projektowanie elementów obudowy budynku w aspekcie fizyki cieplnej budowli”, która od lipca będzie dostępna na stronie www.ksiegarniatechniczna.com.pl.

Literatura

1. 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.
2. K. Pawłowski, „Innowacyjne rozwiązania materiałów termoizolacyjnych w aspekcie modernizacji budynków w Polsce”, „IZOLACJE” nr 3/2018, s. 48÷64.
3. 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.
4. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród poziomych z uwzględnieniem wymagań cieplno-wilgotnościowych od 1 stycznia 2021 roku”, „IZOLACJE” 3/2020, s. 19÷34.
5. W.M. Francuz, A. Kusina, M. Machnik, „Technologia budownictwa” cz. 2, Wydawnictwo REA, Warszawa 2012.
6. PN-EN ISO 6946:2017, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
7. 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).
8. Strona internetowa: https://www.swisspor.pl/products.php?prod=82&cat=16> (dostęp: 06.08.2023 r.).
9. P. Podworska, „Analiza porównawcza parametrów technicznych budynku z uwzględnieniem wymagań budownictwa zrównoważonego”, praca dyplomowa magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Pawłowskiego, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, Politechnika Bydgoska 2023.