Energooszczędne i pasywne rozwiązania w budownictwie z wykorzystaniem silikatów

*****
Współczesne budownictwo to budownictwo dążące do minimalizacji zapotrzebowania na energię i zmniejszania swojego negatywnego wpływu na środowisko, elementy silikatowe wpisują się w te założenia. A jeśli ich parametry materiałowe zostaną wykorzystane w świadomy sposób, silikaty pozwalają na stworzenie ścian obiektów, których zapotrzebowanie na energię będzie zmniejszone do minimum. W artykule omówiono parametry silikatów w kontekście konieczności budowania budynków energo­oszczędnych.

Energy efficient and passive solutions in construction with the use of silicates

Modern construction is aimed at minimizing the demand for energy and reducing its negative impact on the environment, and silicate elements are part of these assumptions. If their material parameters are used in a conscious way, silicates allow you to create walls of buildings whose energy demand will be reduced to a minimum. The article discusses the parameters of silicates in the context of the need to build energy-saving buildings.
*****

Zmiany, które już zaszły, a także głos młodego pokolenia jasno wskazują, że społeczeństwo zaczyna zauważać i akcentować potrzebę zmniejszenia swojego negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne. Wraz ze wzrostem świadomości chcemy żyć tak, aby przyszłe pokolenia miały zapewnione bezpieczeństwo ekologiczne.

Kolejnym powodem do zmniejszania zużycia energii w sektorze budowlanym okazuje się być niestabilność energetyczna, która pojawiała się i w ostatnim roku głośno wybrzmiewała. Widmo blackoutu czy problemy z dostarczeniem energii cieplnej nie są zjawiskami znanymi współczesnym społeczeństwom, więc warto podjąć takie działania, aby nie były czarną wizją wracającą do przestrzeni publicznej rokrocznie w okolicach sezonu jesienno-zimowego.

Zobacz: Jak rozwinął się rynek silikatów >> 

Nie zaczynamy jednak od zera, są dostępne gotowe rozwiązania, które umożliwiają zarówno tworzenie nowych energooszczędnych obiektów, jak i doprowadzenie do standardu energooszczędnego budynków już istniejących. Pierwszym krokiem powinno być jednak dążenie do likwidacji ubóstwa energetycznego, które według różnych szacunków może dotykać nawet 1,3 mln gospodarstw domowych w Polsce (źródło: „Rynek fasad i materiałów fasadowych w Polsce 2021–2026. Luty 2021”, raport Spectis).

Nowelizacje rozporządzenia w sprawie warunków technicznych

Zmiany prawodawstwa dla nowopowstających i przebudowywanych budynków rozpoczęły się już w 2014 r., zaplanowano stopniową zmianę parametrów granicznych, tak aby rynek mógł się do nich dostosować, a także aby metodą stopniową zmienić przyzwyczajenia inwestorów. Jedna z wdrażanych zmian dotyczyła współczynnika przenikania ciepła U różnych elementów budynku.

W TABELI 1 przedstawiono, jak zmieniała się ona aż do osiągnięcia obecnie obowiązującego poziomu.

Jeśli spojrzymy jeszcze dalej w przeszłość, tj. do czasu sprzed wejściem w życie WT2014, dla ścian zewnętrznych znajdziemy wartość graniczną wynoszącą 0,30 W/(m²·K). Redukcja, która zaszła, jest znacząca, współczynnik spadł aż o jedną trzecią!

Współczynnik U osiągnął na początku 2021 r. graniczną wartość 0,20 W/(m²·K), która jest również wartością graniczną dla ścian zewnętrznych obiektów określanych jako energooszczędne [dla obiektów pasywnych współczynnik przenikania ciepła nie może być wyższy niż 0,15 W/(m²·K)].

Drugie znaczące ograniczenie pojawiło się w zakresie zapotrzebowania na energię pierwotną, określaną za pomocą współczynnika EP. Energia pierwotna oznacza nieodnawialną energię uzyskiwaną z zasobów naturalnych, która jest wykorzystywana w obiekcie na potrzeby ogrzewania i chłodzenia, wentylacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej czy też zasilania wszelkich urządzeń elektrycznych i oświetlenia w obiekcie. Kolejne zmiany współczynnika EP zebrano w TABELI 2.

Zarówno zmiany współczynników przenikania ciepła, jak i zmiany współczynnika EP są ze sobą powiązane. Zmniejszenie wartości granicznej zapotrzebowania obiektu na energię pierwotną niejako wymusza wybór takich rozwiązań, do realizacji inwestycji, które zapewnią jak największą termoizolację (ograniczą do minimum ucieczkę ciepła z wnętrz obiektów).

Przedstawione nowelizacje Warunków Technicznych dają zatem korzyści:

• środowiskowe (ekologiczne) – w postaci zmniejszenia zużycia energii potrzebnej do funkcjonowania obiektu, a tym samym zmniejszania śladu węglowego w fazie użytkowania,
• finansowe (ekonomiczne) – w postaci zmniejszenia wydatków, np. na potrzeby ogrzewania budynku.

Elementy silikatowe w budownictwie mieszkaniowym po 2021 r.

Silikaty są materiałem zwartym i masywnym, produkowanym na rynku polskim w klasach gęstości 1,4–2,2, co oznacza, że ciężar ich 1 m³ wynosi od 1210 (klasa 1,4 to gęstości z zakresu 1210–1400 kg/m³) do nawet 2200 kg. Z wysoką gęstością wiążą się z jednej strony podstawowe zalety parametryczne materiału, tj. wysoka wytrzymałość, izolacyjność akustyczna oraz akumulacyjność cieplna, z drugiej zaś wysoka gęstość jest bezpośrednio powiązana z wysoką przewodnością cieplną.

Deklarowany dla bloczków wapienno-piaskowych współczynnik przewodzenia ciepła λ zawiera się w przedziale od 0,46 do 1,37 W/(m·K) (niniejsze parametry pozostają w zgodzie z deklaracjami właściwości użytkowych H+H Polska Sp. z o.o.), są to dość wysokie wartości przewodzenia ciepła, jeśli odniesiemy się do innych materiałów budowlanych. Nie oznacza to jednak, że elementy silikatowe wykluczają powstawanie obiektów o niskim zapotrzebowaniu na energię. Wręcz przeciwnie – niemalże każdy materiał murowy wykorzystywany obecnie do wznoszenia ścian zewnętrznych wymaga dodania odpowiedniej warstwy izolacji termicznej, która w największym stopniu odpowiada za końcową wartość współczynnika przenikania ciepła (tę zależność wykazano w TABELI 3).

Dla trzech najpopularniejszych rozwiązań ściennych stosowanych w budownictwie mieszkaniowym przeliczono w pierwszym kroku wartości współczynników przenikania ciepła ścian zewnętrznych przy braku ocieplenia. W żadnym rozwiązaniu nie otrzymano wartości granicznej U = 0,20 W/(m²·K), co więcej otrzymane wartości współczynników przenikania ciepła znacząco się od siebie różnią. Następnie sprawdzono, jak zmienią się współczynniki przenikania ciepła dla ścian zewnętrznych wzniesionych z tych samych materiałów konstrukcyjnych, w momencie dodania styropianowej warstwy izolacji termicznej (dla każdego rozwiązania przeliczono tę samą warstwę izolacji termicznej o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,04 W/(m·K) oraz o grubości 20 cm).

W drugim wariancie nie występują już tak znaczące różnice współczynników U pomiędzy poszczególnymi rozwiązaniami, w przypadku elementów silikatowych odnotowano największe spadki wartości (tj. największą poprawę wartości końcowej współczynnika przenikania ciepła) kolejno o 88 i 94%, jednakże zejście następowało z najwyższych wartości osiągniętych w przypadku przegrody pozbawionej warstwy ocieplenia.

Dane w TABELI 3 jasno wskazują, że w przypadku ścian przynajmniej dwuwarstwowych, składających się z warstwy konstrukcyjnej i warstwy izolacji termicznej, współczynnik przewodzenia ciepła materiału konstrukcyjnego zaczyna tracić na znaczeniu, a za przenikanie ciepła przegrody zewnętrznej odpowiada głównie warstwa izolacji termicznej. Oznacza to jednocześnie, że nawet z elementów silikatowych o najmniej korzystnym współczynniku przewodzenia ciepła wznieść można ściany zarówno obiektu o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię, jak i nawet obiektu pasywnego.

Akumulacyjność cieplna – parametr wspierający

Pomimo tego, że na ten moment cykl zmian Warunków Technicznych z zakresu energooszczędności obiektów został zakończony wraz z nastaniem 01.01.2021 r., może okazać się, że obecne zakresy graniczne (wraz z rosnącymi potrzebami ograniczenia zużycia energii – głównie nieodnawialnej) z czasem znów ulegną zaostrzeniu.

Projektowane i wznoszone obecnie inwestycje będą użytkowane przez lata (według różnych szacunków przyjmuje się czas życia obiektów 50–100-letni), z pewnością jednak z czasem pojawi się potrzeba modernizacji. Obiekty, które w tym momencie zostaną zaplanowane jako te o niemal zerowym zużyciu energii, nie tylko pozwolą na uzyskiwanie bieżących oszczędności, ale przy przyszłych modernizacjach (nawet w przypadku kolejnych zaostrzeń przepisów), doprowadzenie ich do prawnie wymaganych poziomów będzie prostsze i mniej kosztowne.

Cechą materiałową, którą w kontekście termicznym uwzględnia się zdecydowanie rzadziej, jest akumulacyjność cieplna materiału, czyli jego zdolność do gromadzenia (akumulowania) ciepła wewnątrz przegród i długiego oddawania go do wnętrz. Cechę tę można zauważyć, jeśli dokona się porównania konstrukcji i tempa nagrzewania/chłodzenia obiektów przeznaczonych na okresowy pobyt (typu domki letniskowe), z obiektami stałego zamieszkania. Domki o lekkiej konstrukcji i niskiej bezwładności zdecydowanie szybciej się nagrzewają, ale również i szybko ochładzają. Obiekty o cięższej konstrukcji i masywnych murowanych ścianach mają zdecydowanie większą bezwładność – tym samym proces ich nagrzania przebiega zdecydowanie dłużej, długo utrzymywana jest również stabilna temperatura wnętrz (ciepło zgromadzone w ścianach pozwala na stabilizację temperatury i zdecydowanie spowalnia wychłodzenie budynku).

Silikaty jako elementy o wysokiej gęstości mają wysoką pojemność cieplną, która pozwala na wykorzystanie przez przegrody zjawiska akumulacyjności cieplnej w dużym stopniu. Ciepło akumulowane w ścianie może pochodzić nie tylko z systemów grzewczych, zjawisko akumulacji może być wsparte również poprzez nagrzewanie przegród światłem słonecznym. Z tego powodu planując wykorzystać dodatkowe oszczędności wynikające z akumulacyjności silikatowych przegród, warto zadbać o odpowiednie usytuowanie obiektu względem stron świata (i tym samym zapewnienie prawidłowego nasłonecznienia) oraz właściwe usytuowanie przeszkleń i ścian względem siebie. Uzyskane w ten sposób zyski z nagrzania pomieszczeń w sposób bierny mogą być naprawdę znaczące.

Pojemność cieplna C jest iloczynem ciepła właściwego C_p oraz masy materiału m:

gdzie:

C_p – ciepło właściwe [kJ/(kg·°C)],
m – masa materiału [kg],
V – objętość [m³],
ρ – gęstość objętościowa [kg/m³].

W TABELI 4 zestawiono wartości ciepła właściwego oraz pojemności cieplnych wcześniej analizowanych materiałów. Zebrane dane jasno wskazują, jak dużą rolę w przypadku akumulacyjności cieplnej pełni masa przegrody.

Ciepło właściwe analizowanych materiałów ściennych jest na porównywalnym poziomie, natomiast ich pojemności cieplne znacząco się od siebie różnią. Elementy silikatowe z uwagi na swoją wysoką masę, wynikającą z dużej gęstości objętościowej zarówno w postaci drążonej, jak i pełnej dają możliwość najpełniejszego wykorzystania akumulacyjności cieplnej ścian (spośród analizowanych przykładów).

Duża pojemność cieplna budynku pozwala na uzyskanie dodatkowych oszczędności nie tylko w sezonie grzewczym, ma ona znaczenie również w okresie letnim. Przegrody o wysokiej pojemności cieplnej wykazują dużą stateczność cieplną. Poprzez stabilizację temperatury we wnętrzach przez dłuższy okres w obiekcie zapewniona jest ochrona przed przegrzewaniem, co jednocześnie wpływa na generowanie oszczędności energii użytej w przeciwnym przypadku na potrzeby chłodzenia.

Energooszczędność budynku składową wielu czynników

Nie ma jednego przepisu na zaprojektowanie i wybudowanie obiektu o niskim zapotrzebowaniu na energię. Konstrukcja obiektu i wybrane źródło (lub źródła) ciepła mają duże znaczenie, jednakże możliwych wariantów jest wiele. Zwykle pierwszym analizowanym w kontekście energooszczędności parametrem (w przypadku elementów ściennych) jest współczynnik przewodzenia ciepła, często w wyniku takiej bezpośredniej analizy są odrzucane niektóre z możliwych rozwiązań. Natomiast przy obecnym poziomie granicznych współczynników przenikania ciepła, eliminujących niemalże w całości rozwiązania jednowarstwowe dla ścian zewnętrznych, sam współczynnik przewodzenia ciepła materiału konstrukcyjnego nie ma aż takiego znaczenia (TABELA 3). Co więcej ochrona przed ucieczką ciepła może być rozpatrywana również na poziomie akumulacyjności materiałów (TABELA 4), dlatego słuszne wydaje się dokładne poznanie właściwości materiałowych przed dokonaniem ostatecznego wyboru materiału ściennego do realizacji inwestycji.