Projektowanie cieplne przegród stykających się z gruntem

Artykuł stanowi kontynuację cyklu pt. „Fizyka cieplna budowli w projektowaniu, wznoszeniu i eksploatacji budynków”, w którym prezentowane są zagadnienia praktyczne współczesnego budownictwa. Tym razem przedstawiono zasady dotyczące projektowania przegród stykających się z gruntem. Opisano również metodologię obliczania strat ciepła wg polskich norm i rozporządzenia w sprawie warunków technicznych.

Thermal design of partitions in contact with the ground

The article is a continuation of the cycle entitled “Thermal physics of buildings in the design, construction and operation of buildings”, in which practical issues of modern construction are presented. This time, the principles of designing partitions in contact with the ground were presented. The methodology of calculating heat losses according to Polish standards and the ordinance on technical requirements was also described.

***

Zmiany w temperaturze gruntu obserwowane są na dość znacznym obszarze, rozciągającym się pod budynkiem i w jego sąsiedztwie. Na granicach tego obszaru pojawiają się płaszczyzny adiabatyczne świadczące o ustaniu przepływów ciepła w kierunkach prostopadłych do ich przebiegu.

Obliczenia strat ciepła przez grunt i przegrody stykające się z gruntem w świetle przepisów prawnych i polskich norm

Na wstępie należy zwrócić uwagę na rozbieżności w nazewnictwie izolacji cieplnej występującej w złączu przegród stykających się z gruntem. Izolacja termiczna na ścianach fundamentowych w budynkach niepodpiwniczonych, określana w rozporządzeniu [1] jako izolacja obwodowa, w normach określona jest następująco:

• wg PN-EN ISO 13370:2008 [2] – izolacja krawędziowa i jest obliczeniowo włączana do wartości współczynnika przenikania ciepła podłogi (RYS. 1–2),
• wg PN-EN 12831:2006 [3] – izolacja boczna i nie jest uwzględniana w wartości współczynnika przenikania ciepła podłogi.

Izolacja krawędziowa może być umieszczona poziomo, pionowo lub występować jako fundament o małej gęstości (RYS. 1–2).

Efekt izolacji krawędziowej jest traktowany jako liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ_g,e [W/(m·K)]. Jeżeli złącze przegród stykających się z gruntem ma więcej niż jedną część izolacji krawędziowej (pionowej lub poziomej, wewnętrznej lub zewnętrznej), należy do dalszych obliczeń uwzględnić tę, która daje większą redukcję straty ciepła.

Metody przybliżone opierają się na zbliżonych i numerycznych procedurach obliczeniowych wg PN-EN ISO 13370:2008 [2], PN-EN 12831:2006 [3] oraz rozporządzenia [4]. W obliczeniach wykorzystuje się opracowane algorytmy z zastosowaniem wzorów empirycznych, pozwalając na uniknięcie skomplikowanych symulacji numerycznych.

W normie PN-EN ISO 13370:2008 [2] przedstawiono procedury obliczeniowe w zakresie następujących przypadków występujących w praktyce (RYS. 3–5):

• podłoga typu płyta na gruncie,
• podłoga podniesiona,
• budynek z podziemiem ogrzewanym.

W rozporządzeniu [4] przywołana jest metoda obliczenia strat ciepła przez grunt w oparciu o PN-EN 12831:2006 [3] w postaci współczynnika H_T,ig [W/K]. Strumień strat ciepła przez podłogi i ściany podziemia, stykające się pośrednio lub bezpośrednio z gruntem, zależy od kilku czynników:

• powierzchni i obwodu płyty podłogowej,
• zagłębienia podłogi lub podziemia poniżej poziomu terenu,
• właściwości cieplnych gruntu.

Na potrzeby normy PN-EN 12831:2006 [3] strumień strat ciepła do gruntu może być obliczony wg PN-EN ISO 13370:2008 [2]:

• w sposób szczegółowy,
• lub w sposób uproszczony – straty ciepła spowodowane mostkami cieplnymi nie są uwzględniane.

Współczynnik projektowy strat ciepła przez przenikanie w stanie ustalonym H_T,ig [W/K] z przestrzeni ogrzewanej (i) do gruntu (g) oblicza się wg wzoru (pkt 7., PN-EN 12831:2006 [3], wzór 8):

gdzie

ƒ_g1 – współczynnik korekcyjny uwzględniający wpływ rocznych wahań temperatury zewnętrznej; współczynnik powinien być określany na podstawie danych krajowych; w przypadku braku wartości krajowych – wartości orientacyjne podano w D.4.3 PN-EN 12831:2006 [3],
ƒ_g2 – współczynnik redukcji temperatury uwzględniający różnicę między średnią roczną temperaturą zewnętrzną i projektową temperaturą zewnętrzną, określony wg zależności:

A_k – powierzchnia elementu budynku (k) stykająca się z gruntem [m²],

U_equiv,k – równoważny współczynnik przenikania ciepła elementu budynku (k) [W/(m²·K)], określony wg schematu podłóg (rysunki 3–6, tabele 4–7 w normie PN-EN 12831:2006 [3]),

G_w – współczynnik korekcyjny uwzględniający wpływ wody gruntowej; jeżeli odległość między zakładanym poziomem wody gruntowej a poziomem podłogi podziemia (płyty podłogowej) jest mniejsza od 1 m, wpływ ten powinien być uwzględniony; współczynnik ten powinien być obliczany wg PN-EN ISO 13370:2008 [2] określony na podstawie danych krajowych; w przypadku braku danych – wartości orientacyjne podano w D.4.3 PN-EN 12831:2006 [3].

Wartości U_equiv,k [W/(m²·K)] podano (rysunki 3–6, tabele 4–7 w normie PN-EN 12831:2006 [3]) w odniesieniu do różnych schematów podłóg wyszczególnionych w PN-EN ISO 13370:2008 [2], w funkcji U [W/(m²·K)] elementu budynku i wymiaru charakterystycznego podłogi B’ [m]; założono, że wartość współczynnika przewodzenia ciepła gruntu λ_g = 2,0 W/(m·K), nie uwzględniono wpływu izolacji bocznej.

Wymiar charakterystyczny podłogi B’ [m] określa się wg wzoru (pkt 7., PN-EN 12831:2006 [3], wzór 9):

gdzie:

A_g – powierzchnia rozpatrywanej płyty podłogowej [m²]; w odniesieniu do całego budynku A_g jest całkowitą powierzchnią parteru; w odniesieniu do części budynku, tzn. pojedynczego budynku w zabudowie szeregowej (bliźniaczej) A_g jest powierzchnią rozpatrywanego parteru,

P – obwód rozpatrywanej płyty podłogi [m]; w odniesieniu do całego budynku P jest całkowitym obwodem budynku; w odniesieniu do części budynku, tzn. pojedynczego budynku w zabudowie szeregowej (bliźniaczej) P odpowiada jedynie długości ścian zewnętrznych oddzielających rozpatrywaną przestrzeń ogrzewaną od środowiska zewnętrznego.

W zapisach podstawowej normy europejskiej PN-EN ISO 13370:2008 [2] podano cztery sposoby obliczania stacjonarnych strat ciepła do gruntu, o różnym stopniu dokładności:

• metoda A – pełne obliczenie komputerowe 3D, o największej dokładności, stosowane do rzeczywistych kształtów części budynku stykającej się z gruntem,
• metoda B – obliczenia komputerowe 2D przybliżonych empirycznie części podziemnych budynku,
• metoda C – przybliżone obliczenie wg wzorów empirycznych PN-EN ISO 13370:2008 [2] stosowane dla podziemi, uzupełnione obliczeniem numerycznym 2D, które uwzględnia wpływ mostków cieplnych,
• metoda D – orientacyjne obliczenie wg wzorów jw. (metoda C) uzupełnione przyjęciem wpływu mostków cieplnych wartościami współczynników Ψ zgodnie z normą PN EN ISO 14683:2008 [5].

Wymagania cieplne dla przegród stykających się z gruntem sformułowano w rozporządzeniu [1]:

• wartość współczynnika przenikania ciepła podłogi na gruncie U  ≤  U_max. = 0,30 W/(m²·K),
• opór cieplny izolacji obwodowej R  >  R_min. = 2,0 (m²·K)/W.

Przykład obliczeniowy

Określono straty ciepła przez grunt według norm PN-EN ISO 13370:2008 [2] i PN-EN 12831:2006 [3]. Obliczono wartość współczynnika przenikania ciepła oraz współczynnika sprzężenia cieplnego płyty podłogowej z pionową izolacją krawędziową (RYS. 6).

Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

• budynek jednorodzinny (rzut ścian parteru budynku o wym. zewnętrznych 9,00×11,00 m),
• płyta podłogowa izolowana płytami ze styropianu ekstrudowanego XPS gr. 10 cm o λ = 0,035 W/(m·K),
• ściana zewnętrzna parteru trójwarstwowa: beton komórkowy gr. 24 cm, styropian gr. 15 cm, cegła klinkierowa gr. 12 cm (całkowita grubość w = 51 cm),
• izolacja krawędziowa pionowa z polistyrenu ekstrudowanego XPS gr. 10 cm o λ = 0,035 W/(m·K),
• budynek posadowiony na piasku zwykłym.

Schemat obliczeniowy wraz z wynikami obliczeń wg PN EN ISO 13370:2008 [2] zestawiono na RYS. 7.

Określenie wartości współczynnika przenikania ciepła U

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła U zależy od izolacji cieplnej podłogi:

• jeżeli d_t  <  B’ (podłogi nieizolowane lub średnio izolowane), to

jeżeli d_t ≥ B' (podłogi izolowane), to

Wpływ pionowej izolacji krawędziowej określono wg wzoru:

gdzie:

D – szerokość pionowej izolacji krawędziowej (lub fundamentu) poniżej poziomu gruntu [m],
d’ – dodatkowa grubość ekwiwalentna [m].

Uwzględnienie izolacji krawędziowej do obliczeń wartości współczynnika przenikania ciepła U następuje wg wzoru:

Wartość współczynnika przenoszenia ciepła przez grunt w stanie ustalonym między środowiskiem wewnętrznym a zewnętrznym oblicza się wg wzoru:

gdzie:

Ψ_g – liniowy współczynnik przenikania ciepła [W/(m·K)], przyjmowany na podstawie obliczeń własnych lub katalogu mostków cieplnych lub na podstawie normy PN-EN ISO 14683:2008 [5].

Wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła na styku ściana zewnętrzna–ściana fundamentowa–podłoga na gruncie przyjęto na podstawie obliczeń własnych (jako gałęziowy współczynnik przenikania ciepła dotyczący strat ciepła dla podłogi na gruncie) – Ψ_g = 0,60 W/(m·K).

Analizowana przegroda spełnia wymagania w zakresie współczynnika przenikania ciepła

U = 0,22  <  U_C(max) = 0,30 W/(m²·K).

Natomiast w zakresie oceny wartości oporu cieplnego izolacji cieplnej (obwodowej/krawędziowej – wg rozporządzenia [1])

R = 2,86  >  R_min = 2,0 (m²·K)/W

warunek jest spełniony.

Schemat obliczeniowy wraz z wynikami obliczeń wg PN-EN 12831:2006 [3] zestawiono na RYS 8.

Współczynnik strat ciepła przez grunt (określony według normy PN-EN 12831:2006 [3]) nie uwzględnia wpływu pionowej izolacji krawędziowej oraz dodatkowych strat ciepła wynikających z występowania liniowego mostka cieplnego na styku podłoga na gruncie–ściana fundamentowa–ściana parteru budynku.

Według obliczeń przeprowadzonych w oparciu o normę PN-EN 12831:2006 [3] określono wartość U_equiv,k = 0,18 W/(m²·K). W związku z tym analizowana przegroda spełnia kryterium w zakresie izolacyjności cieplnej U_equiv,k = 0,18  <  U_max = 0,30 W/(m²·K).

Podsumowanie i wnioski

Parametry cieplne przegród stykających się z gruntem zależą od wielu czynników, m.in.: parametrów geometrycznych budynku (wymiary powierzchni zabudowy analizowanego budynku), zastosowanej izolacji podłogi na gruncie oraz izolacji krawędziowej (poziomej lub pionowej). Do projektowania tego typu przegród należy podchodzić indywidualnie, ponieważ parametry cieplne zależą od wymiaru charakterystycznego B’.

Bardzo istotne jest także poprawne zaprojektowanie izolacji przeciwwilgociowych i przeciwwodnych. Zasadne jest także wykonanie obliczeń i analiz w zakresie parametrów fizykalnych złączy przegród stykających się z gruntem, opisane m.in. w pracy [6].

Literatura

1. 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. zm., DzU z 2022 r., poz. 248).
2. PN-EN ISO 13370:2008, „Cieplne właściwości użytkowe budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metoda obliczania”.
3. PN-EN 12831:2006, „Instalacje grzewcze w budynkach – Metoda obliczania obciążenia cieplnego”.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU z 2019 r., poz. 1829).
5. PN-EN ISO 14683:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne”.
6. 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.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!