Ocieplenie płyty fundamentowej na gruncie – wybrane aspekty projektowe

*****
W artykule przeanalizowano wybrane aspekty projektowe dotyczące ocieplenia płyty fundamentowej posadowionej bezpośrednio na gruncie. Praca przedstawia analizę temperaturową ϑimg czterech przykładów ocieplenia płyty fundamentowej. Wszystkie rozpatrzone przypadki zostały wykonane w rzeczywistości. Analizę przeprowadzono dla warunków klimatycznych miasta Białystok (Polska). Na podstawie obliczeń wykonanych w programie THERM przedstawiono zestawienie temperatur w miejscach krytycznych węzła. Przedstawiono rozkład izolinii w przekroju oraz temperatury w skali barw. Informacja może być przydatna dla naukowców, projektantów, inżynierów przy podejmowaniu prawidłowych decyzji na etapie projektowania budynków ogrzewanych.

Insulation of the foundation slab on the ground – selected design aspects

The article analyzed selected design aspects regarding the insulation of a foundation slab placed directly on the ground. The work presents a temperature analysis 4 of examples of insulation of the foundation slab. All cases considered were made in reality. The analysis was carried out for the climatic conditions of the city of Białystok (Poland). Based on calculations made in THERM program, a summary of temperatures in critical places of the node is presented. The distribution of isolines in the cross-section and temperatures on the color scale are presented. The information may be useful for scientists, designers and engineers when making correct decisions at the design stage of heated buildings.
*****

Korzyści płynące z efektywności energetycznej obejmują oszczędności zarówno indywidualne, jak i komercyjne. Ograniczenie zapotrzebowania na energię w obliczu narastających wyzwań klimatycznych i niestabilnych rynków energii nabiera ogromnego znaczenia, jednak mimo to pozostaje zasobem niewykorzystanym, często przyćmionym przez innowacje lub zakrojone na szeroką skalę projekty w zakresie energii odnawialnej.

Jednak tak naprawdę najbardziej znaczące postępy w kierunku zrównoważonego rozwoju często wynikają ze stopniowego udoskonalania codziennych praktyk i technologii, dlatego niniejszy artykuł jest poświęcony zagadnieniu wymiany ciepła w przegrodzie budowlanej. Jej optymalne zaprojektowanie obejmujące analizę parametrów materiałowych i mostków termicznych może zapobiec 30% strat ciepła w budynkach mieszkalnych, co w kontekście powyższego wstępu jest kluczowe w walce o efektywność energetyczną.

Mostek cieplny to część obudowy budynku, w której jednolity opór cieplny jest znacznie zmieniony przez [1]:

• całkowite lub częściowe przebicie obudowy budynku przez materiał o innej przewodności cieplnej,
• zmianę grubości warstw materiałów,
• różnicę między wewnętrznymi a zewnętrznymi powierzchniami przegród, jak to ma miejsce w przypadku połączeń ściana–podłoga–sufit.

Mostek cieplny, nazywany inaczej termicznym, można również definiować następująco:

• to element przegrody budowlanej o znacząco wyższym współczynniku przewodzenia ciepła w porównaniu do sąsiadujących obok elementów,
• to niechciane luki, przez które budynek traci ciepło [2, 3].

Jak widać, nie istnieje jedna idealna definicja mostka termicznego, natomiast stosując pewne uproszczenie, można powiedzieć, że mostek termiczny to miejsce w budynku, w którym następuje utrata ciepła, a opór cieplny tego miejsca, który powinien ograniczać utratę ciepła, jest wyraźnie mniejszy niż w innych częściach budynku (RYS. 1–3).

Mostki termiczne można klasyfikować, uwzględniając jednocześnie geometrię miejsca występowania mostka, jak i sposób jego oddziaływania na przegrodę budowlaną lub ewentualne złącze przegród [4]. Zgodnie z tym założeniem mostki termiczne można podzielić na trzy grupy:

• mostki pierwszego rzędu (płaskie w obrysie przegrody zewnętrznej) – 1D,
• mostki drugiego rzędu (w miejscu połączenia przegród – w stykach, złączach, narożnikach) – 2D,
• mostki trzeciego rzędu (przestrzenne mostki cieplne zarówno w samej przegrodzie zewnętrznej, jak i w ewentualnym złączu przestrzennym tej przegrody z dowiązującymi do niej lub przebijającymi ją ścianami lub stropami) – 3D.

Jednak najbardziej rozpowszechniony w literaturze naukowej podział mostków termicznych [5, 6] to podział ze względu na zakres oddziaływania, który wyróżnia mostki punktowe oraz liniowe.

Punktowy mostek termiczny odnosi się do skoncentrowanego obszaru w przegrodzie budynku, w którym przenikanie ciepła następuje ze znacznie większą szybkością niż w obszarach otaczających. W przeciwieństwie do liniowych mostków termicznych, które objawiają się ciągłymi drogami wymiany ciepła, punktowe mostki występują w określonych punktach lub połączeniach konstrukcji budynku. Powstają w obszarze nieciągłości lub nieregularności w przegrodzeniu budynku, gdzie następuje przerwa w izolacji lub zmiana materiałów konstrukcyjnych. Przykładami mostków punktowych mogą być: przejścia w ścianach (rury, kanały), przejścia przez dach lub podłogę (kominy, włazy dachowe).

Liniowy mostek termiczny, znany również jako powtarzalny mostek termiczny, charakteryzuje się ciągłą lub regularnie powtarzającą się ścieżką o wyższej przewodności ciepła niż elementy otaczające. Powstaje w strefach, w których brakuje termoizolacji, izolacja ma zbyt małą grubość lub nie została zachowana jej ciągłość. Przykładami liniowego mostka termicznego mogą być: nadproża żelbetowe z niezachowaną ciągłą izolacją, kotwy stalowe w ścianach murowanych w regularnym rozstawie czy niedostateczna izolacja cokołu ściany zewnętrznej na styku z płytą żelbetową, która to jest tematem owego artykułu.

Mostki termiczne powodowane są różnymi czynnikami zarówno na etapie projektowym, jak i wykonawczym budynku. Ponadto są na tyle powszechne, że niemalże nie da się ich całkowicie uniknąć. Poniżej przegląd typowych przyczyn powodujących mostki:

• projekt – błędy w projekcie architektonicznym lub konstrukcyjnym – niedostateczna izolacja elementów konstrukcyjnych, niewłaściwe rozmieszczenie elementów budynku takich jak okna lub balkony,
• wykonawstwo – błędy popełnione podczas prowadzenia prac budowlanych: niedokładne uszczelnienie w obszarze okien, odstępstwa od specyfikacji projektowej czy brak dokładności/kwalifikacji pracowników budowy,
• materiały budowlane – jakość użytych materiałów budowlanych lub też zamienników w korzystniejszej cenie, jednak o niewiadomym pochodzeniu,
• elementy konstrukcyjne – elementy nośne budynku, ze względu na konieczność przenoszenia dużych obciążeń wykonywane są z betonu zbrojonego lub stali. Obie konfiguracje materiałowe stanowią mostek termiczny, natomiast w ich przypadku nie da się ich całkowicie wyeliminować, a jedynie ograniczyć.

Konsekwencje mostków termicznych mogą wystąpić zarówno dla budynku, jak i jego użytkowników. Oto niektóre z najważniejszych konsekwencji:

• Użytkownicy budynku mogą być narażeni na potencjalną utratę zdrowia. W wyniku przemarzania i zawilgocenia ścian, co może być następstwem znacznego mostka termicznego, w budynku powstaje idealne miejsce dla pojawienia się grzyba i pleśni. Wykwity na ścianach i sufitach, oprócz mało estetycznego wyglądu, są niezwykle niebezpieczne dla zdrowia i mogą być przyczyną wielu groźnych chorób [7].
• Obszary dotknięte mostkami termicznymi mogą być bardziej podatne na zmiany temperatury i wahać się pomiędzy zbyt ciepłymi a zbyt zimnymi, co może prowadzić do pewnego dyskomfortu mieszkańców budynku.
• Ryzyko kondensacji pary wodnej wewnątrz struktury budynku, szczególnie w miejscach o niższej temperaturze powierzchniowej. Może to prowadzić do problemów z wilgocią, pleśnią i uszkodzeniami konstrukcji.
• Zwiększony kosz eksploatacji wynika z nadmiernej utraty ciepła z budynku, w rezultacie czego konieczne jest większe zużycie energii na ogrzewanie lub chłodzenie, co prowadzi do wyższych rachunków za energię.
• Zmniejszona efektywność energetyczna wynika z ograniczonej zdolności budynku do utrzymania stabilnej temperatury przy minimalnym zużyciu energii.
• Wydłużenie czasu amortyzacji inwestycji jest następstwem powyższych punktów, tj. zmniejszoną efektywnością energetyczną, podwyższonym kosztem eksploatacji, kosztem nieplanowanych napraw, a w najgorszym wypadku kosztem leczenia.

Wszystkie te konsekwencje podkreślają znaczenie identyfikowania, zapobiegania i usuwania mostków termicznych we współczesnych budynkach, zarówno pod względem ekonomicznym, jak i funkcjonalnym. Dążenie do minimalizowania wpływu mostków termicznych może przyczynić się do poprawy efektywności energetycznej, zwiększenia komfortu mieszkańców i zmniejszenia negatywnego wpływu na środowisko naturalne.

Opaska przeciwwysadzinowa, jak sama nazwa wskazuje, to element, warstwa czy też pas okalający, w tym przypadku płytę fundamentową, natomiast przymiotnik „przeciwwysadzinowa” odnosi się do funkcji, którą owa opaska może pełnić, lecz nie musi. Owa opaska wykonywana jest z materiału termoizolacyjnego EPS lub XPS, ponieważ jej podstawowym zadaniem jest ochrona płyty przed przemarzaniem i wilgocią, tj. zmniejszenie mostka termicznego, a tym samym uzyskanie lepszej efektywności energetycznej budynku.

Pomimo zbliżonych parametrów w zakresie izolacji cieplnej, najczęściej stosowanym materiałem jest polistyren ekstrudowany, czyli XPS. W przeciwieństwie do styropianu (EPS) charakteryzuje się on dużą nośnością, odpornością na ściskanie, odpornością na wilgoć oraz bardzo niską nasiąkliwością, co w praktyce oznacza brak konieczności dodatkowego zbrojenia płyty fundamentowej czy też wykonywania hydroizolacji, co może generować dodatkowe koszty. Wspomniana wyżej funkcja, którą opaska może pełnić lub nie, tj. przeciwwysadzinowość, wynika z kilku aspektów. Płyta fundamentowa posadowiona jest zazwyczaj na głębokości oscylującej ok. kilkudziesięciu centymetrów, podczas gdy głębokość przemarzania gruntu w Polsce wynosi od 0,8 do 1,4 m, zatem płyty znajdują się bardzo często w strefie przemarzania gruntu. W przypadku gruntów o ograniczonej przepuszczalności wody, czyli gruntów częściowo spoistych lub spoistych mogą wystąpić soczewki wody, które w wyniku ujemnych temperatur zamarzną, zwiększając tym samym swoją objętość, czego skutkiem może być pęcznienie i rozsadzanie gruntu, co z kolei objawiać się będzie podnoszeniem budynku.

Opaska przeciwwysadzinowa realnie poprawia parametry cieplne budynku, zatem jej wykonanie jest warte rozważenia, natomiast w przypadku występowania gruntów wysadzinowych jest pozycją wręcz obowiązkową.

Wpływ opaski termoizolacyjnej na fundamenty przeanalizowano na łamach artykułu [13], wykazując, że zastosowanie dodatkowego ocieplenia w postaci XPS skutkuje korzystniejszym rozkładem temperatur, tj. w okolicy fundamentu wszystkie temperatury są dodatnie, co pozytywnie wpływa na bilans cieplny budynku, a ponadto ogranicza ryzyko uszkodzenia konstrukcji na skutek przemarzania.

Opis obiektu badania

Badanie przeprowadzono dla węzła połączenia podłogi na gruncie (płyta fundamentowa) ze ścianą zewnętrzną. Przyjęte zastosowanie przedstawiono na RYS. 4.

Ścianę zewnętrzną przyjęto dwuwarstwową z pustaka ceramicznego ocieploną styropianem EPS 80, λ = 0,037 W/(m·K), o grubości 15 cm i pokrytą tynkiem cementowo-wapiennym od wewnątrz i tynkiem elewacyjnym z zewnątrz.

Ściana o współczynniku przenikania ciepła U = 0,2 (W/m²·K), który spełnia aktualne wymagania WT2021 [8].

Cokół o wysokości 20 cm nad poziomem terenu ocieplony styropianem EPS 100, λ = 0,037 W/(m·K) o grubości 10 cm lub 15 cm, w zależności od wariantu.

Podłoga na gruncie ułożona na warstwie betonu wyrównawczego o grubości 10 cm, na której bezpośrednio znajduje się żelbetowa płyta fundamentowa o grubości 25 cm, na której ułożona została warstwa izolacji termicznej – styropian EPS 100, λ = 0,037 W/(m·K) o grubości 10 cm.

Ponadto, w zależności od wariantu obliczeniowego w skład analizowanego węzła wchodzi również opaska przeciwwysadzinowa o szerokości 1,0 m lub 1,5 m i grubości 10 cm, wykonana ze styropianu XPS o współczynniku λ = 0,035 W/(m·K). Na cele analizy problemu w artykule wartość B’= 8 m. W zależności od celu obliczeń przyjmuje się 0,5B’/2,5B’. Do obliczeń wartości temperatur przyjmuje się 0,5B’, natomiast do obliczenia Ψ liniowego współczynnika strat ciepła 2,5B’ [9]. Analizę przeprowadzono dla budynku ogrzewanego.

Tok postępowania

Do obliczeń węzła ściany zewnętrznej z podłogą na gruncie wykorzystano program THERM 7.6 [10], który bazuje na metodzie elementów skończonych. W celu poprawnego zamodelowania i obliczenia analizowanego obiektu w tym programie, wykorzystuje się schemat pokazany na RYS. 5.

Warunki modelowania analizowanych detali i warunki brzegowe przyjęto według normy PN-EN ISO 10211 [1]. Przyjęto gęstość siatki podziałowej równą 1 mm oraz następujące warunki brzegowe:

• dla powierzchni zewnętrznej ściany: temperatura powietrza zewnętrznego t_e = –22°C, R_se= 0,04 m²·K·W^-1,
• dla powierzchni zewnętrznej gruntu: temperatura powietrza zewnętrznego t_e = –22°C, R_se= 0,04 m²·K·W^-1,
• dla wewnętrznej powierzchni ściany: temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C, R_si= 0,13 m²·K·W^-1,
• dla podłogi na gruncie wewnątrz budynku od góry: temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C, R_si= 0,17 m²·K·W^-1.

Procedurę obliczeniową parametrów fizycznych jeden z autorów opisuje w swoich poprzednich pracach [11, 12].

Wyniki badania

W TABELI przedstawiono wyniki dla czterech przyjętych wariantów obliczeniowych. Wyszczególniono przegrody budowlane wchodzące w skład badanego węzła wraz z grubościami materiałów. W ostatnim wierszu TABELI znajdują się wyniki temperatur węzłów w miejscu krytycznym – miejsce styku ściany zewnętrznej z podłogą na gruncie wewnątrz budynku ogrzewanego (RYS. 6). Natomiast na RYS. 7 przedstawiono rozkład wektorów strumienia ciepła wraz z rozkładem izoterm dla czterech analizowanych wariantów.

Wnioski

W artykule przeanalizowano cztery warianty połączenia płyty fundamentowej ze ścianą zewnętrzną. Przedstawione przypadki połączeń znajdują się w mieście Białystok. W dwóch wariantach obliczeniowych przeanalizowano węzeł, który został ocieplony od zewnątrz krawędziowo ze zróżnicowaną grubością cokołu. Natomiast w dwóch pozostałych uwzględniono dodatkowo opaskę przeciwwysadzinową wykonaną z styroduru XPS.

Po zakończeniu analizy można dojść do następujących wniosków:

• Zakres temperatury ϑimg w miejscu mostka termicznego wynosi 14,8–15,5°C. Maksymalna wartość występu w wariancie III, w którym występuje dodatkowa izolacja termiczna w postaci opaski przeciwwysadzinowej. Zatem można stwierdzić, że pomimo cieńszej izolacji termicznej o 5 cm w części cokołowej w porównaniu do wariantu II temperatura jest wyższa o 0,5°C dzięki zastosowaniu opaski przeciwwysadzinowej.
• Opaska przeciwwysadzinowa oprócz swojej głównej roli, tj. ochrony płyty fundamentowej przed przemarzaniem w sytuacji, gdy jest ona posadowiona na gruntach o ograniczonej przepuszczalności wody, sprawdza się również jako izolacja termiczna. Wpływ zastosowania opaski jako części izolacji termicznej budynku można zaobserwować w wariancie III i IV, w których temperatura ϑimg analizowanego złącza jest najwyższa pomimo mniejszej grubości cokołu w odniesieniu do wariantu II.

Literatura

1. PN-EN ISO 10211-1:1998 „Mostki cieplne w budynkach. Strumień cieplny i temperatura powierzchni. Ogólne metody obliczania”.
2. P. Klemm i in., „Budownictwo ogólne: Fizyka budowli”, Wydawnictwo ARKADY, 2005.
3. W. Willems, K. Schild, S. Dinter, D. Stricker, „Formeln und Tabellen Bauphysik”, Viewegverlag 2007.
4. A. Dylla, „Fizyka budowli”, Wydawnictwa Uczelniane ATR, Bydgoszcz 1985.
5. A. Dylla, „Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych”, Wydawnictwo Uczelniane UTP, Bydgoszcz 2009.
6. P. Krause i in., „Cieplno-wilgotnościowe projektowanie ścian z betonu komórkowego”, Zeszyt 3, Część 2 „Mostki termiczne”.
7. Strona internetowa: https://www.mgprojekt.com.pl/blog/mostki-termiczne/
8. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. DzU z 2019 r., poz. 1065 z późn. zm.).
9. A. Dylla, „Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych”, Wydawnictwo Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego, Bydgoszcz 2009.
10. THERM 2.0: Program Description, A PC Program for Analyzing the Two-Dimensional Heat Transfer Through Building Products, Elizabeth Finlayson, Robin Mitchell, and Dariush Arasteh, Windows and Daylighting Group, Building Technologies Department Environmental Energy.
11. W. Jezierski, C. Leszczyński, „Określenie istotności wpływu parametrów węzła połączenia płyty balkonowej ze ścianą na pole temperatur”, „IZOLACJE” 7/8/2023.
12. W. Jezierski, C. Leszczyński, „Optymalizacja wybranych parametrów węzła połączenia płyty balkonowej ze ścianą na podstawie modelowania matematycznego przepływu ciepła”, „IZOLACJE” 2/2024.
13. I. Ickiewicz, „Wpływ ocieplenia fundamentów na rozkład temperatury w gruncie w otoczeniu budynku”, „IZOLACJE” 4/2018.