Jak projektować ściany zewnętrzne w budynku pasywnym?

Budownictwo pasywne to, mówiąc najprościej:

• „…standard obiektów, który zapewnia bardzo dobre parametry izolacyjne i zastosowanie szeregu rozwiązań mających na celu zminimalizowanie zużycia energii w trakcie eksploatacji” [1],
• „…jedna z najbardziej zaawansowanych form budownictwa energooszczędnego, (będąca – przyp. red.) efektem coraz większej świadomości ekologicznej inwestorów oraz pochodną rosnących kosztów eksploatacyjnych” [2].

Z tych definicji wynikają dwa podstawowe kryteria budowy budynków pasywnych sformułowane przez Instytut Budynków Pasywnych [3]:

• roczne zapotrzebowanie na energię cieplną do ogrzewania – określone zgodnie z ,,Pakietem do projektowania budynków pasywnych” (PHPP – Passivhaus – Projektierungs – Paket) – nie może przekroczyć 15 kWh/(m²·rok),
• całkowite zapotrzebowanie na energię pierwotną na wszystkie potrzeby związane z utrzymaniem budynku (ogrzewanie, c.w.u. i prąd elektryczny) nie może przekroczyć 120 kWh/(m²·rok).

Kolejnym ważnym aspektem jest powłoka budynku, która powinna nie przepuszczać powietrza i ochronić przed utratą ciepła [1, 4].

W budynku pasywnym należy także stosować specjalną stolarkę okienną i drzwiową, najlepiej taką, która ma certyfikat wydany przez Instytut Budownictwa Pasywnego. Ze stolarką okienną wiąże się ponadto pasywne pozyskiwanie promieniowania słonecznego, a co za tym idzie – odpowiednie kształtowanie architektury względem stron świata [1, 4]. W budynku pasywnym musi się znaleźć instalacja wentylacji mechanicznej z systemem nawiewno-wywiewnym o wysokiej sprawności odzysku ciepła (powyżej 75%), co zmniejszy straty ciepła związane z wentylacją o 75–90% [1].

Dodatkowym rozwiązaniem bardzo często stosowanym w budynkach pasywnych, a także energooszczędnych jest gruntowy wymiennik ciepła, który wspomaga pracę wentylacji mechanicznej. Zasada jego działania jest bardzo prosta. W miesiącach zimowych świeże powietrze wlatujące przez czerpnię jest wstępnie ogrzewane, a po przedostaniu się do rekuperatora zostaje nagrzane ciepłem pochodzącym z powietrza wywiewanego do optymalnej temperatury [1].

Modelowanie architektury i przestrzeni budynku pasywnego

Na etapie projektowania budynku pasywnego należy zwrócić szczególną uwagę na następujące aspekty:

• kształt budynku – projektanci muszą dążyć do uzyskania prostej zależności, tzn. współczynnik kształtu budynku A/V (stosunek powierzchni przegród zewnętrznych do kubatury) powinien być jak najmniejszy – bryła budynku powinna być zwarta;
• zorientowanie budynku względem stron świata rozpatrywane jako:
  – pasywne pozyskiwanie promieniowania słonecznego, czyli grupowanie największych powierzchni przeszkleń na elewacjach południowych, co gwarantuje, że straty wynikające z przenikania ciepła przez okna rekompensowane będą zyskami czerpanymi z promieni słonecznych; należy unikać stosowania przeszkleń na elewacjach od strony północnej;
  – rozmieszczenie pomieszczeń wewnątrz obiektu – w trakcie projektowania układu funkcjonalnego budynku powinno się brać pod uwagę charakterystykę cieplną pomieszczeń i starać się je grupować w taki sposób, aby te pełniące funkcje higieniczno-sanitarne znajdowały się z dala od przegród zewnętrznych; celem takiego rozplanowania jest uniknięcie sytuacji, w której doprowadza się do najwyższej amplitudy temperatur po dwóch stronach przegrody, co powodowałoby względnie najwyższe straty ciepła [1, 2];
• lokalne uwarunkowania rozpatrywane jako:
  – właściwe zaprojektowanie zieleni, które jest bardzo pomocne w zapewnieniu odpowiednich temperatur w budynku przez cały rok; np. zasadzenie drzew liściastych przed fasadą południową daje korzyści latem w postaci zacienienia oraz chroni pomieszczenia przed nadmiernym przegrzewaniem się; natomiast zimą, kiedy drzewa tracą liście, nie ma już naturalnej bariery, która uniemożliwiałaby przedostanie się promieni słonecznych do budynku, a więc słońce stanowi istotne źródło ciepła w bilansie energetycznym; od strony północnej niezależnie od pory roku warto zaplanować zieleń iglastą, która tworzy strefę buforową – chroni elewację północną przed zimnymi wiatrami mogącymi powodować nadmierne wychłodzenie budynku;
  – uwzględnienie istniejących zbiorników wodnych.

Wymagania stawiane przegrodom zewnętrznym

Przegrody zewnętrzne w budownictwie pasywnym muszą charakteryzować się najlepszymi wartościami współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] ze względu na duże wymogi energetyczne, jakie się im stawia. Podstawowe zasady dobrej ochrony cieplnej, które możemy znaleźć w książce ,,Podstawy budownictwa pasywnego PIBP” [3], są następujące:

• ,,musi być określona zamknięta powłoka termiczna, obejmująca całą przestrzeń komfortu cieplnego; wszystkie pomieszczenia, których temperatura ma wynosić ponad 15°C, znajdują się wewnątrz tej powłoki”,
• ,,powłoka termiczna musi wszędzie wykazywać bardzo wysoką izolacyjność cieplną – może być przerwana jedynie przez dobrze powiązane z nią okna; minimalna grubość ocieplenia powinna wynosić w każdym miejscu powłoki 25 cm (materiał o przewodności cieplnej λ = 0,04 W/(m·K))”.

W praktyce oznacza to, że powłoka termiczna każdego rzutu i każdego przekroju projektowanego budynku musi dawać możliwość obrysowania jej w sposób ciągły grubym pisakiem o szerokości 25 cm w skali, która odpowiadałaby grubości ocieplenia. W miarę możliwości wskazane jest dalsze ulepszanie izolacji termicznej nieprzezroczystych przegród zewnętrznych budynku. Zalecana wartość współczynnika przenikania ciepła U powinna wynosić ok. 0,10 W/(m²·K), co odpowiada ok. 40-centymetrowej grubości materiału ocieplającego (przy założeniu, że wartość λ materiału wynosi 0,04 W/(m·K)).

Jednym z najważniejszych aspektów rzutujących na końcowy bilans energetyczny budynku pasywnego, a w konsekwencji na komfort jego użytkowników jest skrupulatne zaprojektowanie przeszkleń spełniających surowe wymogi PIBP. Stolarka okienna pełni bowiem następujące funkcje:

• w pasywny sposób pozyskuje promieniowanie słoneczne,
• ogranicza straty ciepła spowodowane przenikaniem i minimalizuje pobór energii przeznaczonej do ogrzewania,
• gwarantuje wysoką temperaturę na powierzchni wewnętrznej okna, a w ten sposób zapewnia komfort cieplny mieszkańcom i unikniecie zjawiska kondensacji wilgoci [5].

Sprawdzenie szczelności powłoki budynku nie jest niczym skomplikowanym, a dokonuje się tego za pomocą tzw. testu szczelności. Próbę przeprowadza się w trakcie budowy po wykończeniu budynku od zewnątrz oraz w czasie prac wykończeniowych we wnętrzu. Podczas jej wykonywania mierzy się parametr n₅₀, który określa liczbę wymian powietrza w kubaturze budynku w czasie 1 godz. przy różnicy ciśnień na zewnątrz i wewnątrz budynku równej 50 Pa. Innymi słowy w ciągu godziny wymieniona zostanie określona przez współczynnik część powietrza wewnątrz budynku, np. w budynku o współczynniku n₅₀ = 0,50 h–1 przez godzinę zostanie wymieniona połowa powietrza z jego wnętrza.

Do przeprowadzenia próby ciśnieniowej wykorzystuje się wentylator montowany przeważnie w drzwiach wejściowych lub w jednym z okien, przy czym pozostałe otwory w przegrodach zewnętrznych należy dokładnie uszczelnić. Test szczelności wykonuje się dwukrotnie, przy wytworzeniu wewnątrz obiektu nadciśnienia oraz podciśnienia względem ciśnienia atmosferycznego, w celu sprawdzenia szczelności przegród zewnętrznych na konwekcję powietrza w obu kierunkach. Warunek szczelności dla budynków pasywnych zostanie spełniony, jeśli wielkość współczynnika n₅₀ będzie mniejsza od wartości n₅₀ < 0,60 h^–1 [1].

Odpowiedni mikroklimat w pomieszczeniu zależy też od zapewnienia mu dopływu świeżego powietrza, a więc wentylacji. Aby system wentylacyjny mógł prawidłowo funkcjonować w budynku pasywnym, a przy tym osiągać wysoką sprawność (η > 75%), musi być wyposażony w odpowiedni wymiennik ciepła. Jednak w okresie zimowym, gdy temperatura spada poniżej –5°C, może dojść do oblodzenia po stronie wyrzutu zużytego powietrza. Skutecznym rozwiązaniem stosowanym w celu uniknięcia tego problemu jest wykorzystanie gruntowego wymiennika ciepła [3].

W tabeli 1 przedstawiono charakterystyczne parametry budynku pasywnego w porównaniu z budynkiem tradycyjnym i energooszczędnym.

Przykładowe realizacje budynków pasywnych w krajach Europy pokazano na fot. 1–9.

Obliczenia cieplne przegród zewnętrznych

W ramach opracowania wykonano koncepcję architektoniczno-budowlaną pasywnego budynku jednorodzinnego (rys. 1–6). Zaprojektowany został do realizacji w technologii tradycyjnej murowanej z ociepleniem wykonanym w technologii ETICS (BSO, lekkiej-mokrej). W celu sprawdzenia izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych budynku wykonano obliczenia zgodnie z obowiązującymi normami przedmiotowymi.

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła Uc [W/(m²·K)] ściany zewnętrznej

Obliczeń dokonano zgodnie z normą PN-EN 6946:2008 [9]. Ściana zewnętrzna miała następujący układ warstw (rys. 7):

• tynk cementowo-wapienny o gr. 2 cm, λ = 0,82 W/(m·K),
• bloczek wapienno-piaskowy o gr. 24 cm, λ = 0,75 W/(m·K),
• styropian o gr. 30 cm, λ = 0,04 W/(m·K),
• tynk cienkowarstwowy o gr. 1 cm, λ = 0,80 W/(m·K).

Współczynnik przenikania ciepła Uc = 0, 098 W/(m²·K).

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] połaci dachowej (metodą kresów)

Obliczeń dokonano zgodnie z normą PN-EN 6946:2008 [9]. Połać dachowa miała następujący układ warstw (rys. 8):

• dachówka ceramiczna,
• łaty i kontrłaty drewniane,
• folia dachowa,
• styropian,
• krokwie dwuteowe,
• paroizolacja,
• płyta gipsowo-kartonowa.

Współczynnik przenikania ciepła U_c = 0, 108 W/(m²·K).

Więźba dachowa zaprojektowana została jako drewniana jętkowa. Krokwiami będą belki dwuteowe, w których dodatkowo wolna przestrzeń między pasem górnym a dolnym zostanie wypełniona materiałem izolacyjnym. Środnik krokwi należy wzmacniać drewnianymi deskami mocowanymi za pomocą gwoździ. Jętka wykonana będzie z deski o tarcicy 3,8x20 cm. Kąt nachylenia krokwi α = 40°. Rozstaw wiązarów – co 80 cm. Pokrycie dachu dachówką zakładkową ceramiczną na łatach 4x6 cm oraz kontrłatach 4x6 cm przyciskających folię dachową wstępnego krycia. Folia musi być wysokoparoprzepuszczalna. Ocieplenie stanowi 40 cm styropianu ułożonego między krokwiami. Pod krokwiami powinna być przymocowana szczelnie paroizolacja, a następnie płyty gipsowo-kartonowe 1,25 cm na łatach drewnianych 3x5 cm. Powstałą przestrzeń trzeba wypełnić dodatkową warstwą styropianu.

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] podłogi na gruncie

Obliczeń dokonano zgodnie z normą PN-EN 13370:2008 [10]. Podłoga składała się z następujących warstw (rys. 9):

• płytki ceramiczne,
• gładź cementowa,
• styropian o gr. 30 cm,
• izolacja bitumiczna,
• płyta betonowa,
• ubity grunt.

Współczynnik przenikania ciepła U = 0, 080 W/(m²·K).

Charakterystyka cieplno-wilgotnościowa złączy ściany zewnętrznej

Obliczono ją przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO. W pracy szczegółowo przedstawiono obliczenia jednego wybranego mostka cieplnego: połączenie ściany zewnętrznej ze stropem w przekroju przez nadproże z oknem (rys. 10). Obliczone parametry dla danego złącza wykonano zgodnie z procedurami prezentowanymi w pracy K. Pawłowskiego [11] i otrzymano:

• wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła górnej części złącza Ψ_iG = 0,004 W/(m·K),
• wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła dolnej części złącza Ψ_iD = 0,092 W/(m·K),
• wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła całego złącza Ψ_i = 0,096 W/(m·K),
• czynnik temperaturowy według normy PN-EN ISO 13788:2003 [12] na podstawie temperatury minimalnej (t_min. 12,42°C) w złączu f_Rsi = 0,810.

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła U_k [W/(m²·K)] ściany zewnętrznej

Współczynnik Uk obliczany był z uwzględnieniem mostków cieplnych (rys. 11). Obliczeń dokonano według własnych algorytmów [13]. Do analizy wybrano ścianę parteru budynku (wyodrębnioną przez przegrody do niej prostopadłe: strop, podłogę na gruncie i ściany zewnętrzne). Wartości linowych współczynników przenikania ciepła przyjęto na podstawie obliczeń własnych [8] i zestawiono w tabeli 2. Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 3.

Podsumowanie i wnioski

Na podstawie wykonanej koncepcji architektoniczno-budowlanej oraz obliczeń cieplno-wilgotnościowych pasywnego budynku jednorodzinnego można sformułować następujące uwagi końcowe:

• uniknięcie występowania mostków cieplnych nawet w budownictwie pasywnym, które charakteryzuje się skrajnie niskim zapotrzebowaniem na ciepło, jest niemożliwe;
• w budownictwie pasywnym mostki cieplne mają istotny wpływ na parametry cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych budynku i jego złączy, np. przy obliczeniu współczynnika przenikania ciepła ściany zewnętrznej z uwzględnieniem mostków cieplnych straty ciepła wynikające z ich występowania wynoszą ok. 55%;
• programy komputerowe pozwalają w sposób dokładny opracować katalogi mostków termicznych; w Polsce nie został jeszcze stworzony katalog mostków termicznych dotyczący budynków pasywnych;
• projektowanie budynku pasywnego jest procesem złożonym, wymagającym dużej wiedzy oraz doświadczenia, a często także współpracy wielu osób;
• można zaobserwować wzrost zainteresowania budownictwem pasywnym oraz rozwiązaniami energooszczędnymi w Polsce i z pewnością w miarę upływu czasu świadomość ekologiczna Polaków będzie coraz większa.

Literatura

1. „Budynki pasywne – mistrzowie oszczędzania energii”, Krajowy Ruch Ekologiczno-Społeczny KRES, Piaseczno 2006.
2. M. Idczak, „Ogólna koncepcja budynku pasywnego”, „Materiały Budowlane”, nr 1/2007.
3. W. Feist, G. Schlagowski, „Podstawy budownictwa pasywnego”, Polski Instytut Budownictwa Pasywnego PIBP, Gdańsk.
4. S. Firląg, „Domy pasywne – nowy standard w budownictwie”, „Materiały Budowlane”, nr 1/2007.
5. S. Firląg, M. Idczak, „Okna w budynkach pasywnych – funkcje, wymagania, bilans energetyczny, komfort cieplny”, Instytut Budynków Pasywnych IBP,www.ibp.com.pl.
6. E. Szczechowiak, „Budynki energooszczędne i pasywne”, „Czysta Energia”, nr 3/2008.
7. J. Żurawski, „Budownictwo energooszczędne i pasywne”, „Materiały Budowlane”, nr 1/2009.
8. T. Grykałowski, „Studium projektowe słabych miejsc w pasywnych budynkach jednorodzinnych”, praca magisterska napisana w Katedrze Budownictwa Ogólnego i Fizyki Budowli UTP w Bydgoszczy pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Pawłowskiego.
9. PN-EN ISO 6946:2008,,,Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
10. PN-EN ISO 13370:2008,,,Cieplne właściwości użytkowe budynków. Przenoszenie ciepła przez grunt. Metody obliczania”.
11. K. Pawłowski, „Współczesna charakterystyka mostka cieplnego”, „IZOLACJE”, nr 9/2008.
12. PN-EN ISO 13788:2003,,,Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej i konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacja międzywarstwowa. Metody obliczania”.
13. K. Pawłowski, „Procedury uwzględniania mostków termicznych w ocenie charakterystyki energetycznej budynków”, „IZOLACJE”, nr 7/8/2009.
14. PN-EN ISO 13789:2008, „Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynniki przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania”.
15. Strona internetowa: www.passivhausprojekte.de
16. Strona internetowa: www.domy-pasywne.pl

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!