Wpływ liniowych mostków cieplnych na parametry fizykalne ścian zewnętrznych budynku

Mostkami cieplnymi nazywa się miejsca w obudowie zewnętrznej budynku, w których występuje znaczne obniżenie temperatury wewnętrznej powierzchni i wzrost gęstości strumienia cieplnego w stosunku do pozostałej części przegrody [3]. Można je podzielić ogólnie 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 lub przebijającymi ją ścianami lub stropami) – 3D.

Liniowe mostki cieplne (2D) występują najczęściej w ścianach zewnętrznych. Typowymi przykładami miejsc ich występowania są: słupy i rygle w ścianach, żebra w ścianach warstwowych, nadproża, naroża ścian, połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową, połączenie ściany zewnętrznej ze stropem, ościeża okienne. Celem artykułu jest określenie parametrów cieplnych i wilgotnościowych ściany zewnętrznej z uwzględnieniem liniowych mostków termicznych.

Elementy wpływające na parametry cieplno-wilgotnościowe ściany

Przy określeniu parametrów cieplno-wilgotnościowych ścian zewnętrznych, a w konsekwencji – przy wyborze sposobu zabezpieczenia budynku przed działaniem niskich (warunki zimowe) oraz wysokich temperatur (warunki letnie) [2] należy uwzględnić trzy podstawowe elementy:

• izolacyjność cieplną,
• kondensację powierzchniową,
• kondensację wewnętrzną.

Podstawowe wymagania stawiane ścianom zewnętrznym sformułowane są w rozporządzeniu ministra infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [9]. W zakresie izolacyjności cieplnej budynek jednorodzinny musi spełnić warunek: Uk ≤ Uk(max). Wartości Uk(max) podane są w rozporządzeniu [9] i wynoszą dla ścian jednowarstwowych: 0,50 W/(m2·K), dla ścian warstwowych: 0,30 W/(m2·K).

Jeśli zaś chodzi o wymagania dotyczące eliminacji w budynku zjawiska kondensacji powierzchniowej, w rozporządzeniu [9] zostały one sformułowane następująco: „W budynku mieszkalnym, zamieszkania zbiorowego, budynku użyteczności publicznej, a także w budynku produkcyjnym opór cieplny nieprzezroczystych przegród zewnętrznych powinien umożliwiać utrzymanie na wewnętrznych jej powierzchniach temperatury wyższej co najmniej o 1°C od punktu rosy powietrza w pomieszczeniu, przy obliczeniowych wartościach temperatury powietrza wewnętrznego i zewnętrznego oraz przy obliczeniowej wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu, obliczonej zgodnie z Polską Normą dotyczącą parametrów obliczeniowych powietrza wewnętrznego”.

Analiza wybranego fragmentu ściany zewnętrznej

Do badań własnych wybrano jedną ze ścian budynku jednorodzinnego z poddaszem użytkowym o ścianach zewnętrznych dwuwarstwowych zbudowanych z: bloczków z betonu komórkowego o gr. 24 cm i współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,22 W/(m·K), styropianu o gr. 12 cm oraz współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,043 W/(m·K). Obliczenia i analizy przeprowadzono dla dwóch wariantów izolacji ściany:

• I wariant – bez przedłużenia izolacji cieplnej na ościeże okienne,
• II wariant – uwzględnienie 2-centymetrowego przedłużenia izolacji cieplnej na ościeże okienne.
• Na rys. przedstawiono geometrię przegrody oraz miejsca występowania liniowych mostków cieplnych.  

Określenie wielkości strat ciepła i współczynnika przenikania ciepła Uk

Straty ciepła przez ścianę zewnętrzną można określić za pomocą współczynnika sprzężenia cieplnego między przestrzenią ogrzewaną i otoczeniem zewnętrznym przez obudowę budynku LD według wzoru:

gdzie:

U_ci – współczynnik przenikania ciepła i-tej przegrody bez uwzględnienia wpływu mostków cieplnych liniowych, obliczany według załącznika D normy PN-EN ISO 6946 [6] [W/(m2·K)],

A_i – pole powierzchni i-tej przegrody uczestniczącej w przenikaniu (w świetle przegród do niej prostopadłych), pomniejszone o pole powierzchni ewentualnych okien i drzwi balkonowych obliczone w świetle ościeżnicy [m2],

Ψ_i – liniowy współczynnik przenikania ciepła mostka cieplnego o numerze „i” [W/ /(m·K)],

Ι_i – długość mostka liniowego o numerze „i” [m],

χ_j – punktowy współczynnik przenikania ciepła mostka o numerze „j” [W/K].

Analiza wartości punktowego współczynnika przenikania ciepła χj wskazuje, że otrzymywane wyniki są o rząd wielkości niższe od wartości współczynnika liniowego [1]. Dlatego wartości współczynnika χj w obliczeniach parametrów cieplnych pomija się w pracy. Wartość współczynnika przenikania ciepła Uk można określić według wzoru:

gdzie:

A_o – pole powierzchni i-tej przegrody w osiach przegród do niej prostopadłych, pomniejszone o pole powierzchni ewentualnych okien i drzwi balkonowych obliczone w świetle ościeżnicy [m2].

Wartości linowych współczynników przenikania ciepła Ψi przyjęto na podstawie obliczeń własnych opracowanych w formie katalogu mostków cieplnych [4] (tabela 1).

Współczynniki Ψi, długości liniowych mostków termicznych li oraz pole powierzchni ścian zewnętrznych uczestniczących w przenikaniu Ai przyjęto przy zastosowaniu wymiarów wewnętrznych. Natomiast pole powierzchni AO określono po obrysie ścian zewnętrznych, a na wysokość – do osi stropu dowiązującego. Istnieje potrzeba wykorzystania wartości liniowego współczynnika przenikania w odniesieniu do poszczególnych gałęzi węzła konstrukcyjnego (przy dokonaniu jego podziału).

Obliczenia współczynnika przenikania ciepła Uk dla pojedynczej ściany budynku wykonano z zastosowaniem gałęziowych współczynników Ψi. Dla mostka 3 i 5 wyznaczono je w odniesieniu do części złącza pod stropem, a dla mostka 1 – części narożnika Ψ_i1. W przypadku złączy z oknem uwzględniono straty ciepła odniesione do ściany zewnętrznej (Ψ_i1) (rys.).

Ściany zewnętrzne parteru budynku wyodrębniono przez przegrody do nich prostopadłe: strop dowiązujący i ściany zewnętrzne. Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 2. Wynika z nich, że procentowy udział liniowych mostków cieplnych w stratach ciepła (LD) jest znaczący i wynosi odpowiednio: dla I wariantu (niepoprawne rozwiązanie mostków cieplnych) – 42,5%, dla II wariantu (poprawne rozwiązanie mostków cieplnych – przedłużenie izolacji cieplnej na ościeże okienne) – 36,5%.

Ryzyko występowania kondensacji powierzchniowej i rozwoju pleśni

Sprawdzenie ryzyka występowania kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody polega na określeniu temperatur w charakterystycznych miejscach występowania mostków cieplnych oraz czynnika temperaturowego ƒR,si. według normy PN-EN ISO 13788. Do obliczeń przyjęto:

• warunki brzegowe i fizyczne zgodnie z normami PN-EN ISO 10211-1 [5] i PN-EN ISO 13788 [7],
• temperaturę powietrza zewnętrznego te = –20°C (według normy PN-82/B-02403 [8], dla III strefy klimatycznej – miasto Toruń),
• temperaturę powietrza wewnętrznego ti = 20°C (według rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [9], w pomieszczeniach przeznaczonych do przebywania bez okryć zewnętrznych, np. w pokoju mieszkalnym).

Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 3.

Podsumowanie i wnioski

Liniowe mostki cieplne mają znaczący wpływ na parametry cieplne i wilgotnościowe ścian zewnętrznych i ich złączy. Poprawne uwzględnienie liniowych mostków cieplnych w obliczeniach cieplno-wilgotnościowych wymaga jednak dużej precyzji i dokładności.

W przypadku analizowanej ściany budynku pominięcie w obliczeniach cieplnych wpływu mostków cieplnych może zaniżyć wielkość strat ciepła do 36,5% w odniesieniu do wariantu II i do 42,5% w odniesieniu do wariantu I.

Wykonane obliczenia wskazują, że dodatek uwzględniający wpływ liniowych mostków cieplnych wynosi odpowiednio: ΔU = 0,092 W/(m2·K) dla wariantu I i ΔU = 0,060 W/ /(m2·K) dla wariantu II. Przyjmowanie stałego zryczałtowanego dodatku ΔU według wycofanego załącznika D normy PN-EN ISO 6946 jest podstawowym błędem, ponieważ nie uwzględnia się w ten sposób geometrii przegrody (liczba i wielkość okien i drzwi). Analizowana ściana budynku nie spełnia podstawowego kryterium cieplnego: Uk ≤ Uk(max).

Podobna sytuacja występuje w wielu ścianach ze znaczącą liczbą i powierzchnią okien i drzwi. Występowanie liniowych mostków cieplnych jest także przyczyną znacznego obniżenia temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego, szczególnie na styku połączenia ściany zewnętrznej z oknem. Dla ti = 20°C i ϕi = 55% temperatura punktu rosy wynosi ts = 10,7°C, a temperatura krytyczna: 11,7°C. Oznacza to, że miejsca, w których wyznaczone temperatury są niże od temperatury krytycznej, występuje ryzyko kondensacji powierzchniowej.

Przedłużenie izolacji cieplnej (2 cm) na ościeże okienne poprawia parametry cieplne oraz minimalizuje ryzyko występowania kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody. Aby uwzględnienie w obliczeniach parametrów fizykalnych ścian zewnętrznych występowania liniowych mostków cieplnych było precyzyjne, wymaga wykorzystania specjalistycznego oprogramowania lub katalogu mostków cieplnych [4].

Literatura

1. P. Hołownia, „Wpływ termicznych mostków przestrzennych na kształtowanie parametrów cieplno-wilgotnościowych przegrody”, rozprawa doktorska, ATR, Bydgoszcz 2006.
2. J. Lugez, „Budownictwo mieszkaniowe z elementów wielkopłytowych”, Arkady, Warszawa 1978.
3. J.A. Pogorzelski, „O mostkach cieplnych w przegrodach”, „Materiały Budowlane” nr 1/2007.
4. „Katalog mostków cieplnych”, praca zbiorowa, Katedra Budownictwa Ogólnego i Fizyki Budowli, UTP (w przygotowaniu do druku).
5. PN-EN ISO 10211-1:2005/Ap1:2006 „Mostki cieplne w budynkach. Strumień cieplny i temperatura powierzchni. Ogólne metody obliczania”.
6. PN-EN ISO 6946:2004 „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
7. PN-EN ISO 13788:2003 „Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej umożliwiająca uniknięcie krytycznej wilgotności powierzchni wewnętrznej kondensacji. Metody obliczania”.
8. PN-82/B-02403 „Ogrzewnictwo. Temperatury obliczeniowe zewnętrzne”.
9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002 r. nr 75, poz. 690, DzU z 2003 r. nr 33, poz. 270, DzU z 2004 r. nr 109, poz. 1156).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!