Izolacyjność cieplna stropodachu i stropu nad piwnicami

W budynkach mieszkalnych energia zużywana jest głównie do ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej, wentylacji, oświetlenia oraz zasilania urządzeń gospodarstwa domowego. Zużycie energii cieplnej zależy m.in. od:

• izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych,
• zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych,
• izolacyjności termicznej okien i drzwi,
• sprawności i rodzaju systemu ogrzewania i wentylacji,
• kształtu bryły budynku oraz jego usytuowania,
• sposobu użytkowania budynku.

Największą wagę przywiązuje się na ogół do ścian jako przegród o dominującej powierzchni. Ich udział w stratach ciepła przez przenikanie jest największy, a docieplenie daje szybko odczuwalny efekt poprawy komfortu cieplnego i zmniejszenia zużycia energii podczas sezonu grzewczego.

Ochrona cieplna stropów jest niejednokrotnie traktowana jako drugorzędna, szczególnie w przypadku budynków poddawanych termomodernizacji. Ocieplenie stropodachów czy stropów nad piwnicami często bywa zaniedbywane, m.in. z powodu ograniczonego budżetu prac modernizacyjnych oraz utrudnień związanych np. z dostępem do piwnic. Brak jest również świadomości wpływu przegród poziomych na zapotrzebowanie na energię cieplną niezbędną do ogrzania budynku.

Artykuł jest próbą określenia potencjału oszczędności energii wynikającego z izolowania stropów na przykładzie typowego budynku wielorodzinnego zrealizowanego w technologii prefabrykowanej. We wstępnych założeniach przyjęto, że budynek poddany został termomodernizacji polegającej na dociepleniu ścian zewnętrznych z pominięciem stropodachu i stropu nad piwnicami, co można uznać za typowy sposób prowadzenia tego rodzaju przedsięwzięć.

Charakterystyka analizowanego budynku

Do przeprowadzenia analiz posłużył projekt wielorodzinnego budynku mieszkalnego. Na podstawie podobnych projektów wznoszono w latach 90. ubiegłego wieku obiekty w osiedlach mieszkaniowych na obrzeżach Lublina. 

Jest to budynek mieszkalny wielorodzinny całkowicie podpiwniczony, dwuklatkowy, o pięciu kondygnacjach nadziemnych, obejmujący 20 mieszkań. Jego podstawowe dane gabarytowe są następujące:

• powierzchnia zabudowy - 368,0 m²,
• powierzchnia użytkowa - 1279,65 m²,
• kubatura - 6165,0 m³,
• wysokość budynku - 16,6 m,
• wysokość kondygnacji brutto - 2,8 m,
• wysokość podziemia - 2,26 m,
• liczba mieszkańców - 85 osób.

Budynek wykonano w technologii W-70. Ściany zewnętrzne osłonowe i szczytowe są typu SEG z gazobetonu o grubości 30 i 36 cm. Ściany konstrukcyjne wewnętrzne oraz stropy zaprojektowano jako prefabrykowane zgodnie z systemem W-70. Balkony dostawiano z płyt loggiowych. Stropodach jest typu dwudzielnego o konstrukcji dachu z płyt korytkowych opartych na ściankach ażurowych. Dach zaprojektowano jako dwuspadowy z odwodnieniem wewnętrznym i pokryciem z papy. W budynku jest wentylacja grawitacyjna.

Sposób wykonania obliczeń

Za miarę energochłonności budynku przyjęto sezonowe zapotrzebowanie na energię potrzebną do ogrzania 1 m² powierzchni budynku w ciągu roku, określone wskaźnikiem sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania E wyrażonym w kWh/(m²·rok). Wskaźnik ten nie uwzględnia sprawności systemów grzewczych, ale w prosty sposób pozwala ocenić udział izolacyjności cieplnej poszczególnych elementów konstrukcyjnych w stratach ciepła z budynku.

W celu obliczenia sezonowego zapotrzebowania na ciepło budynek podzielono na strefy, które obejmują:

• grupę pomieszczeń ogrzewanych o jednakowej temperaturze powietrza wewnętrznego zawierającą pomieszczenia mieszkalne i użytkowe na parterze oraz piętrach I–IV,
• grupę pomieszczeń nieogrzewanych zawierającą piwnice oraz klatki schodowe.

Obliczenia przeprowadzono dla każdej strefy oddzielnie, a następnie zsumowano wyniki dla całego budynku. Założono, że elewacja frontowa znajduje się od strony północnej, natomiast ściana z przystawianymi balkonami od strony południowej. Budynek zlokalizowany jest pomiędzy innymi budynkami, co zapewnia jego dobre osłonięcie.

Przyjęto, że przegrody pionowe zewnętrzne, tj. ściany zewnętrzne, okna i drzwi zewnętrzne, charakteryzują się współczynnikiem przenikania ciepła niższym niż wymagany w rozporządzeniu ministra infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002 r. nr 75, poz. 690, z późn. zm.).

Ocieplenie ścian zewnętrznych budynku wykonano w systemie ETICS (dawniej nazywanym metodą BSO) przy użyciu styropianu EPS 70-040 o grubości 14 cm wykończonego tynkiem mineralnym cienkowarstwowym, co pozwala uzyskać współczynnik przenikania ciepła U = 0,244 W/(m²·K) mniejszy niż U_max = 0,3 W/(m²·K).

Przyjęto, że stolarka zewnętrzna wykonana jest z PVC i oszklona szybą zespoloną o współczynniku przenikania ciepła U = 1,1 W/(m²·K). Całkowity współczynnik przenikania ciepła okien wynosi 1,60 W/(m²·K) i nie przekracza wartości U_max = 1,8 W/(m²·K). Drzwi zewnętrzne charakteryzują się współczynnikiem przenikania ciepła U = 2,05 W/(m²·K), który jest mniejszy od U_max = 2,6 W/(m²·K).

Założono, że izolację cieplną stropu nad najwyższą kondygnacją stanowi granulowana wełna mineralna, o grubości zmieniającej się w zakresie od 0 do 30 cm ze stopniowaniem co 2 cm. Izolację cieplną stropu nad piwnicami przyjęto jako wykonaną w systemie ETICS ze styropianu o grubości do 20 cm, również ze stopniowaniem co 2 cm.

Układ warstw stropodachu wentylowanego jest następujący:

• papa asfaltowa,
• szlichta cementowa o gr. 2 cm,
• płyty żelbetowe korytkowe o gr. 6 cm,
• warstwa powietrza słabo wentylowana o średniej gr. 63 cm,
• granulat z wełny mineralnej o gr. od 0 do 30 cm,
• płyta stropowa żelbetowa kanałowa o gr. 22 cm,
• tynk cementowo-wapienny o gr. 1,5 cm.

Układ warstw stropu nad piwnicami przedstawia się następująco:

• posadzka z PVC o gr. 0,3 cm,
• podkład betonowy o gr. 3,5 cm,
• płyty pilśniowe twarde o gr. 3,8 cm,
• papa asfaltowa,
• płyta stropowa żelbetowa kanałowa o gr. 22 cm,
• tynk cementowo-wapienny o gr. 1,5 cm,
• ocieplenie styropianem (metoda BSO) o gr. od 0 do 20 cm,
• tynk cienkowarstwowy o gr. 0,5 cm.

Przypadki docieplenia stropodachu i stropu nad piwnicami przeanalizowano oddzielnie, tzn. najpierw zakładając ocieplenie stropu nad piwnicami zgodne z projektem oryginalnym (grubość ocieplenia 0 cm) i zmieniając grubość ocieplenia stropodachu, a następnie przyjmując ocieplenie stropodachu zgodne z projektem oryginalnym (grubość ocieplenia 12 cm) i różnicując grubość ocieplenia stropu nad piwnicami. Taki sposób postępowania pozwolił na lepszą ocenę wpływu obu przegród na zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania.

Wyniki analiz

Zmiana grubości ocieplenia wpływa na wartość współczynnika przenikania ciepła obu przegród w sposób przedstawiony w tabeli 1 oraz na rys. 2.

W tabeli 1 pogrubiono wartości spełniające wymagania izolacyjności cieplnej zawarte w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (dla stropodachu Umax = 0,25 W/(m²·K), dla stropu nad piwnicami Umax = 0,45 W/(m²·K)). Minimalna grubość ocieplenia stropodachu to 16 cm, a stropu nad piwnicami - 8 cm.

Roczne zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania Qh jest obliczane przez sumowanie zapotrzebowania miesięcznego zgodnie ze wzorem:

Q_h = Σ [(Q_z + Q_w + Q_g + Q_a) - η_m ·(Q_sw + Q_i)  [GJ/rok] (1),

gdzie:

Q_z - straty energii cieplnej przez przegrody zewnętrzne (ściany, dachy, stropodachy, stropy nad przejazdami, okna, drzwi), stykające się z powietrzem zewnętrznym, w m-tym miesiącu sezonu grzewczego [GJ/rok],

Q_w - straty energii cieplnej przez przegrody wewnętrzne (ściany, stropy, okna, drzwi) do pomieszczeń przyległych, w m-tym miesiącu sezonu grzewczego [GJ/rok],

Q_g - straty energii cieplnej przez przegrody przyległe do gruntu (ściany, podłogi), w m-tym miesiącu sezonu grzewczego [GJ/rok],

Q_a - energia cieplna zużyta do ogrzania powietrza wentylacyjnego [GJ/rok],

η_m - współczynnik wykorzystania zysków ciepła w poszczególnych miesiącach sezonu grzewczego,

Q_sw - zyski ciepła od promieniowania słonecznego przez zewnętrzne przegrody przezroczyste w m-tym miesiącu sezonu grzewczego [GJ/rok],

Q_i - bytowe zyski ciepła (ludzie, ciepła woda, oświetlenie, gotowanie, urządzenia elektryczne) [GJ/rok].

Wskaźnik sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania E w odniesieniu do 1 m² powierzchni ogrzewanej budynku Ah wyznaczono jako:

E = Q_h/ A_h (2).

Wartości wskaźnika E podano w przeliczeniu na kWh/(m²·rok), a wyniki zebrano w tabeli 2.

Efekty docieplenia stropodachu są znacznie większe niż efekty docieplenia stropu nad piwnicami. Dla największej rozpatrywanej grubości ocieplenia roczne zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku może stanowić ok. 53% wartości początkowej (bez ocieplenia). Wraz ze wzrostem grubości izolacji potencjalne oszczędności są coraz mniejsze. Po przekroczeniu grubości izolacji, przy której przegroda spełnia warunki określone w rozporządzeniu ministra infrastruktury w sprawie warunków technicznych (tj. ma współczynnik przenikania ciepła niższy od Umax = 0,25 W/(m²·K)), dalszy spadek zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania jest nieznaczny - wynosi ok. 2%.

Wpływ ocieplenia stropu nad piwnicami na zapotrzebowanie na ciepło w budynku jest zauważalnie mniejszy. Mimo zwiększania grubości izolacji cieplnej zmiana rocznego zapotrzebowania na ciepło nie przekracza 4,4% w odniesieniu do przyjętych warunków początkowych. Jest to spowodowane spadkiem temperatury w piwnicach wynikającym ze zwiększenia izolacyjności cieplnej stropu nad piwnicami.

Mimo zmniejszenia współczynnika przenikania ciepła przegrody ze względu na wzrost różnicy temperatur po obu jej stronach wynikowy strumień ciepła nie ulega większym zmianom. Wraz ze zmianą wielkości strumienia ciepła przenikającego przez przegrody zmienia się również ich udział w całkowitych stratach ciepła w budynku, co prezentują diagramy na rys. 5-8.

Ciepło przenikające przez stropodach stanowi od 35,9% (grubość ocieplenia 0 cm) do 3% (grubość ocielenia 30 cm) sumarycznych strat ciepła, a udział stropu nad piwnicami w całkowitych stratach ciepła wynosi od 6,9% (grubość ocieplenia 0 cm) do 1,8% (grubość ocieplenia 20 cm).

Wnioski

Największe straty ciepła w analizowanym budynku występują przez przegrody zewnętrzne pionowe - ściany pełne oraz elementy przeszklone. Przegrody poziome jednak mogą również mieć zauważalny wpływ na zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku. W analizowanym budynku łączny udział stropodachu i stropu nad piwnicami w startach energii cieplnej zmniejszył się od ok. 40% w przypadku przegród nieocieplonych do ok. 9% przy przegrodach spełniających aktualne wymagania ochrony cieplnej.

Docieplenie stropu najniższej kondygnacji wpłynęło na straty ciepła w niewielkim stopniu, natomiast docieplenie stropodachu i zwiększenie grubości izolacji pozwoliło zmniejszyć roczne zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku o ok. 47% w odniesieniu do stanu bez izolacji cieplnej. Oszczędności te są znaczne i wskazują na wart odnotowania potencjał izolacyjności cieplnej tej przegrody. Stan taki jest jednak rzadko spotykany w praktyce. W odniesieniu do izolacyjności stropodachu według oryginalnego projektu z lat 90. (grubość ocieplenia 12 cm) możliwe oszczędności wynoszą ok. 5% (przy założeniu, że przegrody pionowe spełniają wymagania izolacyjności cieplnej).

Należy uznać, że ocieplenie stropodachów może dać zauważalne oszczędności energetyczne w budynkach poddawanych termomodernizacji. Opłacalność tych prac będzie jednak w znacznym stopniu uzależniona od istniejącego stanu ochrony cieplnej budynku, dlatego wszelkie przedsięwzięcia modernizacyjne należy poprzedzić analizą ekonomiczną pozwalającą na wskazanie optymalnych w danym wypadku rozwiązań.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!