Jak kształtować parametry cieplno-wilgotnościowe narożników ścian zewnętrznych?

Zakłócenie ciągłości przegrody zewnętrznej wynika najczęściej z jej niejednorodności strukturalnej, przejawiającej się zmianą geometrii warstw i wkładek wewnętrznych w miejscach mostków cieplnych, wieńców, narożników itp. Takie miejsca, nazywane „osobliwymi” lub „słabymi”, mogą dyskwalifikować sprawność techniczną całego budynku, w czasie eksploatacji występują w nich bowiem z reguły trwałe uszkodzenia o charakterze fizykalnym [1].

Szczególnym przypadkiem słabego miejsca w przegrodzie jest narożnik ściany zewnętrznej. Z konfiguracją narożnika związana jest imperfekcja linii strumieni ciepła, która pociąga za sobą znaczne obniżenie temperatur na jego powierzchniach wewnętrznych. Najczęściej więc w narożnikach pomieszczeń rozpoczyna się destrukcja biologiczna i mechaniczna przegrody (widoczne jest to w mostku 3D: połączenie ścian zewnętrznych w narożniku ze stropodachem). Zjawisko to znane jest pod nazwą „efektu narożnika” [1].

Występujące w rzeczywistości pole dwu- i trójwymiarowe powinno zostać każdorazowo określone w odniesieniu do konkretnych warunków brzegowych, a uzyskane wyniki brać pod uwagę przy określaniu jakości cieplnej badanych przegród zewnętrznych. Mechanizm zjawiska i stosowaną powszechnie procedurę prowadzenia obliczeń ilustruje rys. 1.

Po lewej stronie rysunku podano siatkę izoterm (i) i adiabat (a) w narożniku symetrycznym przegród zewnętrznych. Dla porównania po prawej stronie przedstawiono wycinek przegrody o takich samych parametrach fizycznych i geometrycznych, z dala od narożnika. Linie strumienia ciepła (a) ulegają zagęszczeniu w złączu dwuwymiarowym (narożniku). Na określoną powierzchnię narożnika (na rys. 1 d×1 m.b.) napływa więcej ciepła (n₂ = 5) w porównaniu z wycinkiem przegrody z przepływem jednowymiarowym (n₂ = 4).

Złącze narożnikowe generuje zwiększony strumień ciepła F₁ > F₂, co oznacza większe straty:

gdzie:

n₁, n₂ – odpowiednio liczba przedziałów między adiabatami i izotermami.

W obliczeniach praktycznych korzysta się z uzyskanej w wyniku obliczeń numerycznych indywidualnej właściwości każdego mostka cieplnego, zwanej liniowym współczynnikiem przenikania ciepła – ψ [W/(m×K)]. Współczynnik ψ określa dodatkową wartość strumienia ciepła (strata – plus, zysk – minus) wywołaną przez mostek cieplny i podaną na 1 m.b. jego długości. Wartość ψ dotyczy całej dodatkowej straty przez mostek, co oznacza w wypadku np. narożnika straty obu gałęzi (po powierzchni 2d – w obie strony od narożnika wewnętrznego – rys. 1).

Występowanie liniowych mostków cieplnych (m.in. w narożnikach ścian zewnętrznych) w przegrodach zewnętrznych powoduje:

•  zwiększone straty ciepła (zagęszczenie adiabat w strefie mostka cieplnego),
•  obniżenie temperatur na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego.

Do analizy wybrano narożnik ścian zewnętrznych wykonanych z betonu komórkowego w połączeniu z oknem.

Obliczenia własne

Do obliczeń wytypowano 8 narożników ścian zewnętrznych wykonanych z betonu komórkowego w układzie jedno- i dwuwarstwowym. Dodatkowo przeprowadzono analizę wpływu usytuowania okna w układzie z narożnikiem.

Obliczeń dokonano przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO oraz przy następujących założeniach.

Dane materiałowe – współczynnik przewodzenia ciepła λ:

•  tynk cementowo-wapienny o gr. 1 cm – λ = 0,80 W/(m·K),
•  tynk gipsowy o gr. 1 cm – λ = 0,40 W/(m·K),
•  bloczek z betonu komórkowego o gr. 36 cm – λ = 0,11 W/(m·K),
•  bloczek z betonu komórkowego o gr. 24 cm – λ = 0,21 W/(m·K),
•  styropian o gr. 15 cm – λ = 0,04 W/(m·K),
•  pianka montażowa – λ = 0,035 W/(m·K),
•  ościeżnica drewniana – λ = 0,16 W/(m·K),
•  zestaw szybowy – λ = 0,075 W/(m·K).

Warunki brzegowe:

•  temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C,
•  temperatura powietrza zewnętrznego t_e = -20°C,
•  opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody R_si = 0,13, 0,25 (m²·K)/W,
•  opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody R_se = 0,04 (m²·K)/W.

Analiza wyników

Głównym celem przeprowadzonych obliczeń i analiz było określenie wpływu usytuowania warstwy izolacji narożnika na parametry cieplno-wilgotnościowe. Ponadto dokonano analizy porównawczej narożników jedno- i dwuwarstwowych.

W narożniku ściany zewnętrznej jednowarstwowej o gr. 36 cm z betonu komórkowego (wariant A) występują większe dodatkowe straty ciepła – liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)] – niż w narożnikach ścian dwuwarstwowych (wariant B, C). Ponadto obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody jest znaczące w wariancie A.

Zasadnicze znaczenia na kształtowanie parametrów cieplno­‑wilgotnościowych narożnika warstwowego ma przewodzenie ciepła warstwy bezpośrednio stykającej się z powietrzem wewnątrz pomieszczenia. Narożnik ocieplony od wewnątrz (wariant C) charakteryzuje się korzystniejszym, niższym wskaźnikiem strat ciepła (Q [W], L^2D [W/(m·K)], Ψ [W/(m·K)]) niż narożnik z ociepleniem zewnętrznym (wariant B). Szczegółowa analiza narożnika (wariant C) z ociepleniem wskazuje na obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni złącza. Wykonanie tynku wewnętrznego minimalizuje ryzyko występowania niższych temperatur – ryzyko rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych (wariant C). Wyniki obliczeń wariantu D potwierdzają obserwacje dotyczące mechanizmu oddziaływania na złącze warstw ocieplających wewnętrznych. Rozkład temperatur w obszarze złącza (wariant E) nie pozostawia wątpliwości, że ocieplenie ma silny wpływ na odchylenie izoterm od powierzchni przegrody. Należy zwrócić uwagę na znaczne obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody (t_min. = 9,61°C) i wzrost strat ciepła w ­gałęzi nieocieplonej. Wariat E ilustruje konsekwencje wprowadzenia wkładek ocieplenia – fragmentaryczny na wewnętrznej powierzchni przegrody.

Wprowadzenie stolarki okiennej do narożników powoduje zmianę parametrów cieplno-wilgotnościowych złączy (wariant E, F, G, H). Obniżenie temperatury następuje na styku ościeżnica – ściana zewnętrzna. Takie ryzyko można zminimalizować dzięki zastosowaniu odpowiednich kształtek – pustaków ościeżnicowych w wypadku ściany jednowarstwowej (wariant F) oraz przedłużeniu izolacji cieplnej o 3 cm na ościeżnicę w wypadku ścian warstwowych (wariant H). Znaczący wpływ na kształtowanie parametrów cieplno-wilgotnościowych złączy narożnikowych ma odległość stolarki okiennej od narożnika.

Podsumowanie i wnioski

W narożnikach ścian zewnętrznych powstają pola temperatur o zróżnicowanych parametrach w zależności od budowy przegrody, usytuowania ocieplenia i stolarki okiennej.

Analiza mostka cieplnego w narożniku wymaga uwzględnienia dodatkowych strat ciepła – liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/((m·K)] oraz ryzyka obniżenia temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody – czynnika temperaturowego f_Rsi określonego na podstawie temperatury minimalnej na wewnętrznej powierzchni w miejscu mostka cieplnego.

Wyniki przeprowadzonych obliczeń potwierdzają zjawisko nazywane efektem narożnika.

LITERATURA

1. A. Dylla, K. Pawłowski, „Wpływ ocieplenia narożników w ścianach zewnętrznych na imperfekcje w rozkładzie temperatur”, Wydawnictwo ATR, Bydgoszcz 2001.
2. K. Pawłowski, „Efektywność zewnętrznych przegród budowlanych i ich złączy w aspekcie cieplno-wilgotnościowym”, rozprawa doktorska, UTP, Bydgoszcz 2008.
3. 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”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!