Projektowanie ścian zewnętrznych w budynkach pasywnych - problemy techniczne

W związku z zaostrzanymi wymaganiami izolacyjności termicznej do rozwiązań projektowych wprowadza się przegrody o doskonałych parametrach cieplnych, jednak bez sprawdzenia ich pracy statycznej i wpływu na trwałość obiektu. Jednym z problematycznych tematów jest ocieplenie – konstrukcja wielowarstwowa podatna na powstawanie uszkodzeń w cienkiej warstwie klejowo-tynkarskiej.

Wymagania dotyczące ochrony cieplnej

Budynki wznoszone w ostatnich kilkudziesięciu latach w Polsce były projektowane na podstawie różnych zmieniających się przepisów budowlanych, w tym parametrów ochrony cieplnej budynków (tabela 1). Większość tych przepisów odnosiła się do właściwości termicznych przegród zewnętrznych, a początkowe uregulowania dotyczące wymagań cieplnych były podyktowane jedynie potrzebą uniknięcia kondensacji pary wodnej na przegrodach. Dopiero na początku lat 80. XX w. głównym celem, w tym wymagań stawianych w normie, było obniżenie zużycia energii.

Obecnie obowiązujące normatywy umożliwiają projektowanie budynków z uwzględnieniem współczynnika przenikania ciepła U (dawniej k) przegród zewnętrznych. Alternatywnie można również projektować budynki przy użyciu wskaźnika EP (energii pierwotnej), obliczanego dla całego budynku.

Współczynnik U, stosowany już od kilkunastu lat, uwzględnia parametry materiałowe przegród zewnętrznych, a więc odnosi się bezpośrednio do właściwości materiałowych budynku, natomiast wskaźnik EP został wprowadzony dopiero w 2009 r. i określa ilość energii potrzebnej do pokrycia zapotrzebowania na ogrzanie domu, przygotowania ciepłej wody użytkowej, zastosowania wentylacji mechanicznej i klimatyzacji. Jest to zatem wskaźnik, który nie określa bezpośrednio parametrów budynku, a odnosi się do sposobu (źródła) jego ogrzewania, chłodzenia oraz lokalizacji budynku.

W 2010 r. została przyjęta zmiana w Dyrektywie Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [1], tzw. Recast. Dokument ten wprowadza zapowiedź kolejnych wyższych wymagań w projektowaniu ochrony cieplnej budynku.

Nowością jest wprowadzenie terminu tzw. budynku o niemal zerowym zużyciu energii. Ponadto niemal zerowa lub bardzo niska ilość wymaganej energii powinna pochodzić w bardzo dużym stopniu z energii ze źródeł odnawialnych, a szczególnie ze źródeł wytwarzanych na miejscu lub w otoczeniu.

Budynki o niemal zerowym zużyciu energii można porównać z budynkami znanymi obecnie pod ogólnie przyjętą nazwą budynków pasywnych, wprowadzoną przez Instytut Budynków Pasywnych w Darmstad w Niemczech, które zgodnie z normami niemieckimi wyróżniają się bardzo niskim zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania – poniżej 15 kWh/(m²·rok)1). Dla porównania, zapotrzebowanie na ciepło w budynkach konwencjonalnych budowanych obecnie wynosi ok. 120 kWh/(m²·rok) (rys. 1).

Istotne jest również to, że od 31 grudnia 2020 r., zgodnie z zapisem Dyrektywy 2010/31/UE [1], wszystkie nowo projektowane budynki oraz budynki poddawane termomodernizacji mają być projektowane w standardzie budynków „o niemal zerowym zużyciu energii”. W odniesieniu do budynków użyteczności publicznej te postanowienia wchodzą w życie jeszcze wcześniej, bo już od 31 grudnia 2018 r.

Obecnie w Polsce dyskutowane są problemy związane z wdrażaniem dyrektyw UE o ograniczeniu zużycia energii i emisji dwutlenku węgla [2] oraz procedur projektowania budynków pod kątem uzyskania założonej wartości wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną (EP) [3]. Departament Rynku Budowlanego i Techniki Ministerstwa Infrastruktury w październiku 2010 r. ogłosił konkurs na przygotowanie metodyki obliczania charakterystyki energetycznej zgodnej z postanowieniami Dyrektywy 2010/31/UE [1].

Przy wdrażaniu Dyrektywy 20010/31/UE [1] prawdopodobnie wystąpią ograniczenia technologiczno-konstrukcyjne i ekonomiczne, w szczególności w zakresie projektowania i wykonawstwa zapewniającego wymaganą izolacyjność i trwałość przegród zewnętrznych w budynkach niskoenergetycznych i pasywnych.

W artykule ograniczono się do dyskusji tylko nad wpływem właściwości cieplnych materiału na grubość warstwy izolacyjnej (która implikuje koszt i rozwiązania technologiczno-konstrukcyjne) oraz związanym z tym zagadnieniem trwałości przegrody warstwowej.

Izolacje termiczne w budynkach pasywnych

Trwałość i niezawodność ocieplenia ścian budynków są efektem współdziałania konstrukcyjnego poszczególnych elementów systemu oraz dobrego wykonawstwa. W praktyce oznacza to, że produkty wchodzące w skład systemu ociepleń powinny być dobrane w taki sposób, aby układ zachowywał swoje własności izolacyjne i konstrukcyjne przez wiele lat użytkowania. Bezpieczeństwo i długowieczność użytkowanego obiektu zależą w głównej mierze od kompatybilności właściwości fizyczno-mechanicznych składowych elementów systemu.

Do tej pory w percepcji niektórych uczestników procesu budowlanego i decydentów administracyjno-prawnych funkcjonuje przekonanie, że warunkiem wystarczającym do zminimalizowania zużycia energii jest zaprojektowanie przegrody o założonej izolacyjności.

Może to być prawdą, gdy jednocześnie do ocieplenia zastosuje się odpowiednio skonfigurowany, kompletny zestaw (system) ociepleniowy, który zagwarantuje także jego trwałość. Jeśli natomiast przegroda, nawet o najwyższej izolacyjności w budynku „o niemal zerowym zużyciu energii”, nie będzie spełniać kryterium trwałości, wpadniemy w pułapkę pozornej energooszczędności [4, 5, 6, 7, 8]. Zyski użytkownika pochodzące ze zmniejszonego zużycia energii będą niwelowane przez kolejne naprawy i remonty ocieplenia i elewacji budynku [9].

Projektowanie budynków pasywnych (blisko zeroenergetycznych) wymaga zatem zmiany w podejściu do dotychczasowych zasad projektowania. Bardzo istotne są wszystkie elementy projektu architektoniczno-budowlanego i należy je rozpatrywać kompleksowo.

Wpływ na wielkość zapotrzebowania na energię mają m.in.: lokalizacja, uwarunkowania środowiska zewnętrznego, orientacja budynku, kształt bryły, rozmieszczenie pomieszczeń, wybór wielkości przeszkleń na elewacjach, wybór rozwiązań materiałowo- konstrukcyjnych, rozwiązania detali konstrukcyjnych, wybór odpowiednich instalacji oraz rozwiązań wspierających pozyskiwanie energii i ograniczanie strat ciepła przez budynek [10].

Spośród wymienionych elementów projektowania istotne są także rozwiązania konstrukcyjne zapewniające trwałość wielowarstwowej przegrody zewnętrznej, które są często niedoceniane przez twórców wymagań technicznych i projektantów.

Z założenia budynki pasywne powinny charakteryzować się bardzo dobrymi parametrami izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych. Współczynnik przenikania ciepła ścian zewnętrznych w tego typu budynkach określa się na poziomie 0,10–0,15 W/(m²·K). Taki współczynnik przy znanych rozwiązaniach materiałowych jest raczej niemożliwy do osiągnięcia dla ściany jednowarstwowej, przy założeniu jej racjonalnej grubości. Dlatego przegrody zewnętrzne w budynkach pasywnych są najczęściej przegrodami warstwowymi składającymi się z części konstrukcyjnej i termoizolacyjnej. Aby osiągnąć współczynnik przenikania ciepła ściany zewnętrznej na poziomie U = 0,10 W/(m²·K), warstwę konstrukcyjną można ocieplić materiałem termoizolacyjnym o różnych grubościach, np. mur z cegły pełnej o grubości 25 cm wymaga ocieplenia od 30 cm do ok. 2 cm w zależności od zastosowanego materiału termoizolacyjnego (tabela 2).

Oczywiście, grubość docieplenia przy założonej takiej samej części konstrukcyjnej przegrody uzależniona jest od wartości współczynnika λ materiału termoizolacyjnego. Producenci tych materiałów deklarują zwykle różne parametry wyrobów, w zależności od przeznaczenia materiału. Do porównania przyjęto materiały o najlepszych (z uwagi na charakter omawianych budynków) parametrach współczynnika przewodzenia ciepła (tabela 2).

Niewątpliwie decyzja o doborze rodzaju materiału termoizolacyjnego powinna być poprzedzona optymalizacją grubości warstwy termoizolacyjnej z uwagi na np. kryteria kosztów, trwałości czy grubości przegrody. Problem ten jest na tyle istotny, że z jednej strony występują na rynku materiały termoizolacyjne o niskich, a nawet bardzo niskich wartościach współczynnika λ, które są bardzo drogie i znajdują obecnie zastosowanie prawie wyłącznie w specjalistycznych dziedzinach, np. astronautyce, a z drugiej strony zbyt gruba lub zbyt cienka warstwa izolacji termicznej stwarza problemy konstrukcyjno-technologiczne, które zwykle decydują o trwałości przegrody, w szczególności wyprawy klejowo-tynkarskiej (tabela 2).

Materiały termoizolacyjne najczęściej obecnie stosowane w budownictwie to wełna skalna, wełna szklana czy polistyren ekspandowany. Ocieplenie z ich użyciem ścian zewnętrznych w budynkach pasywnych z punktu widzenia dostępności tych materiałów i kosztu całkowitego przegrody wydaje się korzystne. Z drugiej strony problemem jest znaczna grubość przegrody i wynikająca z tego skomplikowana technologia montażu bardzo grubej warstwy termoizolacji, w tym brak standardowych łączników. Ponadto duża podatność warstwy izolacyjnej przy obciążeniach pionowych i poziomych wpływa na trwałość warstwy klejowo-tynkarskiej. Natomiast materiały charakteryzujące się niską wartością współczynnika λ, takie jak aerożel, nanożel czy izolacja próżniowa, zapewniające bardzo korzystną z punktu widzenia użytkownika grubość przegród, to materiały wciąż bardzo drogie, a także trudno dostępne. Ponadto wymagają one indywidualnych przystosowań do budownictwa i opracowania nowych technologii systemów ocieplania.

Oczywiście problem doboru grubości (rodzaju) termoizolacji i jej wpływu na trwałość konstrukcji jest jednym z wielu przy projektowaniu i późniejszej eksploatacji budynków pasywnych. Należy pamiętać, ze oprócz zapewnienia odpowiedniej izolacyjności przegród konieczne jest takie ich projektowanie, aby były bardzo szczelne (budynki pasywne wymagają szczelności), miały zredukowane mostki termiczne (odpowiednie dopracowanie detali konstrukcyjnych) oraz charakteryzowały się wysoką izolacyjnością akustyczną [11]. W budynkach pasywnych, gdzie pozyskiwanie energii z możliwych dostępnych źródeł jest ideą przewodnią, bardzo ważne są również problemy akumulacji ciepła i zapewnienia dużej bezwładności cieplnej, które występują np. przy projektowaniu warstwy konstrukcyjnej z betonu komórkowego o małej gęstości i ociepleniu styropianem.

Przegroda zewnętrzna jako konstrukcja warstwowa

Zasygnalizowany wyżej problem grubości izolacji termicznej wskazuje na potrzebę analizy pracy statycznej ocieplenia jako konstrukcji wielowarstwowej zbudowanej z warstw o zróżnicowanej sztywności, co może mieć istotny wpływ na trwałość wyprawy klejowo-tynkarskiej [8].

Najpopularniejszą i najbardziej znaną metodą wykonywania ociepleń ścian zewnętrznych budynków jest system ETICS, dawniej nazywany bezspoinowym (BSO), który tworzy konstrukcję wielowarstwową (rys. 2) zamocowaną do powierzchni warstwy konstrukcyjnej – ściany – w sposób nieciągły, poprzez przyklejenie izolacji termicznej zaprawą klejącą plackami i pasmowo (rys. 3) oraz dodatkowo łącznikami mechanicznymi. Na izolacji termicznej ułożone są warstwy elewacyjne: warstwa składająca się z masy (zaprawy) klejącej i wtopionej w nią siatki zbrojącej, powłoka gruntująca, wyprawa tynkarska i ewentualnie powłoka malarska, jeśli warstwa tynkarska nie jest barwiona w masie [12, 13].

Jeśli płyta ma wymiar 50×100 cm, to według aktualnych wymagań należy na nią nałożyć masę klejową w liczbie: 8–10 placków na części środkowej oraz pasmo obwodowe o szerokości 3–6 cm w odległości min. 3 cm od krawędzi. Prawidłowo nałożona zaprawa klejąca powinna pokrywać min. 40% powierzchni płyty, a grubość warstwy kleju nie powinna przekraczać 10 mm.

Konstrukcja ocieplenia stanowi zatem statycznie warstwowy układ płytowo-tarczowy, w którym cienkie warstwy wierzchnie (klejowo-tynkarskie) ułożone są na nieciągłej podatnej warstwie (izolacji termicznej) zamocowanej (przyklejonej) w sposób punktowo-liniowy do niepodatnego podłoża, które stanowi ściana budynku.

Podstawowe obciążenie działające na konstrukcję ocieplenia stanowią siły masowe od jego ciężaru własnego i obciążenia termiczne działające w jego płaszczyźnie oraz obciążenia prostopadłe do jego powierzchni: parcie/ssanie wiatru i obciążenia mechaniczne (w kondygnacji parteru). Obciążenia te powodują odkształcenia postaciowe i objętościowe w warstwie izolacji, które zwiększają się wraz z jej grubością. Przy obciążeniu wiatrem następuje deformacja przekroju zespolonego – ugięcie pomiędzy podporami (plackami) i unoszenie krawędzi płyt izolacyjnych – a w cienkiej warstwie klejowo-tynkarskiej występują odkształcenia rozciągające. Im cieńsza warstwa izolacji termicznej, tym większe są ugięcia pomiędzy podporami i większe naprężenia rozciągające. Naprężenia rozciągające (od zginania) w wierzchniej warstwie klejowo-tynkarskiej można by wyeliminować przez ułożenie izolacji na ciągłej warstwie klejącej izolację do ściany, co powoduje znaczne zużycie masy klejącej (zwłaszcza przy nierównych ścianach).

Duża różnica sztywności zespolonych warstw izolacji termicznej i wierzchniej warstwy klejowo-tynkarskiej oraz nieciągłość podatnego podłoża (warstwy termicznej) sprawiają, że struktura ocieplenia jest bardzo wrażliwa na odstępstwa technologiczne i niedokładności wykonania, co dotychczas jest przyczyną uszkodzeń najpierw w warstwie klejowo-tynkarskiej, a następnie destrukcji warstwy termoizolacyjnej [4, 5, 6, 8].

Zdefiniowane dotychczas kryteria projektowania i wykonawstwa systemowego bezspoinowego ocieplania ścian zewnętrznych budynku [12, 13] dotyczą systemów o średniej grubości warstwy izolacyjnej (kilka do kilkunastu centymetrów). Wspomniano już, że aby osiągnąć współczynnik przenikania ciepła dla ściany zewnętrznej na poziomie U = 0,10 W/(m²·K), warstwę konstrukcyjną należy ocieplić materiałem termoizolacyjnym o różnych grubościach – od 30 cm do ok. 2 cm w zależności od zastosowanego materiału izolacyjnego. Są to grubości izolacji zdecydowanie różne od dotychczas stosowanych. Konstrukcje ocieplenia z cienką lub grubą warstwą izolacyjną, zdaniem autorów, powinny być obliczeniowo zweryfikowane jako statycznie warstwowy układ płytowo-tarczowy, a technologia wykonania powinna systemowo wykluczyć możliwość popełniania błędów wykonawczych.

Podsumowanie

Zgodnie z postanowieniami Dyrektywy 2010/31/UE [1] od 2020 r. wszystkie budynki będą musiały być projektowane w technologii budynków blisko zeroenergetycznych. Oznacza to, że projektowanie tych budynków wymaga właściwego doboru materiału izolacyjnego, ze szczególnym uwzględnieniem pracy statycznej ocieplenia jako podatnej konstrukcji wielowarstwowej.

Problemy zasygnalizowane w artykule wskazują, że wybór rozwiązań materiałowych w budynku pasywnym jest sprawą złożoną i skomplikowaną. Wymaga podejmowania wielu przemyślanych decyzji, począwszy od wyboru rodzaju przegrody, rozwiązań materiałowych w poszczególnych warstwach oraz technologii wykonania. Wszystkie te elementy mają wpływ na późniejsze użytkowanie budynku i trwałość ocieplenia. Autorzy zasygnalizowali jedynie jeden z wielu problemów projektowania ocieplenia budynków blisko zeroenergetycznych, a mianowicie wpływ właściwości cieplnych materiału na grubość warstwy izolacyjnej, która implikuje koszt i rozwiązania technologiczno-konstrukcyjne oraz związane z tym zagadnienie trwałości ocieplenia.

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (DzU L 153 z 18.6.2010, s. 13–35).
2. J.A. Pogorzelski, W. Sarosiek, „Spodziewane kłopoty z wdrożeniem w Polsce dyrektyw UE o ograniczeniu zużycia energii i emisji CO2”, „Czasopismo Techniczne. Budownictwo”, z. 4, 2-B/2010, s. 195–204.
3. P. Szczepaniak, M. Wesołowska, „Projektowanie budynku mieszkalnego wielorodzinnego z wymaganą charakterystyką energetyczną”, „Czasopismo Techniczne. Budownictwo”, z. 4, 2-B/2010, s. 205–212.
4. A. Dylla, Z. Wernerowska-Frąckiewicz, „Mankamenty dociepleń budynków wielkopłytowych metodami lekkimi-mokrymi”, [w:] „Budownictwo Ogólne”, Wydawnictwa Uczelniane ATR w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2003, s. 145–154.
5. J. Hoła, Z. Matkowski, K. Schabowicz, „Błędy w wykonywaniu bezspoinowych ociepleń ścian budynków”, „Przegląd Budowlany”, nr 3/2005, s. 31–35.
6. W. Ligęza, „Wykonawstwo jako czynnik trwałości ocieplenia budynków wykonywanego metodą lekką-mokrą”, „Przegląd Budowlany”, nr 12/2005, s. 16–22.
7. W. Ligęza, E. Franczyk, „Wytrzymałościowe aspekty trwałości ocieplania budynków metodą bezspoinową”, „Czasopismo Techniczne. Budownictwo”, z. 5-B/2006, s. 413–422.
8. W. Ligęza, M. Rojewska, „Wpływ wad wykonawczych na trwałość wielowarstwowej konstrukcji ocieplenia ETICS”, „Ochrona przed Korozją”, nr 5s/A/2008, s. 213–218.
9. „Na pomoc wysłużonym ociepleniom. Renowacja elewacji systemem BOLIX Reno-Term”, „Warstwy – Dachy – Ściany”, nr 2/2006, s. 70–71.
10. M. Fedorczak-Cisak, „Ocena energetyczna budynków z wykorzystaniem optymalizacji wielokryterialnej i wielopoziomowej”, Praca doktorska, Kraków 2007.
11. R. Piotrowski, P. Dominiak, „Budowa domu pasywnego krok po kroku”, Wydawnictwo Przewodnik Budowlany, Warszawa 2009.
12. Instrukcja ITB nr 334/2002, „Bezspoinowy system ocieplania ścian zewnętrznych budynków”.
13. „Wytyczne wykonawstwa, oceny i odbioru robót elewacyjnych z zastosowaniem zewnętrznych zespolonych systemów ocieplania ścian”, Wyd. Stowarzyszenie na rzecz Systemów Ociepleń SSO, wyd. II, Warszawa 2006.
14. Strona internetowa: www.budownictwopasywne.pl
15. Strona internetowa: www.budownictwo.ustepowac.info

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!