Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle nowych wymagań cieplno­-wilgotnościowych

Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (WT 2013) [1], zakłada stopniowe (następujące w latach 2014–2021) zaostrzanie wymagań w zakresie wartości granicznych współczynnika przenikania ciepła U_c(maks.) przegród zewnętrznych oraz wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP.

Analiza wymagań w zakresie ochrony cieplno­‑wilgotnościowej

W WT 2013 [1] przewidziano dwie metody pozwalające spełnić w nowo projektowanych i przebudowywanych budynkach wymaganie dotyczące utrzymania na racjonalnie niskim poziomie ilości energii cieplnej potrzebnej do użytkowania budynku zgodnie z jego przeznaczeniem (§ 328 rozporządzenia [1]):

• pierwsza polega na takim zaprojektowaniu przegród w budynku, aby wartości współczynnika przenikania ciepła U_c(maks.) [W/(m2·K)] przegród zewnętrznych, okien, drzwi oraz technika instalacyjna odpowiadały wymaganiom izolacyjności cieplnej,
• druga to zaprojektowanie budynku pod kątem zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną na jednostkę powierzchni pomieszczeń o regulowanej temperaturze powietrza w budynku, lokalu mieszkalnym lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową – EP [kWh/(m²·rok)].

Należy w tym miejscu podkreślić, że wymagane jest jednoczesne spełnienie tych dwóch wymogów – zarówno w zakresie wartości U_c(maks.), jak i EP.

Wymagane wartości U_c(maks.)

W rozporządzeniu [1] zaostrzeniu uległy wymagania cząstkowe dotyczące izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych, dachów, podłóg oraz okien i drzwi. Jednocześnie w nowych wymaganiach nie odgrywa roli typ przegrody (wielo- czy jednowarstwowa) ani przeznaczenie obiektu (mieszkalny, użyteczności publicznej, magazynowy, gospodarczy itp.).

Wartości maksymalne współczynnika przenikania ciepła ścian, podłóg na gruncie, stropów, dachów i stropodachów wraz z harmonogramem wchodzenia w życie wymagań, zgodnie z załącznikiem 2 do rozporządzenia [1], przedstawiono w tabeli 1.

Natomiast wartości maksymalne współczynnika przenikania ciepła okien, drzwi balkonowych i drzwi zewnętrznych wraz z harmonogramem wchodzenia w życie wymagań, zgodnie z załącznikiem 2 do rozporządzenia [1], zawarto w tabeli 2.

W wypadku budynku produkcyjnego, magazynowego i gospodarczego dopuszcza się większe wartości współczynnika U niż U_c(maks.) oraz U_c(maks.) określone w tabelach 1 i 2, jeśli uzasadnia to rachunek efektywności ekonomicznej inwestycji, obejmujący koszt budowy i eksploatacji budynku.

Ponadto w budynku mieszkalnym, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej, produkcyjnym, magazynowym i gospodarczym podłoga na gruncie w pomieszczeniu ogrzewanym powinna mieć izolację cieplną obwodową wykonaną z materiału izolacyjnego w postaci warstwy o oporze cieplnym co najmniej 2,0 (m²·K)/W, przy czym opór cieplny warstw podłogowych oblicza się zgodnie z normami PN-EN ISO 13370:2008 [2] i PN-EN ISO 6946:2008 [3].

W rozporządzeniu [1] określono także wymagania w zakresie izolacji cieplnej przewodów rozdzielczych instalacji c.o. i c.w.u. oraz dodatkowe wymagania dotyczące okien (załącznik 2, pkt 2).

Wymagane wartości EP

Maksymalne wartości wskaźnika EP [kWh/(m²·rok)], określającego roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia wbudowanego, oblicza się według następującego wzoru [1]:

EP = EP_{H + W} + ΔEP_c + ΔEP_L [kWh/(m²·rok)]

gdzie:

EP_{H + W} – maksymalna wartość wskaźnika EP na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, określona zgodnie z tabelą 3 [kWh/(m²·rok)],

ΔEP_c – cząstkowa maksymalna wartość wskaźnika EP na potrzeby chłodzenia, określona zgodnie z tabelą 4 [kWh/(m²·rok)],

ΔEP_L – cząstkowa maksymalna wartość wskaźnika na potrzeby oświetlenia, określona zgodnie z tabelą 4 [kWh/(m²·rok)].

Harmonogram czasowy wprowadzenia wymagań oraz maksymalne wartości wskaźnika EP_{H + W} na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, przedstawiono w tabeli 3.

Harmonogram czasowy wprowadzenia wymagań oraz wartości wskaźników ΔEP_c i ΔEP_L przedstawiono w tabeli 4.

W przypadku budynków o różnych funkcjach użytkowych maksymalne wartości wskaźnika EP określającego roczne obliczeniowe zapotrzebowanie budynku na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej i oświetlenia wbudowanego w ciągu roku oblicza się według następującego wzoru:

EP_m= ∑_i (EP_i·A_f,i)/∑_i A_f,i [kWh/(m²·rok)]

gdzie:

EP_i – maksymalna wartość wskaźnika EP określającego roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej, chłodzenia oraz oświetlenia wbudowanego w odniesieniu do części budynku o jednolitej funkcji użytkowej o powierzchni A_f,i [kWh/(m²·rok)], obliczona zgodnie ze wzorem EP = EP_{H + W} + ΔEP_c + ΔEP_L [kWh/(m²·rok)], przy uwzględnieniu cząstkowych wskaźników wartości EP,

A_f,i – powierzchnia użytkowa ogrzewana (chłodzona) części budynku o jednolitej funkcji użytkowej [m²].

Ochrona wilgotnościowa

Sprawdzenie warunku ochrony wilgotnościowej – ryzyka występowania kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody oraz kondensacji międzywarstwowej – wynika z §321.1. Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4], oraz z zapisów WT 2013 [1]:

„Na wewnętrznej powierzchni nieprzezroczystej przegrody zewnętrznej nie może występować kondensacja pary wodnej umożliwiająca rozwój grzybów pleśniowych.

2. We wnętrzu przegrody, o której mowa w ust. 1, nie może występować narastające w kolejnych latach zawilgocenie spowodowane kondensacją pary wodnej.

3. Warunki określone w ust. 1 i 2 uważa się za spełnione, jeśli przegrody odpowiadają wymaganiom określonym w pkt 2.2. załącznika nr 2 do rozporządzenia” [1].

Warunki spełnienia wymagań dotyczących powierzchniowej kondensacji pary wodnej przedstawiono w załączniku 2, pkt 2.2 do WT 2013 [1]:

„2.2.1. W celu zachowania warunku, o którym mowa w §321 ust. 1. rozporządzenia, w odniesieniu do przegród zewnętrznych budynków mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej i produkcyjnych, magazynowych i gospodarczych rozwiązania przegród zewnętrznych i ich węzłów konstrukcyjnych powinny charakteryzować się współczynnikiem temperaturowym f_Rsi o wartości nie mniejszej niż wymagana wartość krytyczna, obliczona zgodnie z polską normą dotyczącą obliczania temperatury powierzchni wewnętrznej koniecznej do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacji międzywarstwowej.

2.2.2. Wymaganą wartość krytyczną współczynnika temperaturowego f_Rsi w pomieszczeniach ogrzewanych do temperatury co najmniej 20°C w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej należy określać według rozdziału 5 polskiej normy, o której mowa w pkt 2.2.1., przy założeniu, że średnia miesięczna wartość wilgotności względnej powietrza wewnętrznego jest równa Φ = 50%, przy czym dopuszcza się przyjmowanie wymaganej wartości tego współczynnika równej 0,72.

2.2.3. Wartość współczynnika temperaturowego charakteryzującego zastosowane rozwiązanie konstrukcyjno-materiałowe należy obliczać:

1) dla przegrody – według polskiej normy (PN-EN ISO 13788:2003 [5]);
2) dla mostków cieplnych przy zastosowaniu przestrzennego modelu przegrody – według polskiej normy dotyczącej obliczania strumieni cieplnych i temperatury powierzchni (PN-EN ISO 10211:2008 [6]).

2.2.4. Sprawdzenie warunku, o którym mowa w §321 ust. 1 i 2 rozporządzenia, należy przeprowadzić według rozdziału 5 i 6 polskiej normy (PN-EN ISO 13788:2003 [5]).

2.2.5. Dopuszcza się kondensację pary wodnej, o której mowa w §321 ust. 2 rozporządzenia, wewnątrz przegrody w okresie zimowym, o ile struktura przegrody umożliwi wyparowanie kondensatu w okresie letnim i nie nastąpi przy tym degradacja materiałów budowlanych przegrody na skutek tej kondensacji”.

Projektowanie ścian zewnętrznych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym

Projektowanie ścian zewnętrznych i ich złączy w aspekcie cieplno­‑wilgotnościowym polega na przeprowadzeniu obliczeń w zakresie:

• wartości współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] według PN-EN ISO 6946:2008 [3],
• czynnika temperaturowego f_Rsi [-] według PN-EN ISO 13788:2003 [5],
• sprawdzenia ryzyka występowania kondensacji międzywarstwowej według PN-EN ISO 13788:2003 [5].

Do analizy wybrano ściany zewnętrzne dwuwarstwowe (rys.), które są rozwiązaniami konstrukcyjno-materiałowymi często stosowanymi w Polsce.

W tabeli 5 zebrano rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe wybranych ścian zewnętrznych oraz przedstawiono wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła U_c.

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń dokonano oceny analizowanych rozwiązań w aspekcie kryterium cieplnego U_c ≤ U_c(maks.) według rozporządzenia [1]. Wyniki analizy przedstawiono w tabeli 6.

Z analizy wynika, że wraz ze zmieniającymi się wartościami U_c(maks.) niektóre rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe ścian zewnętrznych nie spełniają podstawowego kryterium dotyczącego ochrony cieplnej. W wielu przypadkach minimalna grubość izolacji cieplnej, spełniająca kryterium cieplne, powinna wynosić 15 cm. Zasadne staje się także stosowanie nowoczesnych materiałów do izolacji cieplnej (tabela 6).

W zakresie ochrony wilgotnościowej analizowanych ścian zewnętrznych i ich złączy przedstawiono w artykule tylko procedurę oceny ryzyka rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych na wewnętrznej powierzchni przegrody i określono wartości czynnika temperaturowego f_Rsi [-].

Sprawdzenie ryzyka rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych w miejscu mostka cieplnego przeprowadza się przez porównanie wartości obliczeniowej czynnika temperaturowego f_Rsi(obl.) w miejscu mostka cieplnego z wartością graniczną (krytyczną) f_Rsi(kryt.). Jeżeli spełniona jest nierówność f_Rsi(obl.) ≥ f_Rsi(kryt.), nie występuje ryzyko rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych na wewnętrznej powierzchni przegrody.

Czynnik temperaturowy (w miejscu mostka cieplnego) f_Rsi(obl.) określa się z wzoru:

gdzie:

θ_si,min. – temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni przegrody mostka cieplnego [°C],

θ_e – temperatura powietrza zewnętrznego [°C],

θ_i – temperatura powietrza wewnętrznego [°C].

Czynnik temperaturowy krytyczny f_Rsi(kryt.) według rozporządzenia [1] można określić w sposób:

uproszczony dla t_i = 20°C, Φ = 50%, f_Rsi(kryt.) = 0,72,

dokładny – z uwzględnieniem położenia budynku, parametrów powietrza wewnętrznego.

Wartość graniczna (krytyczna) czynnika temperaturowego, z uwzględnieniem parametrów powietrza wewnętrznego (III klasa wilgotności, ti = 20°C) i zewnętrznego (Toruń), wynosi f_Rsi(kryt.) = 0,778.

Do przykładowej analizy wybrano trzy mostki cieplne występujące na złączach budowlanych ściany dwuwarstwowej z betonu komórkowego.

Wartości temperatur minimalnych na wewnętrznej powierzchni (w miejscu mostka cieplnego) określono na podstawie obliczeń numerycznych według procedur opisanych w normie PN-EN ISO 10211:2008 [6]. Wyniki obliczeń i analiz zestawiono w tabeli 7.

Na podstawie przedstawionych obliczeń i analiz (tabela 7) można stwierdzić, że w analizowanych mostkach cieplnych nie wystąpi ryzyko rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych.

Należy podkreślić, iż ocena cieplna ścian zewnętrznych powinna dotyczyć nie tylko pełnej przegrody, lecz także jej złączy. Niestety zmiany w rozporządzeniu [1] w zakresie ochrony cieplnej nie precyzują wymagań dotyczących maksymalnych wartości strat ciepła przez mostki cieplne występujące w miejscu połączenia przegród zewnętrznych w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)].

Podsumowanie i wnioski

Nowe wartości graniczne współczynnika U_c(maks.) i wskaźnika EP wyznaczają standardy projektowania od 2021 r. w Polsce budynków niskoenergetycznych. Aby wymagania te mogły zostać spełnione, dobór materiałów konstrukcyjnych i izolacyjnych nie powinien być przypadkowy, ale oparty na szczegółowych obliczeniach i analizach. Z tego względu wskazane byłoby opracowanie poradników projektowych oraz prowadzenie szkoleń w na temat:

• projektowania przegród zewnętrznych budynków w świetle nowych wymagań cieplno-wilgotnościowych,
• zastosowania metod numerycznych w projektowaniu cieplno-wilgotnościowym przegród zewnętrznych i ich złączy,
• wytycznych dotyczących projektowania budynków niskoenergetycznych.

Pomocne byłoby również opracowanie katalogu mostków cieplnych oraz rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych budynków niskoenergetycznych.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2013 r., poz. 926).
2. PN-EN ISO 13370:2008, „Cieplne właściwości użytkowe budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metoda obliczania”.
3. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2008 r. nr 201, poz. 1238).
5. 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”.
6. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
7. PN-EN ISO 12524:2003, „Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!