Ściany zewnętrzne – kryteria wyboru rozwiązań materiałowych

Zasadniczym elementem nowelizacji rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], w zakresie ochrony cieplnej budynków jest zmiana wartości maksymalnych współczynnika przenikania ciepła U_c(maks.).

Zaostrzeniu uległy wymagania cząstkowe w zakresie izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych, dachów, podłóg oraz okien i drzwi. Ponadto nie ma już znaczenia typ przegrody (wielo- czy jednowarstwowa) oraz przeznaczenie obiektu (mieszkalny, użyteczności publicznej, magazynowy, gospodarczy itp.).

Wartości maksymalne współczynnika przenikania ciepła ścian zewnętrznych, zgodnie z załącznikiem 2 do rozporządzenia zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [1], zestawiono w TABELI 1.

Według rozporządzenia zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [1] dopuszcza się dla budynku produkcyjnego, magazynowego i gospodarczego większe wartości współczynnika U niż określone wartości U_c(maks.) (TABELA 1), jeśli uzasadnia to rachunek efektywności ekonomicznej inwestycji, obejmujący koszt budowy i eksploatacji budynku.

Drugim elementem znowelizowanych przepisów jest sprawdzenie warunku ochrony wilgotnościowej – ryzyka występowania kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody oraz kondensacji międzywarstwowej. Wynika ono z § 321.1 i załącznika 2 rozporządzenia zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [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”.

Warunki spełnienia wymagań dotyczących powierzchniowej kondensacji pary wodnej przedstawiono w załączniku nr 2 rozporządzenia zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [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 fRsi 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 fRsi 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 [2]);2) dla mostków cieplnych przy zastosowaniu przestrzennego modelu przegrody – według polskiej normy dotyczącej obliczania strumieni cieplnych i temperatury powierzchni (PN-EN ISO 10211:2008 [3]).

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 [2]).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”.

W artykule zostanie przedstawiona szczegółowa analiza wybranych ścian zewnętrznych w aspekcie nowych wymagań cieplno-wilgotnościowych.

Charakterystyka rozwiązań konstrukcyjno­‑materiałowych ścian zewnętrznych

Najczęściej stosowanymi technologiami wznoszenia ścian zewnętrznych budynków w Polsce są: technologia murowana lub drewniana. Przykładowe rozwiązania ścian zewnętrznych murowanych przedstawiono na RYS. 1–4.

Ściany zewnętrzne murowane jednowarstwowe

Są to mury wykonane z pustaków z betonu komórkowego, ceramiki poryzowanej lub keramzytobetonu.

Pustaki z betonu komórkowego produkowane są jako elementy drobnowymiarowe odmian 900, 800, 700 kg/m³ do wykonywania ścian warstwowych oraz odmian 600, 500, 400 kg/m3 do wznoszenia ścian jednowarstwowych. Stosowanie lżejszych odmian jest racjonalnym sposobem poprawienia izolacyjności cieplnej ścian (stosunkowo niska wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ = 0,09–0,15 W/(m·K)).

Do wznoszenia murów jednowarstwowych należy stosować „ciepłe zaprawy” lub kleje (zaprawy klejowe). W nowo wznoszonych budynkach należy zwrócić uwagę na odpowiednie wykończenie ścian, tzn. położenie tynku w odpowiednim okresie z uwagi na wysychanie.

Zaleca się zostawić powierzchnię zewnętrzną na okres letni niewykończoną i tynkować dopiero jesienią, gdy ściana częściowo wyschnie. Producenci pustaków z betonu komórkowego oferują odpowiednie (systemowe) wykończenie wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni przegrody.

Pustaki z ceramiki poryzowanej produkowane są na podstawie tradycyjnej technologii wypalania elementów murowych z gliny po wprowadzeniu trocin lub pyłu drzewnego.

Podczas wypalania cząsteczki trocin i pyłów ulegają spaleniu i pozostawiają puste przestrzenie (pory), co poprawia parametry cieplne wyrobów ściennych (niska wartość współczynnika λ = 0,09–0,15 W/(m·K)). Pustaki powinny być układane na zaprawie zwykłej (np. cementowo-wapiennej) lub na zaprawie ciepłochronnej (na bazie lekkich kruszyw mineralnych).

Pustaki keramzytobetonowe wykonywane są na bazie granulatu keramzytowego i lepiszcza cementowego. Często oferowane są także pustaki keramzytowo-styropianowe.

Wykończenie zewnętrzne ścian jednowarstwowych powinno być wykonane w postaci cienkowarstwowych tynków akrylowych, silikonowych, silikatowych lub mineralnych [5].

Ściany zewnętrzne murowane warstwowe

Składają się one z:

• warstwy konstrukcyjnej,
• warstwy izolacji cieplnej,
• warstwy pustki powietrznej dobrze wentylowanej (w przypadku ścian szczelinowych),
• warstwy elewacyjnej (w przypadku ścian trójwarstwowych i szczelinowych).

Najczęściej stosowanymi materiałami do wznoszenia warstwy konstrukcyjnej są:

• materiały ceramiczne: cegła pełna, cegła kratówka, cegła dziurawka, pustaki ścienne (MAX, SZ, U, z ceramiki pofryzowanej),
• materiały silikatowe: pełne lub drążone,
• elementy betonowe, np. pustaki szalunkowe,
• pustaki z autoklawizowanego betonu komórkowego,
• elementy murowe z kamienia naturalnego.

Głównym zadaniem tej warstwy jest zdolność przenoszenia obciążeń z wyższych kondygnacji oraz w wyniku parcia wiatru. W przypadku znaczących obciążeń często stosuje się słupy żelbetowe (jako trzpienie).

Materiały do warstwy izolacji cieplnej powinny charakteryzować się niską wartością współczynnika przewodzenia ciepła λ i dużą porowatością. Inne parametry techniczne są zależne od ich pochodzenia.

Do grupy materiałów termoizolacyjnych można zaliczyć:

• styropian – materiał syntetyczny, sztuczny, produkowany z granulek poliestrowych, które podczas spieniania powiększają swoją objętość ponad 4-krotnie,
• wełnę mineralną – materiał pochodzenia mineralnego, włóknisty, produkowany z mieszaniny surowców naturalnych (bazaltów, margli) i odpadowych (żużla wielkopiecowego),
• polistyren ekstradowany – materiał nienasiąkliwy, nieulegający korozji biologicznej,
• płyty z poliuretanu (PUR-u) i poliizocyjanuratu (PIR-u) – twarde płyty piankowe, które są odporne termicznie i niepalne, o niższych wartościach współczynnika przewodzenia ciepła niż np. wełna mineralna i styropian,
• aerożele – materiał będący rodzajem sztywnej piany o wyjątkowo małej gęstości (na jego masę składa się w 90–99,8% powietrze, resztę stanowi porowaty materiał tworzący jego strukturę),
• izolacje próżniowe – płyty z porowatego materiału na bazie krzemionki lub włókien szklanych z mikroporami o rozmiarach 0,0001 mm umieszcza się w szczelnym opakowaniu z nieprzepuszczalnej dla powietrza i pary wodnej folii wielowarstwowej.

Przed wyborem odpowiedniego materiału do izolacji cieplnej należy zwrócić uwagę na następujące właściwości: współczynnik przewodzenia ciepła λ, gęstość objętościową, izolacyjność akustyczną, przepuszczalność pary wodnej (współczynnik oporu dyfuzyjnego μ), wrażliwość na czynniki biologiczne i chemiczne.

Od strony zewnętrznej należy zastosować tynk zewnętrzny (w przypadku ścian dwuwarstwowych) lub warstwę elewacyjną (w przypadku ścian trójwarstwowych i szczelinowych).

Do wykończenia ścian dwuwarstwowych można stosować siatki zbrojące z włókna szklanego, metalowego lub tworzywa sztucznego, które stanowią podkład dla tynków cienkowarstwowych: mineralnych, silikatowych (krzemianowych), silikonowych, silikatowo-silikonowych, polimerowych (np. akrylowych). Ze względu na rodzaj faktury wyróżnia się tynki: gładkie, drapane, ziarniste (baranki), modelowane i mozaikowe [6].

W przypadku ścian trójwarstwowych i szczelinowych warstwa elewacyjna wykonywana jest najczęściej z cegły klinkierowej, bloczków wapienno-piaskowych (silikatowych) oraz płyt z drewna i materiałów drewnopochodnych.

W kształtowaniu układu warstw materiałowych w ścianie szczelinowej należy zaprojektować szczelinę dobrze wentylowaną pomiędzy warstwą izolacji cieplnej a warstwą elewacyjną o odpowiedniej grubości z zapewnieniem swobodnej cyrkulacji powietrza (otworów w warstwie elewacyjnej).

Warstwa elewacyjna powinna być połączona z warstwą konstrukcyjną za pomocą kotew metalowych (łączników mechanicznych) w liczbie od 5 do 6 szt./m² powierzchni ściany.

Ze względu na zmiany temperatur (w okresie letnim do 50°C, a w okresie zimowym do –25°C), w celu uniknięcia występowania zarysowań, wybrzuszeń, kruszenia i odpryskiwania materiału warstwy elewacyjnej zaleca się stosowanie w zewnętrznej warstwie ściany szczelinowej przerwy dylatacyjnej (w odległości 8–12 m w zależności od rodzaju warstwy elewacyjnej).

Należy zwrócić uwagę, że przy analizie parametrów technicznych ścian zewnętrznych należy także uwzględnić charakterystykę cieplno-wilgotnościową złączy budowlanych, takich jak połączenie ściany zewnętrznej:

• z oknem w przekroju przez ościeżnicę, nadproże i podokiennik,
• ze stropem w przekroju przez wieniec,
• ze stropodachem,
• z podłogą na gruncie.

Analiza wybranych ścian zewnętrznych w zakresie wymagań cieplno-wilgotnościowych

Wykonano obliczenia i analizy w celu określenia wartości współczynnika przenikania ciepła Uc według normy PN-EN ISO 6946:2008 [7] oraz sprawdzenia ryzyka występowania kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego i kondensacji międzywarstwowej według normy PN-EN ISO 13788:2003 [2]. Wyniki obliczeń przedstawiono w TABELI 2.

Istotny wpływ na wartość współczynnika przenikania ciepła U przegrody budowlanej ma współczynnik przewodzenia ciepła λ materiału izolacyjnego. W odniesieniu do jednego rodzaju izolacji może się ona wahać w znacznym przedziale w zależności od produktu, co wynika z szybkiego rozwoju rynku materiałów termoizolacyjnych oraz coraz bardziej zaawansowanych technologii produkcyjnych.

Na RYS. 5–7 zilustrowano wpływ wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ na wartość współczynnika przenikania ciepła U na podstawie wyników uzyskanych w odniesieniu do ściany dwuwarstwowej, trójwarstwowej i szczelinowej.

W obliczeniach różnicowano grubość warstwy izolacji cieplnej i wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ materiału izolacyjnego. Dodatkowo zamieszczono poziomy wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej Uc(maks.) według rozporządzenia zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [1], z uwzględnieniem daty ich obowiązywania.

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

Czynnik temperaturowy (w miejscu mostka cieplnego) fRsi.(obl.) określa się według wzoru:

gdzie:

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

θe – temperatura powietrza zewnętrznego [°C],

θi – temperatura powietrza wewnętrznego [°C].

Czynnik temperaturowy krytyczny fRsi.(kryt.) można określić w sposób:

• uproszczony dla t_i = 20°C, φ= 50%, f_Rsi.(kryt.) = 0,72,
• w sposób 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 fRsi.(kryt.) = 0,778.

Do przykładowej analizy wybrano trzy złącza budowlane (mostki cieplne) ściany dwuwarstwowej z: betonu komórkowego gr. 24 cm i styropian gr. 15 cm.

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 [3]. Wyniki obliczeń i analiz przedstawiono w TABELI 3.

Natomiast w zakresie sprawdzenia ryzyka kondensacji międzywarstwowej należy przeprowadzić obliczenia i analizy w odniesieniu do 12 mies. w roku z uwzględnieniem szczegółowych parametrów powietrza wewnętrznego pomieszczenia oraz otaczającego powietrza zewnętrznego według normy PN-EN ISO 13788:2003 [2]. Procedura obliczeniowa obejmuje następujące etapy:

• ustalenie parametrów technicznych materiałów występujących w przegrodzie: współczynnika przewodzenia ciepła λ, współczynnika oporu dyfuzyjnego materiału μ, dyfuzyjnie równoważnej warstwy powietrza s_d = μ·d, oporu cieplnego warstw ­przegrody R (jeśli opór cieplny warstwy przegrody przekracza wartość R > 0,25 (m²·K)/W, należy podzielić taką warstwę na pojedyncze mniejsze, aby R < 0,25 (m²·K)/W),
• przyjęcie warunków brzegowych powietrza wewnętrznego i zewnętrznego: temperatury powietrza wewnętrznego ti w zależności od przeznaczenia pomieszczenia, oporu przejmowania ciepła R_si = 0,13 (m²·K)/W) dla ram i oszkleń oraz R_si = 0,25 (m²·K)/W) w pozostałych przypadkach, temperatury powietrza zewnętrznego te jako średnich miesięcznych temperatur dla danej lokalizacji budynku, oporu przejmowania ciepła R_se = 0,04 (m²·K)/W),
• określenie rozkładu temperatury na stykach warstw materiałowych analizowanej przegrody,
• określenie wartości ciśnienia pary wodnej nasyconej (p_sat.) na stykach warstw materiałowych (na podstawie określonych temperatur na stykach warstw materiałowych),
• określenie wartości rzeczywistego ciśnienia pary wodnej (p) po uwzględnieniu wilgotności powietrza wewnętrznego (określenie Δp w zależności od klasy wilgotności pomieszczenia i te) i wilgotności powietrza zewnętrznego w poszczególnych miesiącach,
• zestawienie wyników obliczeń w odniesieniu do poszczególnych miesięcy w roku na wykresie (RYS. 8),
• ocena ryzyka występowania kondensacji międzywarstwowej na podstawie wykresów (p_sat.) i (p) (RYS. 9–11).

Przecięcie się wykresów (psat.) i (p) (w jednym lub dwóch punktach) wskazuje płaszczyznę, w której występuje ryzyko kondensacji międzywarstwowej.

Podsumowanie i wnioski

Współczynnik przenikania ciepła Uc jest podstawowym parametrem służącym do sprawdzenia kryterium cieplnego Uc ≤ Uc(maks.).

Wraz ze zmieniającymi się wartościami Umaks. niektóre rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe ścian zewnętrznych nie spełniają podstawowego kryterium (TABELA 2, RYS. 5–7). Dotyczy to szczególnie ścian jednowarstwowych.

W przypadku ścian warstwowych minimalna grubość izolacji cieplnej (styropianu i wełny mineralnej) wynosi 15–20 cm. Określone wartości Uc wykorzystywane są do dalszych obliczeń w zakresie analizy cieplno-wilgotnościowej przegród i całego budynku (np. współczynnik strat ciepła przez przenikanie Htr, zapotrzebowanie na energię końcową EK i pierwotną EP).

Ocena ścian zewnętrznych powinna dotyczyć nie tylko pełnej przegrody, ale także jej złączy. Niestety obowiązujące przepisy rozporządzenia zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [1] w zakresie ochrony cieplnej nie precyzują wymagań dotyczących maksymalnych wartości strat ciepła przez mostki cieplne w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ.

Bardzo ważnym aspektem jest także sprawdzenie ryzyka kondensacji powierzchniowej (w miejscu mostka cieplnego) i międzywarstwowej.

W artykule przedstawiono tylko wybrane procedury projektowe ścian zewnętrznych w zakresie izolacyjności cieplnej (określenie wartości współczynnika przenikania ciepła Uc oraz ryzyka kondensacji powierzchniowej w miejscu mostka cieplnego (określenie czynnika temperaturowego fRsi).

Podsumowując, należy podkreślić, że przy kształtowaniu układu warstw materiałowych ścian zewnętrznych i ich złączy trzeba uwzględniać kryteria w zakresie: izolacyjności cieplnej, kondensacji powierzchniowej i międzywarstwowej, izolacyjności akustycznej, ochrony przeciwpożarowej oraz nośności i trwałości konstrukcji.

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 13788: 2003, „Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej umożliwiająca uniknięcie krytycznej wilgotności powierzchni wewnętrznej kondensacji. Metody obliczania”.
3. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
4. K. Józefiak „Metody projektowania ścian zewnętrznych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym”, praca dyplomowa inżynierska napisana pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Pawłowskiego, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy 2011.
5. C. Byrdy „Ciepłochronne konstrukcje ścian zewnętrznych budynków mieszkalnych” Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2009.
6. M. Gaczek, J. Jasiczak, M. Kuiński, M. Siewczyńska, „Izolacyjność termiczna i nośność murowanych ścian zewnętrznych. Rozwiązania i przykłady obliczeń”, Wydawnictwo Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2011.
7. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
8. A. Dylla, „Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych,” Wydawnictwo Uczelniane UTP, Bydgoszcz 2009.