Projektowanie podłóg, stropów i ich złączy w kontekście nowych wymagań cieplnych

Wytypowanie poprawnych rozwiązań materiałowych przegród stykających się z gruntem jest zagadnieniem bardzo złożonym. Czynnikami kształtującymi parametry fizykalne złączy są:

• wymiary analizowanego budynku (wymiar charakterystyczny B’ [m]),
• grubość izolacji cieplnej ścian fundamentowych, ścian budynku oraz podłogi na gruncie,
• usytuowanie izolacji cieplnej,
• zastosowanie rozwiązań systemowych (np. drzwi balkonowych podpartych tulejami ze stali nierdzewnej z wypełnieniem styropianem).

Podstawowe parametry fizykalne

Do podstawowych parametrów fizykalnych przegród stykających się z gruntem zalicza się:

• współczynnik przenikania ciepła U [W/(m²·K)] podłogi na gruncie, zgodnie z normą PN-EN ISO 13370:2008 [1],
• ekwiwalentny współczynnik przenikania ciepła U_eqiuv,bf [W/(m²·K)], zgodnie z normą PN-EN 12831:2006 [2], określony na podstawie tabel normowych na podstawie wymiaru charakterystycznego podłogi B’ [m] oraz wartości współczynnika przenikania ciepła podłogi U_podłogi [W/(m²·K)],
• liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)] w odniesieniu do złącza przegród stykających się z gruntem, przy zastosowaniu programu komputerowego,
• temperaturę minimalną na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego t_min. [°C],
• czynnik temperaturowy f_Rsi [-] w miejscu mostka cieplnego, określony na podstawie t_min. [°C].

W pierwszym etapie obliczeń określono wartości współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] podłogi na gruncie, zgodnie z procedurą normy PN-EN ISO 13370:2008 [1].

Wymiar charakterystyczny podłogi na gruncie B’

Wymiar charakterystyczny podłogi wprowadza się w celu uwzględnienia trójwymiarowej natury strumienia ciepła w obrębie gruntu. Określa się go według wzoru:

gdzie:

A - pole powierzchni podłogi [m²],

P - obwód podłogi [m].

Grubość ekwiwalentna

Koncepcję grubości ekwiwalentnej wprowadzono w celu uproszczenia wyrażenia współczynnika przenikania ciepła.

Opór cieplny jest reprezentowany przez jego grubość ekwiwalentną, będącą grubością gruntu, która ma ten sam opór cieplny. Grubość ekwiwalentną podłogi na gruncie określono według wzoru:

d_t = w + λ(R_si + R_f + R_se)

gdzie:

w - całkowita grubość ścian, łącznie ze wszystkimi warstwami [m],

λ - współczynnik przewodzenia ciepła gruntu [W/(m·K)] – tablica 1 normy PN-EN ISO 13370:2008 [1],

R_f - opór cieplny płyty podłogi, łącznie z każdą warstwą izolacyjną na całej powierzchni powyżej lub poniżej płyty podłogi i każdym pokryciem podłogi [(m²·K)/W]; opór cieplny płyt z ciężkiego betonu i cienkich pokryć podłogi można pominąć; zakłada się, że chudy beton poniżej płyty ma taką samą wartość współczynnika przewodzenia ciepła jak grunt i zaleca się jej pominięcie;

R_si - opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody według tabeli 1 normy PN-EN ISO 6946:2008 [3]; R_si = 0,17 (m²·K)/W – kierunek przepływu ciepła w dół;

R_se - opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody według tabeli 1 normy PN-EN ISO 6946:2008 [3]; R_si = 0 (m²·K)/W.

Współczynnik przenikania ciepła U

Obliczenie wartości współczynnika przenikania ciepła U zależy od izolacyjności cieplnej podłogi:

• jeżeli d_t < B’(podłogi nieizolowane lub podłogi średnio izolowane), to:

 [W/(m²·K)],

• jeżeli d_t ³ B^’ (podłogi dobrze izolowane), to:

 [W/(m²·K)].

Uwzględnienie wpływu izolacji krawędziowej

Według załącznika B normy PN-EN ISO 13370:2008 [1] wpływ izolacji krawędziowej uwzględnia się według następujących kroków:

• określenie dodatkowej grubości ekwiwalentnej wynikającej z izolacji krawędziowej:

d’ = R’·λ

gdzie:

R’ - dodatkowy opór cieplny wprowadzony przez izolację krawędziową (lub fundament), zastępuje go różnica między oporem cieplnym izolacji krawędziowej i oporem cieplnym podłoża (lub płyty):

gdzie:

R_n - opór cieplny poziomej lub pionowej izolacji krawędziowej (lub fundamentu) [(m²·K)/W],

d_n - grubość izolacji krawędziowej (lub fundamentu) [m],

• uwzględnienie izolacji krawędziowej (poniżej gruntu wzdłuż obwodu podłogi):

 [W/(m·K)]

gdzie:

D - szerokość pionowej izolacji krawędziowej (lub fundamentu) poniżej poziomu gruntu [m],

d’ - dodatkowa grubość ekwiwalentna [m],

• uwzględnienie izolacji krawędziowej do obliczeń wartości współczynnika przenikania ciepła U:

 [W/(m²·K)]

Współczynnik przenoszenia ciepła przez grunt w stanie ustalonym między środowiskiem wewnętrznym i zewnętrznym Hg [W/K] określa się według wzoru:

Założenia obliczeniowe

Obliczenia współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] według normy PN-EN ISO 13370:2008 [1] wykonano dla 4 wybranych złączy stykających się z gruntem, w różnych wariantach grubości izolacji cieplnej, przy następujących założeniach:

• budynek niepodpiwniczony o szer. b = 8,0 m i dł. l = 8,0 m,
• głębokość posadowienia spodu ławy fundamentowej = 1,0 m p.p.t., przewodność cieplna gruntu λ = 2 W/(m·K) (piasek lub żwir),
• rozwiązanie ściany parteru z bloczków z betonu komórkowego gr. 24 cm, ocieplonego styropianem gr. 12 cm.

Pozostałe materiały budowlane przyjęto jednakowe we wszystkich przypadkach. Grubość izolacji cieplnej w posadzce na gruncie przyjęto w dwóch wariantach, tj. gr. 8 cm (wariant I – RYS. 1) i 3 cm (wariant II – RYS. 2). Dla porównania wykonano też obliczenia dla ściany fundamentowej bez izolacji krawędziowej pionowej dla wszystkich rozwiązań - wariant III (RYS. 3) i IV (RYS. 4).

Wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie tablic zawartych w pracach „Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych” [6] oraz „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle nowych warunków technicznych dotyczących budynków WT 2013” [7].

Wartości współczynnika U obliczono zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:2008 [3] (w odniesieniu do ścian zewnętrznych) oraz PN-EN ISO 13370:2008 [1] (w odniesieniu do podłogi na gruncie).

Parametry cieplne analizowanych złączy zestawiono w TABELI 1.

Analiza numeryczna

W drugim etapie obliczeń wykonano obliczenia parametrów cieplno-wilgotnościowych przegród stykających się z gruntem z zastosowaniem programu komputerowego, zgodnie z procedurami przedstawionymi w normie PN-EN ISO 10211:2008 [8], opisanymi szczegółowo m.in. w pracach "Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych" [6] oraz "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle nowych warunków technicznych dotyczących budynków WT 2013" [7].

Analiza numeryczna z zastosowaniem programu komputerowego polegała na określeniu strat ciepła przez złącze (RYS. 5–6) oraz rozkładu temperatur (RYS. 7) i obejmowała następujące etapy:

• przyjmowanie układów materiałowych analizowanych złączy oraz charakterystyki materiałowej - wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)], przyjęte na podstawie tablic zawartych w pracach "Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych" [6] oraz "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle nowych warunków technicznych dotyczących budynków WT 2013" [7],
• modelowanie złączy zgodne z zasadami normy PN-EN ISO 10211:2008 [8] przez zastosowanie odpowiednich płaszczyzn wycięcia (budynek podzielony na wiele części),
• przyjmowanie warunków brzegowych:
  • oporu przejmowania ciepła na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni przegrody na podstawie normy PN-EN ISO 6946:2008 [3] w przypadku obliczania wielkości strumienia ciepła, a przy obliczaniu rozkładu temperatury na podstawie normy PN-EN ISO 13788:2003 [9],
  • lokalizacja i przeznaczenie budynku: ti = 20°C (pokój dzienny), te = –20°C (II strefa),
• określenie parametrów fizykalnych:
  • strumienia przepływu ciepła przez złącze Φ [W];
  • liniowego współczynnika sprzężenia cieplnego L2D [W/(m·K)];
  • linowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)]: Ψi (według wymiarów wewnętrznych), Ψe (według wymiarów zewnętrznych);
  • gałęziowego współczynnika przenikania ciepła (dla odpowiedniej części złącza) [W/(m·K)] (w analizowanym przypadku wyodrębniono osobno straty ciepła dla ściany zewnętrznej (Ψs) oraz dla podłogi na gruncie (Ψg));
  • temperatury w punktach charakterystycznych złącza t1, t2, t3 [°C] oraz temperatury minimalnej tmin. (θsi,min.) [°C];
  • czynnika temperaturowego fRsi [-].

W TABELACH 2-3 zestawiono wyniki obliczeń parametrów cieplno-wilgotnościowych złącza przegród stykających się z gruntem (w trzech przypadkach - zróżnicowana grubość izolacji cieplnej ściany zewnętrznej: 10 cm, 12 cm, 15 cm) przy zastosowaniu programu komputerowego.

Aby wytypować poprawne rozwiązanie złącza przegród stykających się z gruntem, należy przeprowadzić szczegółowe obliczenia w odniesieniu do kilku wariantów, przy zmiennej grubości izolacji podłogi na gruncie oraz pionowej izolacji krawędziowej (RYS. 1–4).

Dodatkowym elementem w kształtowaniu struktury materiałowej tego typu złącza staje się zaprojektowanie połączenia drzwi balkonowych z tarasem (RYS. 8-9). Wyniki szczegółowej analizy numerycznej przedstawiono w TABELI 4.

Grubość i usytuowanie izolacji cieplnej ma istotny wpływ na parametry cieplno-wilgotnościowe złączy przegród stykających się z gruntem. Brak pionowej izolacji ściany fundamentowej (wariant III i wariant IV) powoduje zwiększenie strat ciepła (Ψ [W/(m·K)], Uśr.podł. [W/(m²·K)]) oraz znaczne obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody (ryzyko rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych).

Zastosowanie rozwiązania okna podpartego tulejami ze stali nierdzewnej z wypełnieniem styropianowym powoduje, że dodatkowe straty ciepła (Ψ) są mniejsze niż w wariancie VI.

Warto zwrócić także uwagę na znaczne obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody w przypadku okna podmurowanego cegłą ceramiczną.

Obliczenia parametrów fizykalnych podłóg i stropów

Do analizy wytypowano trzy podstawowe rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe powszechni stosowane w praktyce inżynierskiej, z różnymi materiałami izolacyjnymi (styropianem, wełną mineralną, płytami z pianki poliuretanowej PIR):

• strop nad pomieszczeniem nieogrzewanym (np. garaż) ocieplony od stropy pomieszczenia ogrzewanego - wariant A (RYS. 10, TABELA 5),
• strop nad pomieszczeniem nieogrzewanym (np. garaż) ocieplony od stropy pomieszczenia ogrzewanego oraz pomieszczenia nieogrzewanego – wariant B (RYS. 11, TABELA 6),
• strop nad przejazdem ocieplony dwustronnie - wariant C (RYS. 12, TABELA 7).

W wariancie A:

• R_T = R_si + R_n + R_se = 3,33 (m²·K)/W (5,02 (m²·K)/W w wariancie zastosowaniem płyt z pianki poliuretanowej PIR),
• = 0,30 W/(m²·K) (0,20 W/(m²·K) w wariancie z zastosowaniem płyt z pianki poliuretanowej PIR),
• U_C = 0,30 W/(m²·K) (0,20 W/(m²·K) w wariancie z zastosowaniem płyt z pianki poliuretanowej PIR).

W wariancie B:

• RT = Rsi + Rn + Rse = 6,18 (m²·K)/W (7,87 (m²·K)/W w wariancie zastosowaniem płyt z pianki poliuretanowej PIR),
• = 0,16 W/(m²·K) (0,13 W/(m²·K) w wariancie z zastosowaniem płyt z pianki poliuretanowej PIR),
• UC = 0,16 W/(m²·K) (0,13 W/(m²·K) w wariancie z zastosowaniem płyt z pianki poliuretanowej PIR).

W wariancie C:

• RT = Rsi + Rn + Rse = 7,61 (m²·K)/W (9,30 (m²·K)/W w wariancie zastosowaniem płyt z pianki poliuretanowej PIR),
•   = 0,13 W/(m²·K) (0,11 W/(m²·K) w wariancie z zastosowaniem płyt z pianki poliuretanowej PIR),
• UC = 0,13 W/(m²·K) (0,11 W/(m²·K) w wariancie z zastosowaniem płyt z pianki poliuretanowej PIR).

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń istnieje możliwość oceny przegród według wymagań cieplnych sformułowanych w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [10]:

• strop nad pomieszczeniem nieogrzewanym ocieplony od strony pomieszczenia ogrzewanego (wariant A, przy ociepleniu płytami ze styropianu) nie spełnia podstawowego kryterium cieplnego - U_C = 0,30 [W/(m²·K)] > U_{C (maks.)} = 0,25 [W/(m²·K)];
• wprowadzenie dodatkowej warstwy izolacji cieplnej (płyty z sztywnej i wodoodpornej wełny mineralnej gr. 10 cm) - wariant B, powoduje obniżenie wartości współczynnika przenikania ciepła U_C = 0,13–0,16 [W/(m²·K)] (w zależności od zastosowanej izolacji cieplnej), co spełnia podstawowe kryterium izolacyjności cieplnej U_C < U_{C (maks.)};
• analizowany strop nad przejazdem - wariant C spełnia podstawowe kryterium cieplne:

U_C = 0,11–0,13 [W/(m²·K)] < U_{C (maks.)} = 0,20–0,15 [W/(m²·K)].

W przypadku analizy parametrów fizykalnych podłóg na stropach należy także zwrócić szczególną uwagę na ukształtowania połączenia ściany zewnętrznej ze stropem i z płytą balkonową.

W ramach artykułu przeprowadzono obliczenia w dwóch wariantach: wariant D - płyta balkonowa przebija warstwę izolacji cieplnej (RYS. 13-15, TABELA 8), wariant E - połączenie płyty balkonowej ze ścianą zewnętrzną za pomocą łącznika izotermicznego (RYS. 16-18, TABELA 9).

Założenia obliczeniowe i model obliczeniowy przyjęto według normy PN-EN ISO 10211:2008 [8].

Złącze z typowym rozwiązaniem z przebiciem izolacji cieplnej płytą balkonową (wariant D) generuje większe straty ciepła (Φ [W], L2D [W/(m·K)], Ψ [W/(m·K)]) niż złącze z zastosowaniem łącznika izotermicznego.

Takie rozwiązanie (wariant E) powoduje, że na stykach wewnętrznych przegród występują temperatury (t1, t2) wyższe niż w wariancie D. W związku z tym nie występuje ryzko kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody.

Podsumowanie

W związku z wprowadzeniem nowych, zaostrzonych wymagań w zakresie izolacyjności cieplnej przegród i całego budynku konieczne staje się projektowania izolacji cieplnej o zwiększonych grubościach lub wprowadzenie nowych rozwiązań materiałowych (o znacznie niższych wartościach współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)]).

Nie należy przy tym zapominać o uwzględnieniu wymagań w zakresie wilgotnościowym (o ryzyku kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego oraz o kondensacji międzywarstwowej).

Dostępne opracowania i katalogi mostków cieplnych, zawarte m.in. normie PN-EN ISO 14683:2008 [12], są bardzo ogólne i nie pozwalają na dokładne rozwiązanie problemu strat ciepła przez grunt i przegrody do niego przylegające.

Brakuje informacji w zakresie temperatur minimalnych na wewnętrznej powierzchni przegrody, co uniemożliwia sprawdzenie ryzyka kondensacji powierzchniowej i międzywarstwowej w złączu budowlanym. W normie podane są orientacyjne całkowite wartości Ψ [W/(m·K)] dla całego złącza, bez podziału na stary ciepła przez grunt i straty przez ścianę.

Ocena złączy budowlanych w zakresie wymagań NFOŚiGW [13] powinna być oparta na szczegółowych obliczeniach numerycznych przy zastosowaniu profesjonalnych programów komputerowych.

Przedstawione w artykule przykłady materiałowe podłóg na gruncie i na stropach nad pomieszczeniami nieogrzewanymi i przejazdami nie wyczerpują wszystkich przypadków, dlatego zasadne staje się opracowanie katalogu rozwiązań podłóg i ich złączy.

Literatura

1. PN-EN ISO 13370:2008, "Cieplne właściwości użytkowe budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metoda obliczania". 
2. PN-EN 12831:2006, "Instalacje grzewcze w budynkach. Metoda obliczania obciążenia cieplnego". 
3. PN-EN ISO 6946:2008, "Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania". 
4. K. Pawłowski, "Kształtowanie przegród stykających się z gruntem w aspekcie cieplno-wilgotnościowym", "Czasopismo Techniczne", nr 9/2012, s. 323–330. 
5. M. Block, "Studium projektowe przegród stykających się z gruntem w aspekcie cieplno-wilgotnościowym", [praca dyplomowa] Katedra Budownictwa Ogólnego i Fizyki Budowli, UTP Bydgoszcz 2011. 
6. A. Dylla, "Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych", Wydawnictwo Uczelniane UTP w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2009. 
7. K. Pawłowski, "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle nowych warunków technicznych dotyczących budynków WT2013, DW Medium, Warszawa 2013. 
8. PN-EN ISO 10211:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe". 
9. 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".
10. 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).
11. K. Pawłowski, M. Dybowska, K. Józefiak, "Przykłady minimalizacji wpływu mostków cieplnych na izolacyjność przegrody", „IZOLACJE”, nr 3/2014, s. 15–21.
12. PN-EN ISO 14683:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne".
13. Wymagania określające podstawowe wymogi niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkalnych oraz sposób weryfikacji projektów i sprawdzania wykonywanych domów energooszczędnych, strona internetowa: www.nfosigw.gov.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!