Płyty warstwowe w kontekście aktualnych wymagań izolacyjności cieplnej

Rozporządzenie [1] nieco uporządkowało zapisy wcześniejszego rozporządzenia [3], ale przede wszystkim określiło perspektywę kolejnych zmian wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej. Zgodnie z aktualnym rozporządzeniem, budynki powinny być zaprojektowane i wykonane w sposób zapewniający spełnienie następujących wymagań minimalnych:

• wartość wskaźnika EP [kWh/(m²·rok)] określającego roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną jest mniejsza od wartości obliczonej zgodnie z § 329 [1],
• przegrody oraz wyposażenie techniczne budynku odpowiadają przynajmniej wymaganiom izolacyjności cieplnej określonym w załączniku nr 2 do rozporządzenia [1],
• powierzchnia okien odpowiada wymaganiom określonym w pkt 2.1. załącznika nr 2 do rozporządzenia [1].

Ponieważ rozpatrujemy płyty warstwowe, poniżej przeanalizujemy wyłącznie wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej przegród budowlanych.

Jak już wspomniano, w obowiązującym rozporządzeniu przedstawiono perspektywę kolejnych zmian tych wymagań. W załączniku do rozporządzenia [1] w postaci tabelarycznej podano maksymalne wartości współczynnika przenikania ciepła U_C(max) dla ścian, dachów, stropów i stropodachów wraz z określeniem daty, od której takie wymaganie będzie obowiązywało.

W TAB. 1 zestawiono wymagania dla najczęstszych przypadków, tj. ściany zewnętrznej i dachu lub stropodachu. Daty określające początek obowiązywania wymagania nie są przypadkowe.

Data wejścia w życie najostrzejszego wymagania (1 stycznia 2021 r. i 2019 r.) jest zgodna z artykułem 9 dyrektywy [2] dotyczącym budynków o niemal zerowym zużyciu energii.

Dla zobrazowania dynamiki zmian przepisów prawnych w zakresie izolacyjności przegród budowlanych, w TAB. 2 zestawiono wymagania określone w poprzednich aktach prawnych (dla temperatury t_i ≥ 16°C). Wymagania izolacyjności cieplnej przegród budowlanych obowiązujące na przestrzeni lat zostały też przedstawione w artykule [4].

Z TAB. 1 i TAB. 2 wynika, że od początku 2014 roku obowiązują wymagania, które są o 20–25% ostrzejsze niż te, które zostały określone w 2009 roku, a w perspektywie kilku następnych lat mamy kolejne, znaczne podniesienie tych wymagań. Dla producentów płyt warstwowych oznacza to konieczność wytworzenia produktów o lepszej izolacyjności termicznej.

Warto w tym miejscu zauważyć, że płyty warstwowe są produktem o doskonałej izolacyjności termicznej, ponieważ, z wyjątkiem cienkich okładzin zewnętrznych, całą grubość płyty wypełnia rdzeń o możliwie najlepszych parametrach termoizolacyjnych.

Aby przeanalizować wpływ zmian wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej przegród budowlanych na grubość płyt warstwowych, dla trzech typowych rdzeni (pianka poliuretanowa PU, polistyren ekspandowany EPS oraz wełna mineralna MW) wyznaczono współczynnik przenikania ciepła U_C jako funkcję całkowitej grubości płyty D.

Zgodnie z obowiązującymi przepisami, współczynnik przenikania ciepła powinien uwzględniać poprawki m.in. z tytułu łączników mechanicznych przechodzących przez warstwę izolacyjną. Metoda obliczania współczynnika przenikania ciepła jest określona w normie [5].

W załączniku D tej normy przedstawiono też sposób uwzględniania poprawek do wyznaczania współczynnika przenikania ciepła. Zasady obliczań cieplno-wilgotnościowych zostały również omówione w publikacji A. Ujmy [6].

Obliczeniowe współczynniki przewodzenia ciepła podstawowych materiałów budowlanych są podane w normie [7], jednak parametry większości podstawowych materiałów termoizolacyjnych powinny być wyznaczane indywidualnie, zgodnie z procedurami określonymi w normach PN-EN 13162 (MW), 13163 (EPS), 13164 (XPS), 13165 (PU), 13166 (PF), 13167 (CG), 13168 (WW), 13169 (EPB), 13170 (ICB), 13171 (WF).

Opór cieplny jednorodnej warstwy wyznacza się ze wzoru:

, (1)

gdzie d jest grubością warstwy materiału, a l jest obliczeniowym współczynnikiem przewodzenia materiału. Całkowity opór cieplny przegrody składającej się z n jednorodnych warstw obliczamy według wzoru:

, (2)

gdzie R₁, R₂,..., R_n to obliczeniowe opory cieplne każdej warstwy, a R_si i R_se oznaczają odpowiednio opór przejmowania ciepła na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni przegrody. W naszym przypadku mamy trzy warstwy: dwie okładziny stalowe oraz rdzeń. Współczynnik przenikania ciepła wyrażony jest wzorem:

. (3)

Do tak obliczonego współczynnika należy stosować odpowiednie poprawki. Poprawiony współczynnik przenikania ciepła U_C uzyskuje się poprzez dodanie członu korekcyjnego DU:

. (4)

Człon korekcyjny określa równanie:

, (5)

gdzie DU_g, DU_f i DU_r oznaczają odpowiednio poprawki z uwagi na pustki powietrzne w warstwie izolacji, łączniki mechaniczne przechodzące przez warstwę izolacyjną oraz opady na dach o odwróconym układzie warstw.

Na potrzeby analizy porównawczej w artykule przyjęto następujące obliczeniowe współczynniki przewodzenia ciepła:

• pianka poliuretanowa λ = 0,022 W/(m·K),
• polistyren ekspandowany (styropian) λ = 0,037 W/(m·K),
• wełna mineralna λ = 0,043 W/(m·K).

Porównania wykonano dla płyty ściennej o okładzinach stalowych grubości 0,5 mm [λ = 50 W/(m·K)]. Opory przejmowania ciepła dla poziomego strumienia ciepła wynoszą R_si = 0,13 (m²·K)/W i R_se = 0,04 (m²·K)/W. Uwzględniono poprawkę z uwagi na łączniki mechaniczne. Przyjęto jeden łącznik o średnicy 5,5/6,3 mm przypadający na 1 m² powierzchni płyty.

Przy takich założeniach poprawka z tytułu mostków termicznych jest rzędu ΔU_f = 0,01 W/(m²·K). Co ciekawe, dla płyty z rdzeniem poliuretanowym grubości 0,10 m ta korekta jest rzędu 5% w stosunku do współczynnika przenikania ciepła bez uwzględniania łączników, ale tylko niecałe 3% w przypadku takiej samej płyty z rdzeniem EPS lub MW.

Na RYS. 1 przedstawiono uzyskaną zależność współczynnika przenikania ciepła ściany U_C jako funkcję całkowitej grubości płyty D dla trzech typowych rodzajów rdzenia. Linia pozioma oznacza wymaganą wartość U_C(max) dla ścian obowiązującą od 1 stycznia 2014 roku [1].

Z wykresu można odczytać, że dla poczynionych założeń warunek U_C(max) = 0,25 W/(m²·K) jest spełniony dla płyty ściennej z rdzeniem poliuretanowym grubości 0,09 m, styropianowym - grubości 0,15 m i z wełny mineralnej - grubości 0,18 m.

Na RYS. 2 zestawiono izolacyjność płyty poliuretanowej z wymaganiami obowiązującymi od roku 2009 (WT 2009), wymaganiami obecnie obowiązującymi (WT 2014) oraz wymaganiami przewidywanymi od 1 stycznia 2021 roku (WT 2021).

Do końca roku 2013 (WT 2009) wystarczyło, aby płyta ścienna z rdzeniem poliuretanowym miała grubość 0,08 m. Obecnie konieczna jest płyta grubości 0,09 m, a od 2021 roku wymagana będzie grubość 0,12 m.

Znacznie gorzej wygląda to dla płyt z rdzeniem EPS i MW. Od 2021 roku grubość płyt ściennych powinna być rzędu odpowiednio - 0,19 m i 0,22 m. W przypadku płyt dachowych obecne wymagania spełnia płyta z rdzeniem poliuretanowym grubości 0,12 m.

Przy zachowaniu obecnych parametrów rdzeni perspektywiczny warunek U_C(max) = 0,15 [W/(m²·K)] będzie osiągany przez płyty grubości 0,16 m (PU), 0,26 m (EPS) i 0,30 m (MW).

Trudno się zatem dziwić, że już teraz producenci płyt intensywnie poszukują materiałów o lepszym (niższym) współczynniku przewodzenia ciepła λ.

Zmiana wymagań izolacyjności cieplnej przegród budowlanych ma i będzie miała wpływ na wiele aspektów produkcji, projektowania i użytkowania płyt warstwowych.

Wyprodukowanie płyty o lepszej izolacyjności termicznej wymaga zmian w programie i technologii produkcji (zmiana grubości płyty lub zmiana komponentów do produkcji).

Nowy produkt oznacza też konieczność jego pełnego przebadania, co oczywiście wiąże się z odpowiednimi kosztami. Grubsze płyty oznaczają też większy ich ciężar, co będzie miało wpływ na obciążenia działające na konstrukcję i elementy mocujące płytę do konstrukcji budynku.

Warto też zauważyć, że płyty o większej sztywności są wrażliwe na oddziaływania termiczne, co było przedstawione m.in. w [8]. Grubsza płyta oznacza też pewne wyzwania architektoniczne i estetyczne ze względu na częste oczekiwania elementów o "optycznej lekkości" i jednocześnie dużej wytrzymałości.

Dodajmy jeszcze, że konieczność pozyskiwania energii odnawialnej, realizowana poprzez montaż kolektorów słonecznych, ogniw fotowoltaicznych i innych urządzeń pozyskujących energię, również będzie miała wpływ na rozwiązania techniczne i projektowanie płyt warstwowych. Każde z tego typu urządzeń może przekazywać na płytę obciążenia punktowe.

Perspektywa zmieniających się wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej budynków stanowi duże wyzwanie dla przemysłu budowlanego, w tym również dla branży płyt warstwowych. Zmiany w prawie skutkują koniecznością zmian w programach produkcji. W ten sposób, z całą pewnością osiągnięty zostanie rozwój techniczny będący jednym z celów dyrektywy [2].

Obserwując systematyczne działania producentów płyt warstwowych, jestem przekonany, że ta branża przemysłu sprosta wysokim wymaganiom technicznym i oczekiwaniom inwestorów.

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 13.08.2013, poz. 926).
2. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (Dz. Urz. UE L 153 z 18.06.2010).
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 201 z 13.11.2008, poz. 1238).
4. D. Heim, "Izolacyjność termiczna przegród pełnych i jej wpływ na charakterystykę energetyczną budynków", "IZOLACJE" 7/8/2012, s. 18-23.
5. PN-EN ISO 6946:2008, "Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metody obliczania".
6. A. Ujma, "Zjawiska cieplno-wilgotnościowe uwględniane w projektowaniu przegród budowlanych", "IZOLACJE" 5/2013, s. 14-19.
7. PN-EN ISO 10456:2009, "Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe i procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych".
8. Z. Pozorski, "Wpływ obciążeń termicznych na płyty warstwowe", "IZOLACJE" 10/2014, 44-48.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!