Efektywność energetyczna materiałów termoizolacyjnych

***

W artykule przestawiono analizę skuteczności ekonomicznej i energetycznej popularnych materiałów termoizolacyjnych do izolacji ścian i podłóg na gruncie. Podano grubości umożliwiające spełnienie odpowiednich wymagań prawnych. Za pomocą wskaźnika efektywności energetycznej i ekonomicznej WEe,k określono, które rozwiązania mogą być najkorzystniejsze.

Energy efficiency of thermal insulation materials

The article presents an analysis of economic and energy efficiency of popular thermal insulation materials for insulating walls and floors on primer. Thickness values are given for meeting the applicable legal requirements. The energy and economic efficiency ratio WEe,k was used to determine which solutions may be most advantageous.

***

Poprawa efektywności energetycznej jest aktualnie priorytetowym działaniem obejmującym całą gospodarkę.

Poszukiwania rozwiązań efektywnych energetycznie widoczne są w każdej dziedzinie gospodarki i mają wpływ m.in. na ekonomię, energetykę, ochronę środowiska, przemysł, jakość powietrza, a ostatecznie - na zdrowie.

Efektywność energetyczna budynków

Istnieje wiele różnych parametrów opisujących efektywność energetyczną w budownictwie.

Jaki jest: Wpływ osłon przeciwsłonecznych na bilans energetyczny budynku

Do najważniejszych czynników należą:

• nieodnawialna energia pierwotna - EP,
• energia końcowa - EK,
• energia użytkowa - EU,
• izolacyjność termiczna przegród budowlanych,
• szczelność powietrzna budynku,
• efektywna energetycznie wentylacja,
• efektywny energetycznie system grzewczy, chłodniczy,
• sterowanie i zarządzanie energią.

Na liście nie może też brakować odnawialnych źródeł energii.

W Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (WT 2013), opisano wymagania obejmujące niektóre wartości graniczne kilku istotnych wskaźników: wskaźnika nieodnawialnej energii pierwotnej EP (TAB. 1), współczynnika przenikania ciepła ścian, dachu, okien czy podłogi na gruncie (TAB. 2).

Bardzo często do opisu strat ciepła w budynku wykorzystywany jest procentowy udział poszczególnych elementów budynku. Jest to czytelna, choć nie do końca miarodajna forma. Zależy od rodzaju wentylacji i może doprowadzać do błędnych wniosków. W TAB. 3 przedstawiono udział strat ciepła przez poszczególne elementy w zależności od rodzaju wentylacji.

Nowe coraz bardziej rygorystyczne wymagania doprowadzą do konieczności stosowania wentylacji z odzyskiem ciepła. Stosowanie wentylacji mechanicznej z rekuperacją przyczynia się do wzrostu zużycia energii pomocniczej.

Przy zastosowaniu wentylacji z rekuperacją udział statycznych strat ciepła ulega zdecydowanej zmianie. W przypadku wentylacji naturalnej procentowy udział statycznych strat ciepła wynosi ok. 35-45%. Przy wentylacji mechanicznej procentowy udział statycznych strat ciepła wynosi ok. 65-75% i może wskazywać na dalsze rezerwy poprawy efektywności energetycznej przegród budowlanych.

Wielokryterialna ocena efektywności energetycznej budynku

Odpowiednie zrównoważenie statycznych i dynamicznych strat ciepła wymaga przeprowadzenia bardzo złożonych, wielokryterialnych procesów optymalizacji. Przeprowadzenie takiej optymalizacji wymaga uwzględnienia kilkunastu parametrów głównych oraz kilkadziesięciu parametrów podrzędnych, często wzajemnie od siebie zależnych.

Aktualnie dostępne są różnego rodzaju metody optymalizacyjne, np. metody umożliwiające dyskontowanie cen energii oraz kosztów inwestycji. Nie jest to prosta metoda i wymaga wykonania czasami nawet kilkudziesięciu tysięcy bilansów energetycznych (na szczęście wykonywanych automatycznie).

Do powszechnego użytku potrzebna jest prostsza metoda wyboru rozwiązań optymalnych.

W przypadku przegród budowlanych wstępnej ocenie powinny podlegać:

• wartość współczynnika przewodzenia ciepła materiału termoizolacyjnego,
• koszt materiału,
• koszt systemu ocieplenia,
• koszt całej przegrody,
• zacienienie,
• wpływ na powierzchnię zabudowy,
• grubość lub wysokość przegrody,
• mostki cieplne,
• oddziaływanie na środowisko naturalne (LCA)

oraz pośrednio

• wpływ na izolacyjność akustyczną,
• ognioodporność,
• trwałość.

Dla jednego parametru głównego można wyróżnić bardzo wiele parametrów podrzędnych, które mogą mieć istotny wpływ na wynik końcowy oceny wielokryterialnej.

Ocena energetyczno-ekonomiczna materiałów termoizolacyjnych

Wyboru efektywnego energetycznie i ekonomicznie materiału termoizolacyjnego można dokonać za pomocą metod dynamicznych lub za pomocą prostej metody, w której ocienia się: koszty materiału, wykonawstwa oraz izolacyjność cieplną.

Koszty wykonawstwa przy tej samej metodzie wbudowania materiału można podzielić na stałe oraz zmienne.

W analizie należy uwzględnić jedynie koszty zmienne: koszt materiału termoizolacyjnego zależny od skuteczności izolacji termicznej oraz koszty zmienne.

Przykładowe koszty zmienne występujące przy wykonywaniu izolacji termicznej ścian związane są z dodatkowymi nakładami na wykonanie obróbek stolarki, attyk itd.

Koszty zmienne występujące przy wykonywaniu izolacji termicznej dachu lub podłogi na gruncie to koszty związane ze zmienną wysokości murów budynku, kondygnacji.

Wskaźnik efektywności ekonomicznej i energetycznej skuteczności izolacji termicznej materiału wyznacza się według następującego wzoru:

gdzie:

W_Ee,k - wskaźnik efektywności ekonomicznej i energetycznej skuteczności izolacji termicznej materiału,
K_m - koszty 1 m3 materiału termoizolacyjnego,
K_z- koszty zmienne związane z wbudowaniem materiału termoizolacyjnego,
R_m - opór cieplny spełniający wymagania prawne w zakresie izolacyjności termicznej.

Wykorzystanie takiej metody oceny do analizy efektywności ekonomicznej skuteczności izolacji termicznej w odniesieniu do różnych materiałów izolacyjnych wykonano w odniesieniu do ściany ocieplanej metodą ETICS oraz podłogi na gruncie.

Izolacyjność termiczna przegród budowlanych

Izolacyjność termiczna nowoczesnych przegród budowlanych zależy głównie od właściwości izolacyjnych oraz grubości materiału izolacyjnego.

Popularność danego materiału zależy od wymagań prawnych, oczekiwań inwestorów, wiedzy o materiale, jego dostępności, szybkości wznoszenia, łatwości obróbki, ceny, a także skuteczności działań marketingowych.

Do najpopularniejszych materiałów termoizolacyjnych należą: styropian, wełna szklana, wełna kamienna, styropian ekstrudowany, wełna celulozowa, pianka poliuretanowa, pianka PIR.

Ocieplenie ścian zewnętrznych

Straty energii cieplnej w budynkach zdominowane są przez przegrody zewnętrzne. Straty ciepła przez ściany zewnętrzne stanowią ok. 25% całkowitych strat ciepła.

Aby zapewnić w budynkach komfort cieplno-wilgotnościowy przy osiągnięciu wysokiej ekonomiczności inwestycyjnej oraz eksploatacyjnej, należy projektować i wykonywać przegrody z wykorzystaniem wskaźnika efektywności i ekonomicznej skuteczności izolacji termicznej.

Spełnienie wymagań prawnych przegrody wykonanej z cegły silikatowej ocieplonej styropianem o λ = 0,04 W/(m·K) oraz λ = 0,031 W/(m·K), wełny mierzalnej o λ = 0,042 W/(m·K) oraz PIR o λ = 0,031 W/(m·K). Ze względów ekonomicznych najkorzystniejszym materiałem termoizolacyjnym jest styropian o λ = 0,031 W/(m·K).

W TAB. 4 zamieszczono grubości różnych materiałów termoizolacyjnych dobrane tak, aby spełnić odpowiednie wymagania wynikające z WT 2013.

W TAB. 5 zamieszczono natomiast wartości wskaźnika efektywności energetycznej i ekonomicznej izolacji termicznej.

Izolacja podłóg na gruncie

Podłoga na gruncie jest szczególnym rodzajem przegrody, ponieważ jest w ciągłym kontakcie z zawilgoconym i chłodnym środowiskiem, a co za tym idzie jest narażona na zagrożenia z tym związane. Coraz częściej - także z powodów ekonomicznych - buduje się budynki bez podpiwniczenia, gdzie podłoga na gruncie jest jednocześnie podłogą kondygnacji mieszkalnej.

Zgodnie z obowiązującym prawem budowlanym budynki powinny być projektowane, budowane i użytkowane w sposób zapewniający oszczędność energii i odpowiednią izolacyjność przegród. Oznacza to, że istnieje konieczność stosowania izolacji termicznej pod powierzchnią podłogi posadowionej bezpośrednio na gruncie.

Przeczytaj: Projektowanie niskoenergochłonnych budynków mieszkalnych w zabudowie jednorodzinnej

Decyzja o doborze grubości izolacji zależy do oczekiwań oraz wymagań prawnych. Izolacja termiczna musi charakteryzować się przede wszystkim wysoką wytrzymałością na naprężenia wywołane obciążeniami użytkowymi i własnymi układu, odpowiednimi właściwościami termicznymi oraz stabilnością wymiarów.

Ze względu na umiejscowienie izolacji termicznej w konstrukcji podłogi na gruncie wyróżnia się kilka rozwiązań tego typu przegrody.

Zastosowanie któregoś z tych wariantów uzależnione jest od konstrukcji budynku, jego przeznaczenia i rodzaju termoizolacji.

W TAB. 6 przedstawiono grubość materiału termoizolacyjnego w zależności od wartości współczynnika przewodzenia ciepła.

W TAB. 7 przedstawiono natomiast wskaźnik efektywności energetycznej i ekonomicznej izolacji termicznej podłogi na gruncie. Z przeprowadzonej analizy wynika, że najkorzystniejsze ekonomicznie jest zastosowanie styropianu o współczynniku przewodzenia ciepła 0,032 W/(m·K).

Analizę skuteczności ekonomicznej i energetycznej popularnych materiałów termoizolacyjnych do izolacji ścian, podłóg na gruncie wykonano z wykorzystaniem cen rynkowych materiałów oraz rynkowych kosztów zmiennych.

Do analizy porównawczej materiałów termoizolacyjnych ściennych przyjęto koszt styropianu białego (135 zł/m³), koszt styropianu szarego (165 zł/m³), wełny mineralnej (250 zł/m³), pianki PIR (850-900 zł/m³).

Wykonana analiza porównawcza wykazała, że najniższa wartość występuje w przypadku styropianu szarego do wykonania izolacji termicznej ściany i dachu o λ = 0,031 i 0,032 W/(m·K).