Analiza rozwiązań materiałowych ścian zewnętrznych i ich złączy w świetle aktualnych wymagań cieplnych

Ściana zewnętrzna stanowi sztuczną przegrodę między otoczeniem zewnętrznym (o zmiennej temperaturze i wilgotności) a wnętrzem (o określonej temperaturze i wilgotności). W pomieszczeniach przeznaczonych na stały pobyt ludzi powinny być zapewnione użytkownikom odpowiednie warunki w zakresie:

• nośności konstrukcji,
• ochrony cieplno-wilgotnościowej,
• ochrony przed zmiennymi warunkami klimatycznymi: zmianą temperatury, deszczem, wiatrem,
• ochrony przed hałasem,
• ochrony przeciwpożarowej,
• walorów architektonicznych i estetycznych.

Najczęściej stosowanymi technologiami wznoszenia ścian zewnętrznych budynków w Polsce są: technologia murowana lub drewniana.

W TAB. 1 zestawiono wybrane wymagania dotyczące ścian zewnętrznych w zakresie ochrony cieplnej według Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowania [1], Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2], a także wytycznych NFOŚiGW [3]. Jednak spełnienie tych wymagań wiąże się z dodatkowymi kosztami, które ponosi inwestor w zakresie wykonania projektów wykonawczych, weryfikacji dokumentacji i budowy czy próby szczelności.

Rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe murowanych ścian zewnętrznych

Do analizy wybrano ściany zewnętrzne murowane warstwowe (RYS. 1, RYS. 2 i RYS. 3) składające się 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 [W/(m·K)] i dużą porowatością. Inne parametry techniczne są zależne od ich pochodzenia. Na RYS. 4 przedstawiono podstawowe cechy techniczne wybranych materiałów termoizolacyjnych.

Przed wyborem odpowiedniego materiału do izolacji cieplnej należy zwrócić uwagę na następujące właściwości:

• współczynnik przewodzenia ciepła (λ [W/(m·K)],
• gęstość objętościową,
• izolacyjność akustyczną,
• przepuszczalność pary wodnej (współczynnik oporu dyfuzyjnego m [-]),
• 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 [4].

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

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

Warstwa elewacyjna powinna być połączona z warstwą konstrukcyjną za pomocą kotew metalowych (łączników mechanicznych) w liczbie od 5 szt./m2 do 6 szt./m2 powierzchni ściany. Ze względu na zamiany temperatury (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 od 8–12 m w zależności od rodzaju warstwy elewacyjnej).

Obliczenia parametrów cieplnych ścian zewnętrznych

Obliczono współczynnik przenikania ciepła UC [W/(m2·K)] warstwowych ścian zewnętrznych:

• dwuwarstwowych (TAB. 2, RYS. 1, RYS. 5, RYS. 6 i RYS. 7),
• trójwarstwowych (TAB. 3,   RYS. 2, RYS. 8, RYS. 9 i RYS. 10),
• szczelinowych (TAB. 4, RYS. 3, RYS. 11, RYS. 12 i RYS. 13),

w zróżnicowanym układzie warstw materiałowych, zgodnie z procedurą normy PN-EN ISO 6946:2008 [5].

Do obliczenia wartości współczynnika przenikania ciepła UC [W/(m2×K)] przyjęto następujące założenia:

• temperatura obliczeniowa zewnętrzna: Toruń – III strefa klimatyczna: t_e = –20°C,
• temperatura obliczeniowa wewnętrzna: pomieszczenia przeznaczone do przebywania ludzi bez okryć zewnętrznych i niewykonujących w sposób ciągły pracy fizycznej (pokoje mieszkalne, przedpokoje, kuchnie, korytarze): t_i = 20°C,
• opory przejmowania ciepła dla ściany:
  - opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody: R_se = 0,04 [(m²·K)/W],
  - opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody: R_si = 0,13 [(m²·K)/W],
  - w przypadku ściany szczelinowej zaprojektowano dobrze wentylowaną warstwę powietrza o gr. 4 cm – spełnia to kryterium pkt. 5.3.4. normy PN-EN ISO 6946:2008 [5]: "całkowity opór cieplny komponentu budowlanego zawierającego dobrze wentylowaną warstwę powietrza należy obliczyć, pomijając opór cieplny warstwy powietrza i wszystkich innych warstw między warstwą powietrza a środowiskiem zewnętrznym oraz dodając zewnętrzny opór przejmowania ciepła, odpowiadający powietrzu nieruchomemu; alternatywnie może być zastosowana wartość R_si z Tablicy 1 normy",
• wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie pracy "Fizyka cieplna budowli w praktyce. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe” [6] oraz „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy" [7].

Istotny wpływ na wartość współczynnika przenikania ciepła przegrody budowlanej U_C [W/(m2·K)] ma wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] 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. 1, RYS. 5, RYS. 6, RYS. 7, RYS. 8, RYS. 9, RYS. 10, RYS. 11, RYS. 12 i RYS. 13 zilustrowano wpływ wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] na wartość współczynnika przenikania ciepła U_C [W/(m2·K)] na podstawie wyników uzyskanych w odniesieniu do ściany dwuwarstwowych, trójwarstwowych i szczelinowych.

W obliczeniach różnicowano grubość warstwy izolacji cieplnej i wartość współczynnika przewodzenia ciepła materiału izolacyjnego λ [W/(m·K)]. Dodatkowo zamieszczono poziomy wymagań co do izolacyjności cieplnej U_C(max) [W/(m2·K)] według Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 5 lipca 2013 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowania [1], z uwzględnieniem daty ich obowiązywania.

Współczynnik przenikania ciepła UC [W/(m2·K)] jest podstawowym parametrem służącym do sprawdzenia kryterium cieplnego UC ≤ Umax.

Wraz ze zmieniającymi się wartościami U_C(max) niektóre rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe ścian zewnętrznych nie spełniają podstawowego kryterium (U_C(max) ≤ U_max) - TAB. 2, TAB. 3 i TAB. 4.

Określone wartości U_C wykorzystywane są do dalszych obliczeń w zakresie analizy cieplno-wilgotnościowej przegród i całego budynku (np. współczynnik strat ciepła przez przenikanie H_tr [W/K], zapotrzebowanie na energię końcową EK i pierwotną EP [kWh/(m2·rok)]).

Należy także podkreślić, że przy kształtowaniu układu warstw materiałowych ścian zewnętrznych i ich złączy trzeba uwzględniać kryteria w zakresie: izolacyjności cieplnej, kondensacji powierzchniowej i międzywarstwowej (opisane szczegółowo w pracy "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy" [7]), izolacyjności akustycznej, ochrony przeciwpożarowej oraz nośności i trwałości konstrukcji.

Niektóre układy warstw materiałowych spełniają wymagania w zakresie izolacyjności cieplnej (U_C(max) ≤ U_max), jednak po przeprowadzeniu analizy w zakresie wymagań wilgotnościowych, akustycznych lub przeciwpożarowych usytuowanie warstwy izolacji cieplnej wewnątrz przegrody jest niedopuszczalne.

Obliczenia parametrów fizykalnych wybranego złącza budowlanego

Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowania [1], wprowadza od 1 stycznia 2014 r. nowe wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej przez zaostrzenie wymagań w zakresie wartości granicznych współczynnika przenikania ciepła U_C(max) [W/(m²·K)] przegród zewnętrznych oraz wartości granicznych wskaźnika zapotrzebowania na energię pierwotną EP [kWh/(m2·rok)] całego budynku. Jednak w rozporządzeniu tym nie sformułowano wymagań w zakresie ograniczenia strat ciepła przez złącza przegród zewnętrznych.

Są to "mostki cieplne (termiczne)", które szczegółowo scharakteryzowano w pracy "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy" [7]. W tych tzw. słabych miejscach występuje:

• zwiększony przepływ strumienia cieplnego przez złącze, co wpływa na wzrost wartości wskaźnika EU, EK a w ostateczności EP [kWh/(m²·rok)],
• obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody, co prowadzi do ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej (ryzyka rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych), można je określić za pomocą czynnika temperaturowego f_Rsi.

Dlatego niezwykle ważne staje się w procesie projektowym poprawne wykonywanie szczegółowych obliczeń i analiz numerycznych, które powinny być podstawą do wyboru rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych przegród zewnętrznych i ich złączy.

Energochłonność całego budynku określa się za pomocą wskaźnika zapotrzebowania na ciepło do ogrzania budynku [kWh/(m2·rok)].

Według Krajowego planu działań [8] przez "budynek o niskim zużyciu energii" należy rozumieć budynek spełniający wymogi związane z oszczędnością energii i izolacyjnością zawarte w przepisach techniczno-użytkowych, o których mowa w art. 7 ust. 1 pkt 1 ustawy – Prawo budowlane [9], tj. w szczególności działu X oraz załącznika do Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 5 lipca 2013 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowania [1], obowiązujące od 1 stycznia 2021 r. (w przypadku budynków zajmowanych przez władze publiczne oraz będących ich własnością – od 1 stycznia 2019 r.).

Należy podkreślić także, że w praktyce projektowej i wykonawczej budynków niskoenergetycznych wprowadzono przez NFOŚiGW [3] dla mostków cieplnych budynków w standardzie NF40 oraz NF15 wartości graniczne liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψmax. [W/(m·K)]. Niezbędne staje się więc opracowanie wytycznych projektowych w zakresie kształtowania układów materiałowych przegród zewnętrznych i złączy budynków w aspekcie wymagań cieplno-wilgotnościowych.

Na podstawie przeprowadzonych badań własnych opracowano algorytmy obliczeniowe w formie metod inżynierskich, prezentowane w pracy "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy" [7] oraz algorytm postępowania w zakresie kształtowania układów materiałowych złączy budowlanych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym – RYS. 14.

W ramach pracy obliczono parametry fizykalne (cieplno-wilgotnościowe) połączenia ściany zewnętrznej z oknem w przekroju przez ościeżnicę w kilku wariantach obliczeniowych (TAB. 5):

• rozwiązanie I (brak węgarka w postaci izolacji cieplnej),
• rozwiązanie II (zastosowanie węgarka - ocieplenie przedłużone na ościeżnicę),
• rozwiązanie III (ościeżnica przesunięta w kierunku ocieplenia). W ramach przykładu obliczeniowego przedstawiono wyniki przykładowych obliczeń numerycznych przy zastosowaniu programu komputerowego.

W ramach przykładu obliczeniowego przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych przy zastosowaniu programu komputerowego.

Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

• modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami prezentowanymi w normie PN-EN ISO 10211:2008 [10],
• opory przejmowania ciepła (R_si, R_se) przyjęto zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:2008 [5] przy obliczeniach strumieni cieplnych oraz według normy PN-EN ISO 13788:2003 [11] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego f_Rsi,
• temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C (pokój dzienny), temperatura powietrza zewnętrznego t_e = –20°C (III strefa),
• wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów budowlanych l [W/(m·K)] przyjęto na podstawie udokumentowanych danych producentów oraz pracy "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy" [7].

W analizowanych przypadkach złączy budowlanych zastosowano stolarkę okienną o zmiennej wartości współczynnika przenikania ciepła Uw [W/(m2·K)] oraz ścianę zewnętrzną dwuwarstwową ze zróżnicowaną warstwą konstrukcyjną (bloczek z betonu komórkowego lub cegła pełna) i warstwą izolacji cieplnej (płyty styropianowe lub płyty z pianki poliuretanowej PIR) o zmiennej grubości.

W TAB. 6, TAB. 7 i TAB. 8 zestawiono wyniki obliczeń parametrów fizykalnych złączy budowlanych przeprowadzonych przy zastosowaniu programu komputerowego.

Usytuowanie ościeżnicy okiennej na styku warstwy konstrukcyjnej i izolacji cieplnej pozwala na otrzymanie najmniejszych strat ciepła.

Należy zauważyć, że przedłużenie ocieplenia na ościeżnicę powoduje, że temperatura na wewnętrznej powierzchni przegrody (w miejscu połączenia ściany zewnętrznej z ościeżnicą) jest wyższa niż w przypadku braku izolacji na ościeżnicy.

W odniesieniu do tego typu złączy bardzo zasadne staje się określenie gałęziowych współczynników przenikania ciepła, osobno dla części ściany zewnętrznej Ψ_śc. [W/(m·K)] i dla części okna Ψ_O [W/(m·K)], ponieważ pozwala to na określenie dodatkowych strat ciepła dla ściany zewnętrznej i okna.

W pracy "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy" [7] przedstawiono szczegółowe procedury określania gałęziowego współczynnika przenikania ciepła dla wielu złączy budowlanych.

Wykonanie szczegółowych obliczeń, przy zastosowaniu programu komputerowego, pozwala na uzyskanie miarodajnych wyników parametrów cieplno-wilgotnościowych. Ich wartości zależą od zastosowanego materiału budowlanego (konstrukcyjnego), rodzaju i grubości izolacji cieplnej oraz ukształtowania struktury materiałowej analizowanego złącza.

Posługiwanie się wartościami przybliżonymi i orientacyjnymi, np. w oparciu o normę PN-EN ISO 14683:2008 [12], staje się nieuzasadnione, ponieważ nie uwzględniają one zmiany układów materiałowych oraz rodzaju i grubości izolacji cieplnej.

W TAB. 9 zestawiono wyniki liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_i [W/(m·K)] według normy PN-EN ISO 14683:2008 [12] oraz obliczeń własnych.

Analizowane złącza spełniają tylko wymagania standardu budynku energooszczędnego NF40 stawiane przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej [3], które dotyczą maksymalnej wartości współczynnika Ψ_max. [W/(m·K)] w celu zmniejszenia strat ciepła. Jednak przy ocenie strat ciepła należy przeanalizować także inne parametry Φ (wielość strumienia cieplnego przepływającego przez złącze) [W] lub L2D (współczynnik sprzężenia cieplnego) [W/(m·K)], odzwierciedlające straty ciepła przez złącze.

Szczególne znaczenie ma poprawne zaprojektowanie złączy przegród zewnętrznych w zakresie zminimalizowania strat ciepła oraz wyeliminowania ryzyka kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody. Na podstawie wartości czynnika temperaturowego f_Rsi można stwierdzić, że w analizowanych złączach nie występuje ryzyko rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych. We wszystkich analizowanych złączach zachowany jest warunek uniknięcia kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody (ryzyka rozwoju pleśni) f_Rsi ≥ f_Rsi(kryt.)).

Wartość graniczna (krytyczna) czynnika temperaturowego, z uwzględnieniem parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, analizowanych wariantów obliczeniowych wynosi f_Rsi(kryt) = 0,785.

W celu poprawnego ukształtowania struktury materiałowej złączy budowlanych przegród zewnętrznych należy każdorazowo uwzględniać zmienne parametry powietrza zewnętrznego i wewnętrznego odpowiadające rzeczywistemu usytuowaniu i użytkowaniu budynku. Istnieje więc potrzeba prowadzenia dalszych badań i obliczeń zarówno dla złączy dwuwymiarowych, jak trójwymiarowych (przestrzennych).

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowania (DzU z 2013 r., poz. 926).
2. 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).
3. Wymagania określające podstawowe wymogi niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkalnych oraz sposób weryfikacji projektów i sprawdzania wykonywanych domów energooszczędnych, www.nfosigw.gov.pl.
4. M. Gaczek, J. Jasiczak, M. Kuliński, M. Siewczyńska, "Izolacyjność termiczna i nośność murowanych ścian zewnętrznych. Rozwiązania i przykłady obliczeń", Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2011.
5. PN-EN ISO 6946:2008, "Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania".
6. A. Dylla, "Fizyka cieplna budowli w praktyce. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe", PWN, Warszawa 2015.
7. K. Pawłowski, "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy", GW Medium, Warszawa 2016.
8. Uchwała Rady Ministrów z dnia 22 czerwca 2015 r. w sprawie przyjęcia „Krajowego planu mającego na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii".
9. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (DzU z 2013 r. poz. 1409, z późn. zm.).
10. PN-EN ISO 10211:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe".
11. 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".
12. PN-EN ISO 14683:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!