Izolacyjność cieplna ściany zewnętrznej z elewacją wentylowaną

W projektach budynków coraz powszechniejszym rozwiązaniem stają się systemy ścienne z elewacją wentylowaną. Posiadają one wiele zalet, m.in. chronią przed kondensacją pary wodnej. Umożliwiają także stosowanie różnorodnych rozwiązań materiałowych na warstwę osłonową (np. paneli fotowoltaicznych) czy warstwę izolacji cieplnej (np. o zmiennych właściwościach fazowych).

System zapewnia warunki do nieprzegrzewania się konstrukcji w okresie intensywnego nasłonecznienia elewacji. Stwarzane są warunki pozwalające na stosowanie zmiennej intensywności przepływu powietrza w zależności od potrzeb.

W konstrukcjach tych stosowane muszą być elementy osłaniające warstwę izolacji cieplnej i pustki wentylowanej od bezpośredniego oddziaływania środowiska zewnętrznego, wykonane ze stali, kamienia naturalnego, kruszywa kamiennego spojonego żywicą, szkła i innych materiałów. W zależności od zastosowanego rozwiązania materiałowego rozróżnia się system fasady wentylowanej, osłanianej metodą lekką-suchą lub ciężką-suchą.

Elementy osłaniające mocowane są na konstrukcji szkieletowej, która utrzymywana jest za pomocą kotew, konsol i itp. komponentów, mocowanych w warstwie konstrukcyjnej. Elementy kotwiące przebijają warstwę izolacji cieplnej, z reguły wykonaną z wełny mineralnej, co wywołuje w takim miejscu efekt punktowego mostka cieplnego. Konsole w systemach lekkich-suchych wykonane są z reguły z aluminium, materiału charakteryzujące się bardzo dobrą przewodnością cieplną, co intensyfikuje przewodzenie ciepła i wzmacnia efekt mostka punktowego.

Wpływ mostków cieplnych punktowych należy uwzględniać przy obliczaniu wartości współczynnika przenikania ciepła i sprawdzaniu spełniania podstawowych wymagań cieplnych stawianych przegrodom zewnętrznym budynków. W obliczu zaostrzanych sukcesywnie wymagań w zakresie izolacyjności cieplnej znaczącym problemem staje się znajdowanie rozwiązań konstrukcyjnych elewacji wentylowanych, które spełniłyby te wymagania.

W opracowaniu "Zjawiska cieplno-wilgotnościowe uwzględniane w projektowaniu przegród budowlanych" [1] zwrócono uwagę na znaczący wpływ punktowych mostków cieplnych, tworzących się na skutek przebicia stalowymi łącznikami izolacji termicznej systemów ociepleniowych ETICS na skorygowaną wartość współczynnika przenikania ciepła U_C.

W zależności od metodologii obliczeniowej, przy założeniu zastosowania kilku stalowych łączników na 1 m2 ocieplenia, wartość współczynnika U_C wzrasta od kilku do kilkudziesięciu procent w stosunku do wartości współczynnika U. Jeszcze bardziej niekorzystnej sytuacji można się spodziewać, kiedy warstwa izolacji cieplnej przebijana jest kotwami, do których zamocowana będzie konstrukcja osłonowa elewacji wentylowanej.

W literaturze technicznej można znaleźć opracowania opisujące przede wszystkim warunki, jakie powinny spełniać poszczególne komponenty i cały system oraz warunki techniczne wykonania elewacji [2, 3]. Brak jest natomiast szczegółowych wytycznych projektowych elewacji wentylowanych, w tym m.in. w zakresie spełniania wymagań w obszarze właściwości cieplno-wilgotnościowych.

Praktycznie nie jest możliwe uzyskanie informacji technicznych w zakresie wartości punktowych mostków cieplnych od łączników i kotew przebijających warstwę izolacji cieplnej. Wytyczne ETAG 0034 [2] podają jedynie, iż pod względem cieplnym opór cieplny (R) układu konstrukcyjnego oblicza się przy wykorzystaniu norm:

• PN-EN ISO 6946:2008, "Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania" [4];
• PN-EN ISO 10211:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Strumienie cieplne i powierzchniowe" [5].

Na potrzebę precyzyjnego uwzględniania wpływu mostków cieplnych na przepływ ciepła w systemach elewacji wentylowanej zwracają uwagę m.in. autorzy pracy "Analiza rozwiązań złożonych mostków termicznych pod względem udoskonalania ich parametrów cieplnych" [6].

Z kolei w innych badaniach wpływu różnych parametrów cieplnych i konstrukcyjnych poszczególnych komponentów systemu elewacji wentylowanej na wymianę ciepła stwierdzono (w analizowanych wariantach), iż mostki cieplne punktowe powodują wzrost wartości współczynnika przenikania ciepła ściany U nawet o ponad 30% [7].

Okazuje się, że współcześni projektanci niejednokrotnie nie dysponują wiarygodnymi danymi odnośnie do wartości współczynnika przenikania ciepła punktowych mostków cieplnych. Wyraźnie brakuje im narzędzia w postaci katalogu lub innych wytycznych czy zestawień wartości punktowego mostka cieplnego najczęściej spotykanych rozwiązań konstrukcyjnych systemów elewacji wentylowanej.

Wskazane byłoby stworzenie tego rodzaju narzędzi wspomagających proces projektowania, tak jak ma to miejsce w przypadku różnych opracowań pozwalających uwzględniać w obliczeniach liniowe mostki cieplne.

We wnioskach opracowania "Thermal bridging analysis on cladding systems for building facades" [8] stwierdza się, iż pomijanie efektu punktowego mostka cieplnego w lekkich systemach elewacji wentylowanej prowadzi do znaczącego niedoszacowania rzeczywistego przepływu i start ciepła z pomieszczeń ogrzewanych.

Mostki cieplne punktowe w systemach elewacyjnych tworzą niejednokrotnie bardzo złożone układy, skąd biorą się problemy z poprawnym ich uwzględnieniem w obliczeniach przepływu ciepła.

W analizowanych przykładach stwierdzono wielkość niedoszacowania przepływu ciepła przy nieuwzględnieniu efektu punktowych mostków cieplnych na poziomie 5–20%. Może to mieć bardzo duże znaczenie w sytuacji wdrażania w polskiej praktyce projektowej zasad wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku. Należy być świadomym tego, iż mostki cieplne mają coraz większy wpływ na wyznaczane wartości zapotrzebowania na moc grzewczą pomieszczeń i budynków oraz wskaźników zapotrzebowania na ciepło na potrzeby ogrzewania pomieszczeń budynków.

Zgodnie z aktualnymi wymaganiami technicznymi, ściany zewnętrzne pomieszczeń z temp. ≥  16°C muszą charakteryzować się skorygowaną wartością współczynnika przenikania ciepła (uwzględniającą m.in. wpływ łączników mechanicznych przebijających warstwę izolacji cieplnej na straty ciepła) U_C  ≤  0,23 W/(m2·K), natomiast w pomieszczeniach z temperaturą w przedziale 8°C  ≤  t_i  <  16°C należy spełnić kryterium U_C  ≤  0,45 W/(m2·K). Gdyby w pomieszczeniach założyć temp. ≤  8°C, współczynnik U_C musi osiągnąć wartość ≤  0,90 W/(m2·K) [9].

Przyjęta do analizy konstrukcja ściany zewnętrznej

W systemach elewacji wentylowanej szkielet nośny, nazywany również rusztem, mocowany jest do warstwy konstrukcyjnej ściany zewnętrznej. Zadaniem rusztu jest przenoszenie obciążeń elementów fasadowych na konstrukcję nośną. Ruszty wykonywane mogą być ze stali, aluminium lub połączeń stal–drewno, aluminium–drewno.

Ruszt mocowany jest z reguły do warstwy konstrukcyjnej za pomocą metalowych wsporników, aluminiowych w przypadku lżejszej elewacji i stalowych w przypadku ciężkiej elewacji. W celu ograniczenia efektu mostka cieplnego punktowego w miejscu mocowania wspornika, konsoli rusztu do konstrukcji nośnej ściany, zaleca się stosowanie w tym połączeniu podkładek termicznych, nazywanych również termostopami. Wykonane one mogą być z PVC, HPL lub innego tworzywa, z reguły o gr. 2-10 mm.

Metalowy szkielet nośny zastosowany na dużych powierzchniach ścian zewnętrznych powinien zapewniać możliwość regulacji w trzech osiach. Jest to szczególnie ważne w przypadku montażu na niezbyt równych powierzchniach.

System powinien również zapewniać możliwość przesuwu elementów, związaną z ich rozszerzalnością cieplną. Brak takiej możliwości może doprowadzić do wygięcia się profili, co z kolei może powodować uszkodzenia elewacji.

Do obliczeń przyjęto fasadę wentylowaną (RYS. 1-2) przy założeniu zmiennej grubości warstwy izolacji cieplnej od 10 cm do 25 cm wełny mineralnej, o wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ= 0,034 W/(m·K). Przyjęto stałą grubość warstwy konstrukcyjnej 20 cm, ale przy kilku wariantach wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiału tej warstwy - od λ = 0,5 W/(m·K) do λ = 2,0 W/(m·K).

Do obliczeń wykorzystano metodologię z normy PN EN ISO 6946:2008 [4] do wyznaczenia skorygowanej wartości współczynnika przenikania ciepła oraz zależność do wyznaczania współczynnika przenikania ciepła punktowego mostka cieplnego z opracowania "Methodology for Evaluating the Impact of Point Thermal Bridges on the High-Energy Performance of a Passive House" [7].

Założono dokonanie sprawdzenia, jakie są możliwości spełnienia wymagań warunków technicznych w zakresie izolacyjności cieplnej, które będą obowiązywały od dnia 01.01.2017 r. i 01.01.2021 r. (w przypadku niektórych budynków użyteczności publicznej już od 01.01.2019 r.). Dla porównania wykorzystano zależność na określenie wartości punktowego mostka cieplnego od konsoli systemów elewacyjnych.

Wełna mineralna montowana jest tradycyjnie do warstwy konstrukcyjnej za pomocą łączników mechanicznych o średnicy 5 mm, wykonanych ze stali węglowej z trzpieniem rozporowym z tworzywa sztucznego.

Płyty elewacyjne montowane są do warstwy konstrukcyjnej za pomocą konsoli aluminiowej gr. 3 mm, o zmiennej długości dostosowanej do grubości warstwy izolacji cieplnej i wysokości 40 mm. Konsole z kolei montowane są do warstwy konstrukcyjnej za pomocą odpowiednich kotew dostosowanych  do danego rodzaju materiału podłoża. W miejscu mocowania konsoli aluminiowej do podłoża przewidziano podkładkę izolacyjną o gr. 5 mm.

Zasady obliczeń izolacyjności cieplnej przegrody budowlanej

Izolacyjność cieplną ściany zewnętrznej, wyrażoną wartością skorygowaną współczynnika przenikania ciepła U_C, co wynika z warunków technicznych [9], określono według metodologię normy PN-EN ISO 6946:2008 [4].

W przypadku ścian zewnętrznych należy uwzględniać wpływ nieszczelności i wpływ łączników mechanicznych z trzpieniami metalowymi tworzącymi punktowe mostki cieplne oraz kotew, profili, czy innych elementów metalowych przebijających warstwę izolacji cieplnej, na wartość współczynnika przenikania ciepła ocieplanej przegrody budowlanej U.

U_C = U+ ∆U

gdzie:

U_C - skorygowana wartość współczynnika przenikania ciepła [W/(m2·K)],

U - współczynnik przenikania ciepła uwzględniający opory cieplne warstw przegrody, [W/(m2·K)].

∆U= ∆U_g + ∆U_f

gdzie:

∆U_g - poprawka z uwagi na pustki powietrzne w warstwie izolacji cieplnej [W/(m2·K)],

∆U_f - poprawka z uwagi na łączniki mechaniczne w warstwie izolacji cieplnej [W/(m2·K)].

W przypadku analizowanej przegrody budowlanej założono brak nieszczelności w warstwie izolacji cieplnej, w związku z czym nie uwzględniono poprawki ∆U_g, natomiast uwzględniono wpływ łączników mechanicznych w skorygowanej wartości współczynnika przenikania ciepła U_C.

Według normy PN-EN ISO 6946:2008 [4] nie należy stosować poprawki ∆U_f w przypadku łączników wykonanych z materiału o przewodności cieplnej mniejszej od 1 W/(m·K). Z czego wynika, iż nie trzeba jej wyznaczać w przypadku łączników z tworzywa sztucznego, ale bezwzględnie należy w przypadku łączników metalowych, dla których λ> 1 W/(m·K). Łączniki tego rodzaju stosowane muszą być w przypadku ocieplenia przegrody m.in. wełną mineralną.

Wartość poprawki ∆U_f określana jest według wzoru:

gdzie:

α = 0,8 jeżeli łącznik całkowicie przebija warstwę izolacji,

α = 0,8 d1/d0 w przypadku łącznika wpuszczonego w izolację, czyli przebijającego izolację na części grubości tej warstwy [-],

λ_f - przewodność cieplna materiału łącznika [W/(m·K)],

n_f - liczba łączników na 1 m2,

A_f - pole przekroju poprzecznego jednego łącznika [m2],

d₀ - grubość warstwy izolacji cieplnej z łącznikiem [m],

d₁ - długość łącznika przechodzącego przez izolację cieplną [m],

R₁ - opór cieplny warstwy izolacji cieplnej przebitej przez łącznik [(m2·K)/W],

R_T,h - całkowity opór cieplny komponentu z pominięciem mostków cieplnych [W/(m2·K)].

W obliczeniach przyjęto występowanie łączników mechanicznych o średnicy Φ 5 mm do mocowania płyt wełny mineralnej w ilości 4 szt. na 1 m2 przegrody i konsole aluminiowe o przekroju poprzecznym (3×40 mm) w ilości 2 szt. na 1 m2 przegrody i 3 szt. na 1 m2 przegrody.

Założono, że dla łączników mechanicznych ze stali, przebijających warstwę wełny mineralnej, wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ = 50 W/(m·K), a w przypadku konsoli aluminiowych dla aluminium λ = 160 W/(m·K). W obliczeniach założono warstwę tynku cementowo-wapiennego o gr. 1,5 cm na wykończenie ściany zewnętrznej od strony pomieszczenia.

Z opracowania "Methodology for Evaluating the Impact of Point Thermal Bridges on the High-Energy Performance of a Passive House" [7] zaczerpnięto do analizy zależność na wyznaczanie wartości współczynnika przenikania ciepła punktowego mostka cieplnego χ [W/K]:

χ = 0,041 + 0,014 ln(λ_kon) – 0,025 d_kon – 0,016 λ_izo + 0,022 d_izo

gdzie:

λ_kon - współczynnik przewodzenia ciepła materiału warstwy konstrukcyjnej [W/(m·K)],

d_kon - grubość warstwy konstrukcyjnej [m],

λ_izo - współczynnik przewodzenia ciepła materiału warstwy izolacji cieplnej [W/(m·K)],

d_izo - grubość warstwy izolacji cieplnej [m].

Ze względu na to, że tę zależność wyprowadzono z badań dla konsoli/łączników aluminiowych o przekroju 3×40 mm z podkładką termiczną, zastosowanie jej jest ograniczone. Na pewno innymi parametrami będą charakteryzowały się łączniki o większym przekroju czy wykonane przykładowo ze stali.

Z przeprowadzonej analizy wynika, iż wartości współczynnika przenikania ciepła punktowego mostka cieplnego χ od konsoli aluminiowej zależą m.in. od wartości przewodności cieplnej materiału warstwy konstrukcyjnej. Przy wykorzystaniu zależności z normy PN-EN ISO 6946:2008 [4] wartość współczynnika χ zależy w istotnej mierze od grubości czyli równocześnie izolacyjności cieplnej warstwy ociepleniowej, a uzyskane wartości są znacznie większe niż w oparciu o zależność z opracowania [7] (RYS. 3).

Potwierdzają się tym sposobem wnioski z innych opracowań dotyczących analizowanego zagadnienia o dużej niedokładności przy wyznaczaniu współczynnika χ łączników aluminiowych według metodologii normy PN-EN ISO 6946:2008 [4].

Potwierdzona została tym samym potrzeba wyznaczania parametrów punktowych mostków ciepła metodą dokładną, czyli przy wykorzystaniu np. metodologii normy PN-EN ISO 10211:2008 [5] oraz opracowania na tej podstawie praktycznych wytycznych, które można by wykorzystywać w działalności projektowej.

Obliczono również wartości skorygowane współczynnika przenikania ciepła UC dla analizowanej konstrukcji ściany z elewacją wentylowaną, przy uwzględnieniu mostków cieplnych punktowych od dwóch lub trzech konsoli aluminiowych i czterech łączników stalowych na 1m2 powierzchni przegrody (RYS. 4).

Z przedstawionych obliczeń (RYS. 4) wynika, iż bardzo trudno jest spełnić aktualne i planowane do uzyskania w najbliższych latach zaostrzone wymagania w zakresie izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych dla pomieszczeń z temperaturą obliczeniową ≥  16°C. Jedynie warstwy izolacji cieplnej o gr. 20-25 cm, i to przy minimalnej liczbie konsoli, są w stanie zapewnić izolacyjność na wymaganym poziomie.

Z zaprezentowanego materiału wynika, że należy intensywnie kontynuować poszukiwania w zakresie nowych rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych dla ścian z elewacjami wentylowanymi, aby zapewnić spełnienie wymagań technicznych.

Na pewno należałoby rozpatrzyć możliwość zastosowania materiałów na warstwę izolacji cieplnej o przewodności cieplnej ok. 0,030 W/(m·K) i mniejszej.

Oprócz konsoli aluminiowych do mocowania elewacji należy zalecać zastosowanie, jeżeli jest taka potrzeba, konsoli ze stali, w tym nierdzewnej, charakteryzującej się znacznie niższą przewodnością cieplną niż aluminium.

Również do montażu izolacji cieplnej zamiast łączników ze stali zwykłej należałoby wprowadzać na szerszą skalę łączniki ze stali nierdzewnej.

Należy też poszukiwać nowych rozwiązań podkładek i osłon w miejscu montażu konsoli do warstwy konstrukcyjnej.

Literatura

1. A. Ujma, "Zjawiska cieplno-wilgotnościowe uwzględniane w projektowaniu przegród budowlanych", "IZOLACJE", nr 5/2013, s. 14-19.
2. ETAG 034, "Zestawy do wykonywania okładzin ścian zewnętrznych".
3. K. Schabowicz, M. Szymków, "Elewacje wentylowane z płyt włókno-cementowych w ujęciu prawnym", "IZOLACJE", nr 9/2015, s. 60-64.
4. PN-EN ISO 6946:2008, "Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania".
5. PN-EN ISO 10211:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Strumienie cieplne i powierzchniowe".
6. S. Kulczewska, W. Jezierski, "Analiza rozwiązań złożonych mostków termicznych pod względem udoskonalania ich parametrów cieplnych", "Budownictwo i Architektura", nr 15(3)/2016, s. 99-106.
7. J. Šadauskienė, J. Ramanauskas i in., "Methodology for Evaluating the Impact of Point Thermal Bridges on the High-Energy Performance of a Passive House", "Sustainability", nr 7/2015, s. 16687-16702.
8. G. Theodoros, G. Aikaterini i in., "Thermal bridging analysis on cladding systems for building facades", "Energy and Buildings", nr 109/2015, s. 377-384.
9. Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!