Fasada wentylowana jako nowoczesna elewacja budynków niskoenergetycznych

Krajowy plan wsparcia [1] zawiera rekomendowaną do stosowania w praktyce krajową definicję, zgodnie z którą "budynek o niskim zużyciu energii" to taki budynek, który spełnia 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 [2], tj. w szczególności dział X oraz załącznik 2 do rozporządzenia [3], obowiązujące od 1 stycznia 2021 r. (w przypadku budynków zajmowanych przez władze publiczne oraz będących ich własnością - od 1 stycznia 2019 r.).

13 sierpnia 2013 r. opublikowano w Dzienniku Ustaw 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 [3].

W tym akcie prawnym określono m.in. niższe wartości maksymalne współczynnika przenikania ciepła U_C(max) [W/(m²·K)] dotyczące przegród zewnętrznych budynków oraz niższe wartości graniczne wskaźnika rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP_(max) [kWh/(m²·rok)], zmieniające się w okresie 2014-2016, 2017-2020 i po 2021 r.

Według przepisów prawnych od 1 stycznia 2017 r. obowiązują m.in. nowe (niższe) wartości graniczne U_C(max) [W/(m²·K)] dla pojedynczych przegród. Zasadniczą zmianą rozporządzenia w zakresie ochrony cieplnej budynków [3] jest obniżenie wartości maksymalnych współczynnika przenikania ciepła U_C(max). Zaostrzeniu uległy wymagania cząstkowe w zakresie izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych, dachów, podłóg oraz okien i drzwi. Ponadto nie ma już znaczenia typ przegrody (wielo- czy jednowarstwowa) oraz przeznaczenie obiektu (mieszkalny, użyteczności publicznej, magazynowy, gospodarczy itp.).

Wartości maksymalne współczynnika przenikania ciepła ścian zestawiono w TAB. 1. W związku z tym istnieje potrzeba przeprowadzenia analiz i ocen proponowanych rozwiązań materiałowych przegród zewnętrznych z uwzględnieniem fasad wentylowanych.

Analiza rozwiązań materiałowych fasad wentylowanych

Współczesne konstrukcje ścian zewnętrznych, w tym fasady wentylowane, mają wewnątrz szczeliny powietrzne, które odprowadzają nadmierną wilgoć poza przegrodę.

Fasady wentylowane mogą być wykonane w dwóch technologiach:

• technologia lekka-sucha (montaż elewacji z sidingu, płyt włókno-cementowych, płyt cementowych, laminatów, elementów drewnianych, blachy aluminiowej itp.) - RYS. 1-3,
• technologia ciężka-sucha (ciężkie płyty kamienne lub płyty z kruszywa kamiennego spojonego żywicą) - RYS. 4-6.

Obie technologie mogą spełniać kryterium rozwiązania energooszczędnego, zarówno przy realizacji nowych budynków, jak i przy termorenowacji budynków już istniejących. Stosowanie tych technologii nie ma praktycznie ograniczeń temperaturowych dotyczących procesu technologicznego, ponieważ na budowie nie wykonuje się prac mokrych.

Do podłoży pełnych typu A, B (cegła, beton itp.) zaleca się stosowanie łączników z trzpieniem wbijanym lub wkręcanym.

Do podłoży otworowych/poryzowanych typu C, D, E (np. cegła dziurawka, gazobeton itp.) zaleca się stosowanie łączników z trzpieniem wkręcanym.

Jako łączników używa się tworzywowych kołków mechanicznych z trzpieniem stalowym z obtryskiem poliamidem z włóknem szklanym i kołnierzem z tworzywa sztucznego o średnicy min. Ø6 cm. Długość łącznika powinna być sumą grubości płyty izolacyjnej, głębokości zakotwienia i uwzględniać ewentualne nierówności powierzchni podłoża.

Welon szklany, pełniący rolę wiatroizolacji, układa się od strony zewnętrznej, w celu eliminowania penetracji izolacji przez wiatr oraz minimalizacji ewentualnego przenikania wilgoci atmosferycznej do termoizolacji. Płyty można układać w 1 lub 2 warstwach.

Ułożenie płyt w 2 warstwach minimalizuje wpływ mostków termicznych, jednak w obydwu przypadkach należy:

• układać płyty ściśle przy sobie tak, aby na styku płyt nie powstały liniowe mostki termiczne;
• druga warstwa płyt powinna być przesunięta o połowę długości i ewentualnie obrócona o 90° tak, aby na łączeniach płyt warstwy pierwszej znajdowały się pełne płyty warstwy drugiej.

Należy unikać zbyt mocnego dociskania wełny kołkami, w efekcie którego może nastąpić tzw. efekt poduszkowania - odginania rogów płyty i tworzenia się mostków termicznych. Na narożach budynku płyty z wełny ułożone z przesunięciem powinny zachodzić na siebie [4].

W procesie projektowania cieplnego fasad wentylowanych istotne znaczenie ma dobór odpowiedniego materiału termoizolacyjnego o określonej grubości i spełnienie podstawowego kryterium: UC ≤ U_C(max).

Materiały do warstwy izolacji cieplnej, zalecane do tego typu przegród, powinny charakteryzować się niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] i dużą porowatością. Inne parametry techniczne są zależne od ich pochodzenia.

Do grupy materiałów warstwy izolacji cieplnej można zaliczyć takie materiały, jak:

• wełna mineralna - materiał nieorganiczny, włóknisty, produkowany z mieszaniny surowców naturalnych (bazalty, margle) i odpadowych (żużel wielkopiecowy);
• płyty z poliuretanu (PUR) i płyty z poliizocyjanuratu (PIR) - twarde płyty piankowe, które są odporne termicznie i niepalne, o niższych wartościach współczynnika przewodzenia ciepła niż np. wełna mineralna i styropian;
• płyty celulozowe - włókna celulozowe są produktem przyjaznym naturze, ponieważ powstają z surowców wtórnych, a konkretnie z makulatury; powstające w efekcie mielenia papierowych resztek, impregnowane są preparatami solnymi (dzięki temu zyskują wysoką odporność na mikroorganizmy, owady, a także na ogień, włóknoceluloza to materiał trudnozapalny); włóknoceluloza potrafi również pochłaniać dźwięki i zwiększa komfort akustyczny w izolowanych nią budynkach;
• płyty fenolowe i płyty rezolowe - płyty izolacyjne o zamkniętej strukturze komórkowej z rdzeniem uzyskiwanym z żywicy fenolowo-formaldehydowej; płyty pokryte są po obu stronach welonem szklanym spojonym z rdzeniem w procesie produkcji; charakteryzują się m.in. niską absorpcją wilgoci, dużą wytrzymałością mechaniczną.

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

• współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)],
• gęstość objętościowa,
• izolacyjność akustyczna,
• przepuszczalność pary wodnej,
• współczynnik oporu dyfuzyjnego μ [-],
• wrażliwość na czynniki biologiczne i chemiczne.

Metody obliczeniowe strat ciepła przez fasady wentylowane

Straty ciepła przez pojedyncze elementy budynku, przy przyjęciu pewnych uproszczeń, można określić za pomocą współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] (RYS. 7).

Współczynnik przenikania ciepła U [W/(m²·K)] określa stratę ciepła odniesioną do jednostkowej różnicy temperatury wewnętrznej i zewnętrznej oraz jednostkowej powierzchni elementu budowlanego:

gdzie:

R_T - całkowity opór cieplny przegrody złożonej z płaskich warstw jednorodnych [(m²·K)/W], obliczony ze wzoru:

gdzie:

R_si - opór przejmowania ciepła na powierzchni wewnętrznej [(m²·K)/W],
R_n - obliczeniowe opory cieplne każdej warstwy [(m²·K)/W],

d - grubość warstwy [m],
λ - obliczeniowy współczynnik przewodzenia ciepła materiału [W/(m·K)] przyjmuje się na podstawie PN-EN 12524:2003 [5], tablice z literatury, dane producenta,
R_se - opór przejmowania ciepła na powierzchni zewnętrznej [(m²·K)/W].

Zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:2008 [6] ze względów obliczeniowych szczeliny dzieli się na trzy grupy:

• szczeliny z niewentylowaną warstwą powietrza, niepołączone lub połączone z powietrzem atmosferycznym otworami o polu powierzchni nieprzekraczającym 500 mm² na 1 m szczeliny pionowej i na 1 m² powierzchni szczeliny poziomej,
• szczeliny ze słabo wentylowaną warstwą powietrza, połączone z powietrzem atmosferycznym otworami o polu powierzchni > 500 mm² i nieprzekraczającym 1500 mm² na 1 m szczeliny pionowej i na 1 m² powierzchni szczeliny poziomej,
• szczeliny z dobrze wentylowaną warstwą powietrza, połączone z powietrzem atmosferycznym otworami o polu powierzchni > 1500 mm² na 1 m szczeliny pionowej i na 1 m² powierzchni szczeliny poziomej.

Pole powierzchni otworów dotyczy zarówno otworów wlotowych, jak i wylotowych.

Do obliczonej wartości współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] w przypadku fasad wentylowanych należy dodać wartości poprawek korygujących wpływ:

• nieszczelności w warstwie izolacji,
• łączników mechanicznych przechodzących przez warstwę izolacyjną,
• opadów na dach o odwróconym układzie warstw.

Skorygowany współczynnik przenikania ciepła U_C [W/(m²·K)] uzyskuje się, wprowadzając trzon korekcyjny ΔU:

Człon korekcyjny ΔU [W/(m²·K)] wyraża następującym wzorem:

gdzie:

ΔU_g - poprawka na nieszczelności,
ΔU_f - poprawka na łączniki mechaniczne.

Istotne znaczenie przy określaniu strat ciepła przez płaską ścianę zewnętrzną z fasadą wentylowaną ma uwzględnienie wpływu łączników mechanicznych.

Poprawka na łączniki mechaniczne ΔU_f [W/(m²·K)] ma zastosowanie, gdy warstwę termoizolacji przebijają metalowe łączniki mechanicznej. Wyznacza się ją w sposób uproszczony na podstawie zależności:

 [W/(m²·K)]

gdzie:

α = 0,8·d1/d0
λ_f - współczynnik przewodności cieplnej łącznika mechanicznego; np. dla stali λ_f = 50 W/(m×K), dla stali nierdzewnej λ_f = 17 W/(m×K),
n_f - liczba łączników na 1 m²,
A_f - pole przekroju poprzecznego jednego łącznika [m²],
d₀, d₁ - grubość odpowiednio: termoizolacji oraz części metalowej łącznika zanurzonej w warstwie termoizolacyjnej [m],
R₁, R_T,h - opór cieplny odpowiedni: termoizolacji oraz całej przegrody (z pominięciem mostków cieplnych) [(m²·K)/W].

Poprawki ΔU_f nie uwzględnia się (nie stosuje się) w następujących sytuacjach:

• łącznik przechodzi przez pustą szczelinę,
• końce łącznika stykają się obustronnie z metalem,
• współczynnik przewodności cieplnej łącznika jest mniejszy od 1 W/(m·K).

Istnieje także możliwość uwzględnienia łączników mechanicznych, określając wartość punktowego współczynnika przenikania ciepła χ [W/K] przy zastosowaniu programu komputerowego.

Podsumowanie

Istotny wpływ na wartość współczynnika przenikania ciepła ściany zewnętrznej U [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.

Obliczenia i analizy w tym zakresie przedstawiono w pracach:

• "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy" [7]
• "Zasady projektowania budynków energooszczędnych" [8].

Istnieje potrzeba opracowania kart katalogowych dotyczących łączników mechanicznych z określeniem dodatkowych straty ciepła w postaci punktowego współczynnika przenikania ciepła χ [W/K] oraz rozkładu temperatur z określeniem temperatur minimalnych oraz czynnika temperaturowego f_Rsi [-].

Należy także podkreślić, że przy kształtowaniu układu warstw materiałowych przegród zewnętrznych i ich złączy trzeba uwzględniać kryteria w zakresie:

• izolacyjności cieplnej,
• kondensacji powierzchniowej i międzywarstwowej,
• izolacyjności akustycznej,
• ochrony przeciwpożarowej
• oraz nośności i trwałości konstrukcji.

Niektóre układy warstw materiałowych spełniają wymagania w zakresie izolacyjności cieplnej (U_C ≤ U_C(max)), należy jednak przeprowadzić jeszcze analizy w zakresie wymagań wilgotnościowych, akustycznych lub przeciwpożarowych.

W procesie projektowym i wykonawczym istotne jest także opracowanie kart katalogowych złączy budowlanych z poprawnymi rozwiązaniami konstrukcyjno-materiałowymi fasad wentylowanych.

Literatura

1. Uchwała Rady Ministrów z dnia 22 czerwca 2015 r. w sprawie przyjęcia "Krajowego planu mającego na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii".
2. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. - Prawo budowlane (DzU z 2013 r. poz. 1409, z późn.zm.).
3. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowania (DzU z 2013 r., poz. 926). (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. DzU z 2015 r., poz. 1422).
4. http://www.knaufinsulation.pl/doradztwo/izolacja-scian­‑zewnetrznych/fasady-wnetylowane).
5. PN-EN 12524:2003, "Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe".
6. PN-EN ISO 6946:2008, "Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania".
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. K. Pawłowski, "Zasady projektowania budynków energooszczędnych", GW Medium, Warszawa 2017.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!