Innowacyjne rozwiązania materiałów termoizolacyjnych w aspekcie modernizacji budynków w Polsce

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. W związku z tym istnieje potrzeba zastosowania nowoczesnych i innowacyjnych rozwiązań materiałowych przegród zewnętrznych i złączy budynków niskoenergetycznych w zakresie:

• zastosowania innowacyjnych/efektywnych/materiałów termoizolacyjnych o niskiej wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] – mniejsze grubości oraz odpowiednia wartość oporu dyfuzyjnego μ [-] - eliminacja ryzyka kondesacji międzywarstwowej;
• poprawnego ukształtowania układów materiałowych przegród zewnętrznych i ich złączy; minimalizacja dodatkowych strat ciepła oraz ryzyka występowania kondensacji międzywarstwowej i na wewnętrznej powierzchni przegrody przy zastosowaniu procedur, tzw. szkoły projektowania złączy budowlanych.

Projektowanie to opiera się na szczegółowych obliczeniach i analizach w aspekcie cieplno-wilgotnościowym i wytypowaniu poprawnych rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych przegród ­zewnętrznych i ich złączy.

Przegląd innowacyjnych materiałów termoizolacyjnych

Podstawową funkcją materiałów termoizolacyjnych jest zapewnienie odpowiednich parametrów fizykalnych przegród zewnętrznych i złączy budowlanych. Przed wyborem odpowiedniego materiału do izolacji cieplnej, w aspekcie modernizacji budynków istniejących, należy zwrócić uwagę na następujące właściwości:

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

Do ocieplania ścian zewnętrznych (od zewnątrz) stosowane są najczęściej następujące materiały termoizolacyjne:

• styropian (EPS),
• styropian szary (grafitowy),
• płyty z piany fenolowej
• i wełna mineralna [2].

Płyty styropianowe EPS powstają w wyniku spienienia (ekspandowania) granulek polistyrenu metodą dwuetapową: produkcja w dużych blokach, z których (po odpowiednim okresie sezonowania) wycina się płyty o odpowiednim wymiarze.

Często stosuje się także metodę polegająca na produkcji pojedynczych płyt w oddzielnych formach za pomocą wtrysku (powierzchnia płyt płaska lub profilowana).

Istnieją także płyty styropianowe modyfikowane grafitem nazywane "szarym styropianem". Charakteryzują się one lepszą izolacyjnością cieplną. Płyty izolacyjne ze styropianu grafitowego (szarego) mogą być stosowane do ocieplania całej elewacji lub wybranych elementów (loggi i balkonów).

W asortymencie producentów płyt styropianowych można także spotkać wyroby złożone z różnych warstw styropianu (zewnętrznej wykonanej ze styropianu białego i wewnętrznej ze styropianu grafitowego).

Ponadto produkowane są płyty styropianowe perforowane w celu zwiększenia przepuszczalności pary wodnej.

Krawędzie płyt styropianowych mogą być: proste, do łączenia na zakład, do łączenia na pióro-wpust.

Na FOT. 1-3 przedstawiono przykładowe płyty styropianowe.

Przy doborze płyt styropianowych EPS w systemie dociepleń BSO należy uwzględnić szczególnie następujące cechy:

• gęstość objętościowa ρ_ob. [kg/m³],
• współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)]
• oraz wytrzymałość na ściskanie [kPa].

Płyty z polistyrenu ekstrudowanego XPS są rodzajem płyt z ekstrudowanej pianki polistyrenowej. Produkowane są w ciągłym procesie wyciskania i swobodnego rozprężania pianki. Ostatecznie otrzymuje się materiał izolacyjny o jednorodnej budowie (bez widocznych granulek polistyrenu), charakteryzujący się małą nasiąkliwością wody i dobrymi właściwościami mechanicznymi. Stosowany nie tylko do ocieplania ścian zewnętrznych, lecz także miejsc szczególnych, jak cokoły i podziemia ścian budynku (FOT. 4-5).

Płyty z wełny mineralnej (skalnej) produkowane są z włókien otrzymywanych w procesie rozwłóknienia stopionych surowców skalnych. Włókna łączy się lepiszczem (np. żywicą fenolowo-formaldehydową z dodatkiem oleju), prasuje, formuje i przycina do wymaganych wymiarów.

Płyty fasadowe z wełny mineralnej najczęściej produkowane są w dwóch odmianach:

• o zaburzonym (splątanym) układzie włókien
• i o uporządkowanym (prostopadłym do powierzchni płyty) układzie włókien (tzw. płyty lamelowe).

Często stosuje się płyty o niejednorodnej strukturze materiałowej - tzw. płyty warstwowe (warstwy o różnej gęstości) - FOT. 6-7.

Inne materiały termoizolacyjne to (FOT. 8-10):

• płyty z pianki poliuretanowej PIR lub PUR,
• płyty z pianki fenolowej (rezolowej),
• maty aerożelowe, porogel,
• płytowe elementy próżniowe (VIP).

Płyty z poliuretanu (PUR) i poliizocyjanuratu (PIR) to twarde płyty piankowe, które są odporne termicznie i niepalne. Mają niższe wartości współczynnika przewodzenia ciepła niż np. wełna mineralna i styropian. Występują w postaci pianki o porach otwartych (spieniona na budowie) i o porowatości zamkniętej (płyty z osłoną lub bez osłony).

Sztywne płyty stosowane są jako izolacja ścian, dachów drewnianych (system podkrokwiowy i nadkrokwiowy, stropodachów i cokołów budynków o współczynniku λ_D = 0,020-0,023W/(m·K).

Płyty fenolowe (rezolowe) to sztywne 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 i dużą wytrzymałością mechaniczną. Wartości ich współczynnika λ_D to 0,021-0,024 W/(m·K).

Włókna szklane (włókna chemiczne) otrzymywane są ze szkła wodnego i czasami też ze stopionego szkła.

Do podstawowego asortymentu należą:

• włókna szklane grube (tzw. wełna szklana lub wata szklana) - włókna nieciągłe o średnicy 5-30 μm; stosowane głównie jako izolacja cieplna, akustyczna;
• włókna szklane ciągłe, o średnicy 3-13 μm, stosowane w postaci przędzy, wyrobów tkanych i dzianych oraz rowingu (zespół pasm włókien szklanych złączonych ze sobą bez skrętu) jako materiał izolacyjny w elektrotechnice, do wyrobu filców, tkanin dekoracyjnych, do wzmacniania tworzyw sztucznych, do zbrojenia betonu;
• włókna szklane jako mata, w rolkach, średnio o szerokości 100 cm i wadze do 50 kg, używane do produkcji różnych wyrobów w formach silikonowych i formach twardych z użyciem żywicy poliestrowej;
• włókna supercienkie o średnicy 1-3 μm, stosowane do wyrobu dobrych izolacji akustycznych i cieplnych;
• fiberglass [(ang.) glass reinforced plastic (GRP)], kompozyt zawierający włókna szklane, stosowany w produkcji łodzi, samochodów, zbiorników wodnych, rur i dachów;
• włókna światłowodowe, potocznie nazywane światłowodami, nici szklane (najczęściej o średnicy 125 μm), wykorzystywane do prowadzenia światła.

Wełna szklana powstaje w podobny sposób jak wełna skalna, z tym że robi się ją z piasku kwarcowego i stłuczki szklanej pochodzącej z recyklingu. Wytwarza się z niej płyty i maty.

W płytach i matach układ włókien jest ukierunkowany bardziej równolegle do ich powierzchni, a to wymaga użycia do produkcji większej ilości substancji zlepiającej, ale poprawia wiele innych parametrów, np. współczynnik przewodzenia ciepła. Dla przykładu współczynnik λ na poziomie 0,039 W/(m·K) ma wełna szklana o gęstości 13 kg/m3 i wełna skalna o gęstości 35 kg/m³.

Zależnie od gęstości maty czy płyty mogą mieć współczynnik przewodzenia ciepła λ równy 0,039 W/(m·K), a nawet 0,044 W/(m·K). Luźna struktura wełny mineralnej sprawia, że ma ona niski opór dyfuzyjny (μ=1), czyli jest paroprzepuszczalna.

Przez przegrody ocieplone wełną para wodna bez trudu przedostanie się na zewnątrz. Do tej pory uważano, że wełna jest wrażliwa na wilgoć. Obecnie produkowane wyroby są hydrofobowe.

Wełna szklana jest lżejsza i mniej pyli niż skalna. Dzięki większej elastyczności włókien lepiej dostosowuje się do nierówności podłoża. Wełna skalna jest sztywniejsza i ma mniejsze tendencje do rozwarstwiania się.

W przypadku ścian warstwowych, aby uzyskać odpowiednią izolacyjność cieplną w postaci współczynnika przenikania ciepła U [W/(m2·K)], należy dobrać odpowiednią grubość izolacji cieplnej.

Do podstawowych metod ocieplenia ścian zewnętrznych dwuwarstwowych można zaliczyć:

• metodę ciężką mokrą,
• metodę lekką mokrą,
• metodę lekką suchą.

Metoda ciężka mokra polega na oklejeniu całych powierzchni ścian styropianem, zawieszeniu na stalowych bolcach siatek konstrukcyjnych z prętów stalowych i wykonaniu wyprawy zewnętrznej z trójwarstwowego tynku cementowo-wapiennego na siatce stalowej podtynkowej.

Metoda lekka mokra polega na wykonaniu ocieplenia najczęściej ze styropianu, a następnie pokryciu go powłoką zewnętrzną, w skład której z reguły wchodzi warstwa zbrojona tkaniną szklaną oraz cienkowarstwowa wyprawa tynkarska lub okładzina ceramiczna. Systemy oparte na tej technologii można podzielić na kilka podstawowych typów, opisanych szczegółowo w pracy "Izolacyjność termiczna i nośność murowanych ścian zewnętrznych. Rozwiązania i przykłady obliczeń" [3].

Metoda lekka sucha opiera się na wykonywaniu robót budowlanych bez prac mokrych. Wykonywanie ocieplenia polega na przymocowaniu do ścian budynku rusztu drewnianego lub metalowego, ułożeniu między elementami rusztu materiału termoizolacyjnego i zamocowaniu gotowych elementów elewacyjnych.

Technologia bezspoinowego systemu ocieplenia (BSO) ścian zewnętrznych budynku polega na przymocowaniu do ściany systemu warstwowego składającego się z materiału termoizolacyjnego oraz warstwy zbrojonej i wyprawy tynkarskiej. System mocowany jest do ściany za pomocą zaprawy klejącej i dodatkowo łącznikami mechanicznymi. Zasadniczą funkcję w tym systemie pełni materiał termoizolacyjny, który powinien charakteryzować się następującymi cechami [3]:

• niską wartością współczynnika przewodzenia ciepła λ ≤ 0,04 W/(m·K),
• niską wilgotnością i nasiąkliwością zarówno w trakcie wbudowania, jak i użytkowania,
• odpowiednią wytrzymałością mechaniczną,
• odpornością na działanie ognia: niepalnością, trudnozapalnością - odpowiednią klasą reakcji na ogień,
• odpornością na wpływy biologiczne,
• odpornością na działanie materiałów, z którymi będzie się stykać po wbudowaniu,
• brakiem trwałego zapachu i brakiem szkodliwego oddziaływania na ludzi i zwierzęta,
• znaczną trwałością w zmiennych warunkach eksploatacyjnych,
• małym obciążeniem środowiska naturalnego podczas produkcji i utylizacji materiałów rozbiórkowych.

W BSO ścian zewnętrznych jako izolację termiczną stosuje się:

• fasadowe płyty styropianowe,
• fasadowe płyty z wełny mineralnej

oraz materiały uzupełniające, przeznaczone do ocieplenia cokołowej i podziemnej części ściany w postaci płyt polistyrenowych o zmniejszonej nasiąkliwości.

Do mocowania płyt styropianowych do podłoża i wykonywania warstwy zbrojonej mogą być stosowane następujące wyroby [4]:

• masy na spoiwie dyspersyjnym tworzywa sztucznego nadające się do użycia bez dodatkowych zabiegów,
• masy na spoiwie dyspersyjnym tworzywa sztucznego wymagające wymieszania z cementami,
• zaprawy klejące, wykonywane z suchej mieszanki cementu, piasku i dodatków organicznych, wymagające wymieszania z wodą.

Ponadto do mocowania płyt do ściany może być stosowany klej poliuretanowy/pianka. Jednak najpopularniejsza jest zaprawa klejąca w postaci suchej mieszanki zarabianej [3].

Do mocowania płyt z wełny mineralnej do podłoża ściennego oraz wykonywania warstwy zbrojonej należy stosować zaprawę klejącą wykonywaną z suchej mieszanki cementu, piasku i dodatków organicznych.

Masy klejące na organicznym spoiwie dyspersyjnym z wypełniaczami mineralnymi oraz masy klejące na organicznym spoiwie dyspersyjnym wymagające wymieszania z cementem nie uzyskują klasyfikacji materiału niepalnego [4].

Oprócz podstawowych zapraw na bazie cementu szarego do wykonania warstwy zbrojącej produkuje się zaprawy z cementu białego. Warstwa zbrojona wykonana z użyciem takiej zaprawy może nie wymagać stosowania środka gruntującego przed nałożeniem tynku cienkowarstwowego [5].

Bardzo istotne jest także poprawne ułożenie płyt z materiałów termoizolacyjnych w celu minimalizacji wpływu nieszczelności w warstwie izolacji cieplnej. Na etapie projektowania zakłada się poziom nieszczelności (ΔU”) oraz dodatek uwzględniający wpływ nieszczelności w warstwie izolacji cieplnej (ΔU_g) na wartość współczynnika przenikania ciepła U_C według normy PN-EN ISO 6946:2008 [6].

Łączniki mechaniczne (kołki) wraz z zaprawą klejącą mocującą płyty termoizolacyjne do warstwy konstrukcyjnej ściany zewnętrznej zapewniają wymaganą stateczność konstrukcyjną układu ocieplającego od działania obciążenia wiatrem (ssanie wiatru) oraz sił ścinających wynikających z ciężaru własnego systemu ocieplenia. Kołki powinny także zapobiegać przed tzw. wybrzuszeniem się płyt izolacyjnych pod wpływem zmiany warunków cieplno-wilgotnościowych.

Deformacja płyt może wystąpić wskutek braku swobody wydłużania się ich na styku z sąsiadującymi elementami. Dodatkowe mocowanie mechaniczne w obrębie krawędzi, jak również pośrodku płyty zapewnia dobre połączenie ze ścianą i zabezpiecza przed tzw. miksowaniem płyt i pękaniem wyprawy tynkarskiej w wyniku tego zjawiska [3] - RYS. 1-2.

Dodatkowe mocowanie płyt izolacyjnych wykonuje się w miejscach dochodzenia do siebie krawędzi trzech płyt izolacyjnych. Taki układ łączników bywa nazywany kołkowaniem na "T".

W niektórych przypadkach zamiast kołkowania na "T" zaleca się stosować kołkowanie na "W". W tym zakresie należy się kierować zaleceniami producenta wybranego systemu ocieplenia ścian.

Z mocowania w spoinach "T" można zrezygnować w przypadku stosowania płyt izolacyjnych łączonych na piór i wpust.

Na RYS. 3 przedstawiono zalecane rozmieszczenie kołków na standardowej płycie izolacyjnej [3].

W praktyce stosuje się różne rozwiązania łączników mechanicznych:

• łączniki rozprężne z trzpieniem (których główki wykonane są z tworzywa sztucznego o zwiększonej izolacyjności cieplnej z wycięciami);
• łączniki mocowane przez wbicie w ścianę osadzonego w nich krótkiego trzpienia, mającego korpus w kształcie dużej komory powietrznej, w znaczący sposób ograniczającej straty ciepła w miejscu wbicia kołka;
• kołki wkręcane w płyty izolacyjne lub umieszczone w gniazdach, zasłanianych następnie krążkami z materiału termoizolacyjnego.

Należy pamiętać, aby w przypadku stosowania łączników mechanicznych nie dopuszczać do nadmiernych strat ciepła wynikających z ich występowania, co ilustruje tzw. efekt biedronki widoczny często na elewacjach budynków ocieplonych metoda lekką mokrą (FOT. 11).

W ścianach dwuwarstwowych stosuje się łączniki mechaniczne wykonane z tworzyw sztucznych, natomiast w przypadku ścian trójwarstwowych i szczelinowych - wykonane ze stali lub stali nierdzewnej.

Do ocieplania ścian mogą być stosowane siatki zbrojące z włókna szklanego, metalowe lub z tworzywa sztucznego. Gdy konieczne jest wzmocnienie dolnych części budynku, stosuje się tzw. siatki pancerne.

W systemie ocieplenia powinny być stosowane materiały niepalne, w związku z tym nie należy używać siatek z tworzyw sztucznych [4].

Od strony zewnętrznej należy zastosować tynk zewnętrzny - cienkowarstwowy (w przypadku ścian dwuwarstwowych) lub warstwę elewacyjną (w przypadku ścian trójwarstwowych i szczelinowych).

W przypadku ścian dwuwarstwowych zaleca się stosowanie tynków cienkowarstwowych, które można podzielić [8] ze względu na:

• spoiwo: na mineralne, silikatowe (krzemianowe), silikonowe, silikatowo-silikonowe, polimerowe (akrylowe),
• technikę wykonywania: na naciągane pacą, zacierane, cyklinowane, wytłaczane, natryskowe, nakrapiane,
• rodzaj faktury: na gładkie, drapane, ziarniste (tzw. baranek), modelowane, mozaikowe.

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 wentylowaną pomiędzy 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 ilości od 5 szt./m² do 6 szt./m² powierzchni ściany (dobór łączników przeprowadza się na podstawie szczegółowych obliczeń).

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 8-12 m w zależności od rodzaju warstwy elewacyjnej).

Do ocieplania stropodachów dwudzielnych i stropów nad poddaszami nieużytkowanymi stosowane są następujące materiały termoizolacyjne:

• wełna celulozowa,
• wełna mineralna [2].

Wełna celulozowa jest materiałem występującym w formie sypkiego włóknistego granulatu. Wytwarzana jest z papieru gazetowego (sortowanie, rozdzieranie, rozdrabnianie), aż do uzyskania postaci izolujących płatków celulozy (FOT. 12-14). Charakteryzuje się gęstością objętościową w zakresie 25-65 kg/m3 oraz wartością współczynnika przewodzenia ciepła na poziomie λ_D = 0,037 W/(m·K). Zastosowanie materiału odbywa się metodą zasypu.

Wełna mineralna występuje jako wełna szklana i wełna skalna. Wełna szklana produkowana jest m.in. ze stłuczki szklanej i z piasku kwarcowego (FOT. 15). Charakteryzuje się kolorem od jasno kremowego do żółtego, gęstością objętościową ρ_ob.= 40–80 kg/m³ oraz współczynnikiem przewodzenia ciepła λ_D = 0,032 W/(m·K) dla płyt i mat i λ_D = 0,038 W/(m·K) dla granulatu.

Natomiast wełna skalna jest produkowana z różnego rodzaju kruszywa mineralnego (np. bazaltu, gabro, kruszywa wapiennego, brykietu mineralnego) i występuje w kolorze od szarego po oliwkowy w postaci płyt (w pełnym zakresie gęstości) mat i granulatu.

Wyroby z wełny skalnej charakteryzują się współczynnikiem przewodzenia ciepła λ_D = 0,035 W/(m·K) dla płyt i λ_D = 0,038 W/(m·K) dla granulatu.

Do ocieplania dachów drewnianych stosowane są najczęściej następujące materiały termoizolacyjne:

• płyty drzewne,
• płyty z wełny owczej,
• płyty z wełny mineralnej,
• pianka poliuretanowa (PUR/PIR),
• płyty korkowe [2].

Płyty drzewne to materiały drewnopochodne, które powstają z rozwłóknionego drewna (FOT. 16-17). Charakteryzują się gęstością objętościową ρ_ob. = 50 kg/m³ i współczynnikiem przewodzenia ciepła λ_D = 0,038 W/(m·K). Występują w postaci płyt miękkich i granulatu.

Płyty z wełny owczej są naturalnym materiałem organicznym. Włókna owczej wełny doskonale oddychają, magazynują, izolują i regulują temperaturę. Testy wykazują, że izolacja z owczej wełny oprócz powyższych właściwości neutralizuje szkodliwe substancje i pochłania dźwięk (FOT. 18). Występują w asortymencie o gęstość objętościowej ρ_ob.= 14-100 kg/m³ i współczynniku przewodzenia ciepła λ_D = 0,0385 W/(m·K).

Wełna mineralna stosowana jest także do ocieplenia dachów drewnianych skośnych w postaci mat i płyt o gęstości objętościowej ρ_ob.= 80-120 kg/m³ i współczynniku przewodzenia ciepła λ_D= 0,032-0,038 W/(m·K) w układzie między krokwiami oraz dodatkowo pod krokwiami (RYS. 4-5).

Pianka poliuretanowa PIR/PUR jest materiałem chemoutwardzalnym, w postaci sztywnej piany natryskowej. Występuje w postaci pianki o porach otwartych (spieniona na budowie) i o porowatości zamkniętej (płyty z osłoną lub bez osłony).

Sztywne płyty stosowane są jako izolacja podkrokwiowa (często z wykończeniem płytą gipsowo-kartonową) lub jako izolacja nadkrokwiowa (RYS. 6-7). Przy gęstości objętościowej r_ob.= 35-60 kg/m³ charakteryzują się współczynnikiem przewodzenia ciepła na poziomie λ_D= 0,020-0,023W/(m·K).

Płyty korkowe ekspandowane to naturalne, zrównoważone i bezkonkurencyjne produkty korkowe, które przy tym szczególnym rodzaju aglomeratu korkowego nie posiadają w swej strukturze poliuretanu. Dzięki poddaniu ziarna korkowego działaniu wysokiej temperatury, powiększa ono swoją objętość, a wydzielający się jeden ze składników w tym procesie (suberyna) stanowi naturalne lepiszcze ekspandujących ziaren.

Płyty do izolacji cieplnej dachów drewnianych skośnych charakteryzują się współczynnikiem przewodzenia ciepła na poziomie λ_D= 0,037 W/(m·K).

Do grupy materiałów izolacyjnych, do których produkcji zużywane są małe ilości energii i ograniczone jest zużycie surowców nieodnawialnych, zalicza się także płyty pilśniowe (FOT. 19-20).

Do ocieplania przegród stykających się z gruntem (izolacja obwodowa), cokołów i podłóg stosowane są najczęściej następujące materiały termoizolacyjne:

• polistyren ekstrudowany (XPS)
• oraz szkło piankowe [2].

Polistyren ekstrudowany (XPS) jest sztywną pianą charakteryzującą się znaczącą wytrzymałości na ściskanie oraz odpornością na wilgoć. Takie właściwości pozwalają na efektywne zastosowanie wyrobu do izolacji poziomej i pionowej przegród stykających się z gruntem, ale także izolacji tarasów i stropodachów pełnych, odwróconych i zielonych (FOT. 21-22).

Wartość współczynnika przewodzenia ciepła płyt z polistyrenu ekstrudowanego zależy od grubości i wynosi λD= 0,035-0,036 W/(m·K).

Szkło piankowe otrzymywane jest z roztopionego szkła przez dodanie domieszek pianotwórczych (np. węgla, węglanu wapnia). Jest nieprzezroczyste, odporne na korozję biologiczną i chemiczną oraz niepalne (w obecności płomieni nie wydziela gazów toksycznych). Produkowane jest w dwóch odmianach:

• szkło piankowe białe [ρ_ob.= 240-300 kg/m³, λ_D =0,038-0,042 W/(m·K)] - o otwartej strukturze i podatności na nasiąkliwość,
• szkło piankowe czarne [ρ_ob.=100 kg/m³, λ_D= 0,038 W/(m·K)] - o porowatości zamkniętej, co skutkuje wysokim oporem dyfuzyjnym i brakiem nasiąkliwości tej odmiany szkła piankowego.

Stosowane jest także do termoizolacji stropodachów (FOT. 23-24).

Do ocieplenia od wewnątrz stosowane są najczęściej następujące materiały termoizolacyjne: bloczki z betonu komórkowego (Multipor), płyty klimatyczne oraz tynki ciepłochronne (renowacyjne).

Multipor to mineralne płyty izolacyjne wykonane z bardzo lekkiej odmiany betonu komórkowego (ρob. = 115 kg/m3) o stosunkowo niskiej wartości współczynnika przewodzenia ciepła λD= 0,042 W/(m·K). Ponadto charakteryzuje się współczynnikiem oporu dyfuzyjnego μ = 3, co powoduje, że stanowi właściwą termoizolację od wewnątrz.

Płyty klimatyczne wytwarzane są z silikatu wapiennego, materiału na bazie mineralnej. Kryształki silikatu wapiennego tworzą mikroporowaty szkielet, tworząc wyrób o wysokiej kapilarności (gęstość objętościowa ρ_ob. = 200-400 kg/m³, współczynnik przewodzenia ciepła λ_D= 0,059 W/(m·K)). Jest to materiał paroprzepuszczalny o współczynniku oporu dyfuzyjnego μ = 3-6, posiadający otwarte pory, kapilarnie aktywny, przyjazny dla środowiska naturalnego, niepalny oraz zapobiegający tworzeniu się pleśni i zagrzybienia.

Wyroby można stosować w pełnym systemie, obejmującym (klej, szpachlę i farby). Systemu nie powinno się łączyć z wyrobami na bazie gipsu (FOT. 25).

Tynki ciepłochronne (renowacyjne) pozwalają uzyskać znacznie lepsze właściwości termoizolacyjne budynku niż przy zastosowaniu zwykłych tynków. Zapobiegają przemarzaniu murów, a zatem mają duży udział w ograniczeniu utraty ciepła. Ich zaletami są:

• eliminacja mostków cieplnych
• oraz wyprowadzanie wilgoci ze ściany.

Często jest to gotowa mieszanka do ręcznego i maszynowego nakładania. Sprawdza się zarówno w pracach zewnętrznych, jak i wewnętrznych.

Podstawę tynku stanowi niezwykle lekki granulat ze spienionej mączki szklanej i perlitu. Tym dwóm składnikom zawdzięcza swoje wyjątkowe właściwości termoizolacyjne (λ_D= 0,06-0,11 W/(m·K)).

Materiały termoizolacyjne stosowane do ociepleń od strony wewnętrznej można podzielić na następujące grupy [10]:

• zastosowanie materiału termoizolacyjnego o bardzo wysokim oporze dyfuzyjnym - szkło piankowe o współczynniku przewodzenia ciepła λ_D= 0,040 W/(m·K) i współczynniku oporu dyfuzyjnego μ = ∞ (w praktyce μ = 100 000), stosowane o grubości od 4 cm do 18 cm;
• zastosowanie materiału termoizolacyjnego wraz z paraizolacją, np. w postaci folii aluminiowej od strony wewnętrznej oraz warstwy wykończeniowej w postaci np. płyt gipsowo-kartonowych lub termoizolacyjna płyta zespolona z warstwą zapewniającą opór dyfuzyjny (np. płyta składająca się z płyt styropianowych EPS z dodatkiem grafitu oraz płyty gipsowo-kartonowej, a także opcjonalnie z paroizolacją jako warstwą pośrednią), stosowane grubości termoizolacji od 4 cm do 10 cm o współczynniku oporu dyfuzyjnego μ = 30–70 [11];
• zastosowanie materiału dopuszczające wystąpienie kondesacji - wyroby z silikatu wapiennego (płyty klimatyczne).

W przypadku wytworzenia się wilgoci pod warstwą ocieplenia nie ma ryzyka występowania pleśni i zagrzybienia muru i degradacji izolacji. Płyty klimatyczne dzięki swojej aktywności kapilarnej pochłaniają wilgoć i rozpraszają ją na całej powierzchni, skąd zostaje ona odparowana. Materiał tego typu nie traci swoich właściwości termoizolacyjnych - wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ_D= 0,060 W/(m·K). Stosowane najczęściej są grubości do 5 cm, a współczynnik oporu dyfuzyjnego wynosi μ = 3-6.

Innym materiałem termoizolacyjnym w tej grupie są mineralne płyty izolacyjne wykonane z lekkiej odmiany betonu komórkowego [12];

• zastosowanie materiału o bardzo niskiej wartości współczynnika przewodzenia ciepła - ­aerożel. Jest to materiał będący rodzajem sztywnej piany o bardzo niskiej wartości gęstości, który składa się w ponad 90% z powietrza (pozostała część to żel tworzący nanostrkuturę). Charakteryzuje się współczynnikiem λ_D= 0,013-0,018 W/(m·K). Stosowany jest m.in. do prac termoizolacyjnych wewnątrz budynku, w miejscach trudnodostępnych [13];
• zastosowanie materiału termoizolacyjnego, który powstaje z połączenia wełny mineralnej z aerożelem i nazywa się aerowełną. Charakteryzuje się współczynnikiem przewodzenia ciepła λ_D= 0,019 W/(m·K), a współczynnik oporu dyfuzyjnego μ > 3 [14];
• zastosowanie nowoczesnego materiału termoizolacyjnego - izolacja próżniowa (tzw. modułowy system ocieplenia od wewnątrz), która charakteryzuje się niską wartością współczynnika przewodzenia ciepła λ_D= 0,007 W/(m·K) oraz współczynnikiem oporu dyfuzyjnego na poziomie μ > 500  000. Zalecana grubość izolacji do 3,5 cm z zastosowaniem wykończenia w postaci płyty włóknocementowej [15];
• zastosowanie materiałów ekologicznych, np. w postaci płyt z wełny drzewnej lub z włókien konopnych. To materiały cechujące się bardzo dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi oraz niewielkim oporem dyfuzyjnym. Dodatkowo materiały te mają zbliżone cechy do płyt mineralnych lub płyt klimatycznych, dotyczące aktywności kapilarnej.

W TAB. 1 zestawiono parametry cieplno-wilgotnościowe wybranych materiałów termoizolacyjnych.

Do grupy materiałów termoizolacyjnych nowej generacji należą:

• aerożel,
• porogel,
• izolacje refleksyjne,
• izolacje próżniowe VIP,
• izolacje transparentne,
• pianosilikaty.

Aerożel to materiał o budowie komórkowej, przypomina sztywną pianę, składającą się w 90-99,8% z powietrza oraz z żelu tworzącego jego strukturę. Specyficzny rozmiar większości porów zdecydowanie spowalnia przenoszenie ciepła przez powietrze zawarte w materiale, co obniża wartość współczynnika do λ_D= 0,012-0,018W/(m·K). Bardzo dobre właściwości termoizolacyjne oraz elastyczność mat aerożelowych kwalifikuje je nie tylko do ocieplenia elementów płaskich, lecz także do ocieplenia mostków termicznych (złączy budowlanych: ościeży okiennych i drzwiowych, wnęk podokiennych, płyt balkonowych).

Porogel jest materiałem izolacyjnym wytwarzanym na bazie krzemionki o zawartości powietrza na poziomie 90%. Charakteryzuje się współczynnikiem przewodzenia ciepła λ_D= 0,014/(m·K). Wytwarzany jest w matach i stosowany głównie w pasach podrynnowych lub przy minimalizacji mostków termicznych (FOT. 26).

Izolacje refleksyjne wykorzystywane są w przegrodach budowlanych ze względu na zalety związane ze zwiększeniem oporu cieplnego, a tym samym obniżeniem wartości współczynnika przenikania ciepła np. ściany zewnętrznej. Poprawiają także szczelność powietrzną izolowanej przestrzeni. Dzięki małej grubości (10 mm do 70 mm) bardzo często znajdują zastosowanie w przegrodach budowlanych, poddaszach, a także coraz częściej w lekkich konstrukcjach szkieletowych i w konstrukcjach modułowych.

Można je podzielić na następujące grupy:

• folie bąbelkowe w obustronnych okładzinach w folii aluminiowej,
• materiały o małej grubości, z jedną okładziną lub dwiema z folii aluminiowych,
• multifolie, tj. kilka folii aluminiowych rozdzielonych cienkimi warstwami wykonanymi z pianki polietylenowej lub polipropylenowej itp.

Materiały te działają na zasadzie odbicia promieniowania cieplnego. Ich cechą charakterystyczną jest to, że składają się ze szczelin powietrznych oraz jednej lub dwóch powierzchni odbijających promieniowanie cieplne.

Istotą izolacji refleksyjnych jest znaczne ograniczenie wymiany ciepła przez promieniowanie, a także zwiększenie oporu cieplnego przegrody budowlanej. Ze względu na to, że promieniowanie podczerwone stanowi 70-90% całkowitej energii cieplnej budynku, opłacalne jest zatrzymanie tego promieniowania wewnątrz pomieszczeń w okresie grzewczym.

Deklarowana wartość oporu cieplnego maty termoizolacyjnej wynosi R_D= 0,25 (m²·K)/W, natomiast wartość R_D dla układu (mata/szczelina powietrzna) wynosi 1,02–1,16 w zależności od kierunku przepływu ciepła [17].

Współczynnik przewodzenia ciepła mat refleksyjnych zależy od liczby warstw i wynosi λ_D= 0,019-0,033W/(m·K) (FOT. 27).

Izolacje próżniowe (VIP) są modyfikacją izolacji żelowych. Obniżenie przewodności cieplnej uzyskuje się poprzez podciśnienie, ograniczające przenoszenie ciepła przez powietrze. Natomiast redukcję udziału promieniowania uzyskuje się, wprowadzając dodatki obniżające jego przepuszczalność, np. grafit.

Zmodyfikowany rdzeń zapakowany jest próżniowo w szczelną membranę (trójwarstwową powłokę z folii) - FOT. 28.

Szczelna osłona pokrywająca rdzeń zapewnia możliwość utrzymania wewnątrz panelu znacznego podciśnienia i uzyskania niskiej wartości współczynnika przewodzenia ciepła na poziomie λ_D= 0,006-0,007W/(m·K).

W konwencjonalnym systemie ocieplającym w niektórych miejscach mogą być wprowadzane specjalne płyty lub moduły przepuszczające światło – elementy TWD (Transparente Wärmedämmung) o następujących cechach [18]:

• czarna powłoka (absorber) położona na ścianie lub na tylnej stronie płyty pozwala uzyskać dodatkową energię cieplną z promieniowania słonecznego;
• w okresie letnim stosuje się zacienienie elementów czy też wentylację przestrzeni między elementami a ścianą, lub szyby pryzmatyczne, które, gdy słońce jest wysoko na horyzoncie, odbijają znaczną część promieniowania słonecznego.

Na RYS. 8-9 przedstawiono przykładowy schemat działania izolacji transparentnej TWD z szybą pryzmatyczną.

Podobnym rozwiązaniem umożliwiającym uzyskanie dodatkowej energii cieplnej z promieniowania słonecznego jest zastosowanie elementów tzw. przełączalnej izolacji termicznej SWD (Schaltbare Wärmedämmung) o następujących cechach [19]:

• w panelach próżniowych wykonanych w osłonie ze stali nierdzewnej umieszczono sprasowane włókno szklane i niewielką ilość wodorku palladu, który umożliwia uwalnianie małej ilość wodoru (ok. 50 hPa) oraz ponowne jego wchłanianie;
• przewodność cieplna elementu może zwiększyć się ok. 40-krotnie i ponownie powrócić do stanu, jaki zapewnia próżnia;
• wydzielanie wodoru odbywa się w wyniku podgrzania (elektrycznego) kapsuły z wodorkiem palladu, w związku z tym w fazie przewodzenia ciepła do panelu musi być dostarczona energia elektryczna o mocy ok. 5 W/m²;
• zaletą tego rozwiązania jest dobre zabezpieczenie ścian przed przegrzewaniem w okresie letnim.

Na RYS. 10 przedstawiono tryby izolowania i przewodzenia ciepła przez panele SWD.

Pianosilikaty to materiały ekologiczne, niepalne, cechujące się niską wartością współczynnika przewodzenia ciepła (przy gęstości objętościowej ρ_ob.=100-600 kg/m³; λ_D= 0,03-0,010W/(m·K)).

Jako surowce do produkcji stosowane są: krzemionka i specyficzna osnowa amorficzna z możliwością zastosowania składników materiałami odpadowymi.

Spienienie w formach zachodzi w temperaturze poniżej 500°C (spienienie termiczne) z użyciem promieniowania mikrofalowego (spienienie mikrofalowe) lub prądu elektrycznego (tzw. elektrospienianie). Pozwala to na wiele różnych zastosowań pianosilikatów, ponieważ w zależności od sposobu wytwarzania można sterować ich parametrami chemiczno-fizycznymi.

Pianosilikaty mogą skutecznie znaleźć zastosowanie w pewnych niszowych segmentach budowalnych, np. wypełnienie pustych przestrzeni w konstrukcjach, budownictwo szczególnego przeznaczenia - szpitale, obiekty wodne [20].

W grupie materiałów termoizolacyjnych "nowej generacji" należy także wymienić nanomateriały, które dają nowe możliwości nowych lub ulepszonych właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych znanych już materiałów.

Wpływ materiału termoizolacyjnego na parametry fizykalne przegród zewnętrznych i ich złączy

W celu poszukiwania poprawnego (optymalnego) rozwiązania układu materiałowego spełniającego obowiązujące wymagania cieplno-wilgotnościowe należy wykonać szczegółowe obliczenia następujących parametrów fizykalnych:

• strumień cieplny Φ [W],
• współczynnik przenikania ciepła pełnej przegrody U (U_1D) [W/(m²·K)],
• liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego L^2D [W/(m·K)],
• liniowy współczynnik przenikania ciepła (określający dodatkowe straty ciepła wynikające z występowania liniowych mostków cieplnych) Ψ [W/(m·K)],
• temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego t_min. [°C],
• czynnik temperaturowy, określony na podstawie temperatury minimalnej na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego ƒ_Rsi(2D) [-].

W pierwszym przykładzie obliczeniowym przedstawiono wpływ zastosowanego materiału termoizolacyjnego na parametry fizykalne przegród i złączy budowlanych. Do obliczeń wytypowano połączenie ściany zewnętrznej z oknem w przekroju przez ościeżnicę w przypadku tzw. ciepłego montażu, przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO, przyjmując następujące założenia:

• modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami przedstawionymi w PN-EN ISO 10211:2008 [21],
• opory przejmowania ciepła (R_si, R_se) przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [6] przy obliczeniach strumieni cieplnych oraz według PN-EN ISO 13788:2003 [22] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego ƒ_Rsi(2D),
• temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C (pokój dzienny), temperatura powietrza zewnętrznego t_e = –20 °C (III strefa),
• wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie tabel w pracach [2], [23],

• ściana zewnętrzna dwuwarstwowa:
  • bloczek z betonu komórkowego o gr. 24 cm – λ = 0,21 W/(m·K),
  • polistyren ekstradowany (wariant I) – λ = 0,036 W/(m·K),
  • styropian grafitowy (wariant II) – λ = 0,031 W/(m·K),
  • płyty fenolowe (rezolowe) (wariant III) – λ = 0,022 W/(m·K),
  • ­aerożel (wariant IV) – λ = 0,015 W/(m·K),
  • izolacje próżniowe (VIP) (wariant V) – λ = 0,007 W/(m·K);

rozpatrywano trzy grubości izolacji cieplnej (a) – 10 cm, (b) – 12 cm, (c) – 15 cm (rys. 11–13),

• stolarka okienna o U_w  =  0,809 [W/(m²·K)].

Szczegółowe procedury obliczeniowe parametrów fizykalnych przegród zewnętrznych i ich złączy przedstawiono w pracy "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy" [23]. Wyniki obliczeń przedstawiono w TAB. 2.

Należy podkreślić, że wpływ zastosowanego materiału termoizolacyjnego na parametry fizykalne przegród zewnętrznych i ich złączy jest istotny.

W TAB. 2. zestawiono tylko przykładowe wyniki obliczeń prowadzonych przez autora.

Wartość współczynnika przewodzenia ciepła materiału termoizolacyjnego λ [W/(m·K)] znacząco kształtuje wartość współczynnika przenikania ciepła płaskiej przegrody U (U_1D) [W/(m²·K)], wielkość strumienia ciepła przepływającego przez złącza budowlane Φ [W], wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)] oraz obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego t_min.[°C] i wartość czynnika temperaturowego ƒ_Rsi [-]. Dlatego zasadne staje się prowadzenie indywidualnych symulacji numerycznych, przy zastosowaniu licencjonowanych programów komputerowych, w zakresie kształtowania układów warstw materiałowych przegród zewnętrznych i ich złączy w aspekcie cieplno-wilgotnościowym.

Takie podejście pozwala na etapie projektowania wyeliminowanie błędnie zaproponowanych (zaplanowanych) elementów obudowy budynku spełniającego wymagania standardu niskoenergetycznego - "budynku o niskim zużyciu energii".

Wybrane aspekty fizykalne ocieplania przegród zewnętrznych od wewnątrz

Ocieplenie ścian zewnętrznych od wewnątrz projektowane i wykonywane jest w obiektach zabytkowych (budynki wpisane do rejestru zabytków lub objęte ochroną konserwatorską), obiektach o wartości architektonicznej (ciekawy charakter elewacji lub oryginalny wygląd budynku), obiektach o ograniczonych prawach własności (w przypadku, gdy część ścian zewnętrznych znajduje się dokładnie na granicy działki), obiektach użytkowanych czasowo (ogrzewanie czasowe w nieregularnych okresach).

Od 1 stycznia 2017 r. obowiązują nowe wartości graniczne współczynnika przenikania ciepła przegród zewnętrznych U_C(max) [dla ścian zewnętrznych U_C(max) = 0,23 W/(m²·K)]. Aby spełnić kryterium U_C≤ U_C(max), należy dobrać odpowiednią grubość zalecanego materiału termoizolacyjnego.

Ocieplenie od wewnątrz wiąże się jednak ze zjawiskiem wnikania pary wodnej w strukturę przegrody i jej kondensacji. Na skutek niskiej temperatury otoczenia spada znacznie temperatura wewnątrz przegrody, powodując kondensację na styku warstwy konstrukcyjnej i izolacji cieplnej.

Warstwa izolacji cieplnej od strony wewnętrznej przegrody oddziela konstrukcję muru od środowiska wewnętrznego, co wpływa na zmniejszenie pojemności cieplnej całego budynku i powoduje wprowadzenie całej warstwy konstrukcyjnej w strefę przemarzania.

Podstawową zaletą ocieplenia od wewnątrz jest zmniejszenie ilości energii niezbędnej do ogrzania pomieszczeń o żądanej temperaturze oraz skrócenia czasu nagrzewania [2].

Do grupy materiałów do ocieplenia od wewnątrz można zaliczyć m.in.: Multipor, płyty klimatyczne, tynki renowacyjne, ale także silikat wapienny, płyty mineralne, płyty rezolowe, płyty klimatyczne, płyty z wełny drzewnej.

Wartości parametrów fizykalnych przegród zewnętrznych i ich złączy zależą głównie od:

• współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)],
• współczynnika oporu dyfuzyjnego μ [-] i dyfuzyjnie równoważnej warstwy powietrza s_d= μ·d [m] materiałów izolacyjnych.

Szczegółową charakterystykę wybranych materiałów izolacyjnych przedstawiono m.in. w pracy "Analiza rozwiązań materiałowych przegród zewnętrznych ocieplonych od wewnątrz" [24].

Poniżej zaprezentowano wyniki obliczeń i analiz parametrów fizykalnych złączy ścian zewnętrznych:

• połączenie ścian zewnętrznych w narożniku (przypadek A i B)
• oraz połączenie ściany zewnętrznej z oknem w przekroju przez ościeżnicę (przypadek C) z uwzględnieniem zmiennych parametrów powietrza zewnętrznego w okresie roku kalendarzowego (RYS. 14-17, RYS. 18-21 i RYS. 22-25).

Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

• ściana zewnętrzna dwuwarstwowa:
  cegła pełna gr. 38 cm/λ = 0,77 W/(m·K)/,
  płyty rezolowe gr. 8 cm (wariant I) i 16 cm (wariant II)/λ = 0,022 W/(m·K)/,
  tynk gipsowy gr. 1 cm/λ = 0,40 W/(m·K)/,
• stolarka okienna o współczynniku przenikania ciepła U_w= 0,762 W/(m²·K),
• modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami prezentowanymi w PN-EN ISO 10211:2008 [21] i pracy „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy” [23],
• opory przejmowania ciepła (R_si, R_se) przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [6] przy obliczeniach strumieni cieplnych oraz według PN-EN ISO 13788:2003 [22] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego ƒ_Rsi(2D),
• temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20 °C (pokój dzienny), temperatura powietrza zewnętrznego t_e - średnie miesięczne (styczeń-grudzień) dla Bydgoszczy.

W celu poszukiwania poprawnego (optymalnego) rozwiązania układu materiałowego złącza budowlanego ocieplonego od wewnątrz, spełniającego obowiązujące wymagania cieplno-wilgotnościowe, wykonano szczegółowe obliczenia parametrów fizykalnych (w kilku wariantach obliczeniowych) - TAB. 3 i TAB. 4.

W następnym etapie obliczeń (TAB. 5, TAB. 6 i TAB. 7) określono:

• wartości temperatur minimalnych (t_min.) na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu występowania mostka cieplnego (analizowanych złączy) przy założeniu średnich miesięcznych temperatur powietrza zewnętrznego dla Bydgoszczy (styczeń–grudzień) oraz temperatury powietrza wewnętrznego t_i = 20°C,
• wartości czynników temperaturowych ƒ_Rsi.(2D) na podstawie t_min,
• wartości granicznych (krytycznych) czynników temperaturowych (ƒ_Rsi.(kryt.)) z uwzględnieniem parametrów powietrza zewnętrznego (t_e, φ_e dla Bydgoszczy) i powietrza wewnętrznego (t_i = 20°C, III klasa wilgotności).

Docieplenie ścian zewnętrznych od wewnątrz jest powszechnie stosowanym działaniem w zakresie termomodernizacji istniejących budynków w celu osiągnięcia obowiązujących i zmieniających się wymagań w aspekcie cieplno-wilgotnościowym.

Projektowanie tego typu dociepleń na podstawie obliczeń przybliżonych, np. dotyczących tylko płaskiej przegrody, określając współczynnik przenikania ciepła U (U_1D) i czynnik temperaturowy ƒ_Rsi(1D) (TAB. 3 i TAB. 4), jest niedopuszczalne. Zasadne staje się wykonanie obliczeń parametrów fizykalnych złączy przegród zewnętrznych z uwzględnieniem odpowiednich parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego oraz przeprowadzenie symulacji komputerowej dotyczącej analizy stanu wilgotnościowego przegrody w określonym okresie eksploatacji.

W przypadku opracowania koncepcji projektowej ocieplenia od wewnątrz zapobiegającej wystąpieniu kondensacji należy uwzględnić warunki mikroklimatu wnętrz pomieszczeń. Dlatego zasadne staje się przeprowadzenie obliczeń i analiz w zakresie przyrostu wilgoci w ścianach ocieplonych od wewnątrz ze szczególną starannością i uwzględnieniem zmieniających się warunków eksploatacji.

Aby zapewnić prawidłowe warunki eksploatacji, należy zastosować termoizolację o bardzo wysokim współczynniku oporu dyfuzyjnego μ [-] lub dodatkową warstwę izolacji paroszczelnej od strony wewnętrznej. W ten sposób teoretycznie zostaje wyeliminowana dyfuzja pary wodnej z pomieszczeń w konstrukcję ściany.

Według normy DIN 4108-3 [27] zaleca się, aby wartość dyfuzyjnie równoważnej grubości warstwy powietrza s_d izolacji termicznej lub zastosowanej paraizolacji przekraczała 1500 m. Tego typu koncepcje rozwiązań zalecane są w przypadku docieplenia ścian w pomieszczeniach mokrych, w których panują w sposób ciągły podwyższone wilgotności pomieszczeń (np. baseny kryte, pralnie).

Dodatkowo dopuszcza się stosowanie materiałów stanowiących opór dyfuzyjny, dla których dyfuzyjnie równoważna grubość warstwy powietrza s_d zawiera się pomiędzy 0,5 m a 1500 m.

Tak szerokie zróżnicowanie wielkości s_d wpływa niejednoznacznie na oceny poprawności realizowanych dociepleń.

Materiał, którego s_d wynosi powyżej 0,5 m, jest materiałem „otwartym dyfuzyjnie”, natomiast o s_d niewiele mniejszej niż 1500 m jest określany w praktyce jako „izolacja paroszczelna”. W takim przypadku niezbędne staje się przeprowadzenie symulacji wilgotnościowej analizowanej przegrody budowlanej w pełnym roku jej eksploatacji.

W koncepcji docieplenia od wewnątrz dopuszczającej wystąpienie kondensacji zastosowano dwa różne materiały izolacyjne:

• płyty klimatyczne gr. 10 cm (wariant IV - RYS. 32-33) produkowane z silikatu wapiennego,
• płyty Multipor gr. 10 cm (wariant V - RYS. 34-35) wykonane z bardzo lekkiej odmiany betonu komórkowego.

Ilość zakumulowanej wilgoci, która jest dopuszczalna w odniesieniu do tego typu koncepcji ocieplenia, musi być na takim poziomie, aby umożliwić jej wyparowanie w kierunku użytkowanego pomieszczenia lub nie powodować akumulacji w kolejnych latach.

Istotne jest dodatkowo zapewnienie pełnej szczelności na niekontrolowaną infiltrację powietrza [10].

Sprawdzenia warunku w zakresie występowania kondensacji międzywarstwowej dokonano metodą szacunkową Glasera przedstawioną w normie PN-EN ISO 13788:2003 [22]. Norma ta budzi wiele wątpliwości co do jakości uzyskiwanych wyników obliczeń i sposobu ich interpretacji, dlatego zdecydowano się przeprowadzić obliczenia metodą numeryczną.

Metody symulacyjne opierają się na zaawansowanych programach komputerowych do symulacji zjawisk cieplno-wilgotnościowych, np. WUFI-PRO 5.0.

Do obliczeń przyjęto typową ścianę ceglaną gr. 38 cm z ociepleniem od strony wewnętrznej wykonanym z różnych materiałów wraz z tynkami (pięć wariantów obliczeniowych).

Na wstępie określono wartości współczynnika przenikania ciepła U oraz czynnika temperaturowego ƒ_Rsi.

Symulację wilgotnościową przeprowadzono dla okresu 10 lat eksploatacji przegrody.

Pierwszym materiałem poddanym analizie była wełna mineralna (wariant I - RYS. 26-27), która dodatkowo została zabezpieczona folią paroizolacyjna w wariancie II (RYS. 28-29).

Systemy z paroizolacją od strony wnętrza sprawdzają się najlepiej w obiektach o podwyższonej wilgotności powietrza wewnętrznego, np. kąpieliska kryte, pralnie.

Systemy z paroizolacją od strony wnętrza sprawdzają się najlepiej w obiektach o podwyższonej wilgotności powietrza wewnętrznego, np. kąpieliska kryte, pralnie.

Przy zastosowaniu paroizolacji teoretycznie zostaje wyeliminowana dyfuzja pary wodnej z pomieszczeń w konstrukcje ściany.

Podobnym systemem są płyty poliuretanowe o wysokim oporze dyfuzyjnym (wariant III - RYS. 30-31).

Kryształki silikatu tworzą mikroporowaty szkielet, co umożliwia uzyskanie wysokich właściwości kapilarnych materiału. Płyty pochłaniają wilgoć i rozpraszają je na całej swojej powierzchni, skąd zostaje ona odparowana [28].

Mineralne płyty izolacyjne posiadają zdolność do chłonięcia wilgoci z powietrza oraz bardzo szybkiego wysychania. Charakteryzują się niskim oporem dyfuzyjnym, co oznacza, że para wodna ma możliwość swobodnego wnikania w porowatą strukturę płyt [29].

Oba materiały, obok dużej paroprzepuszczalności, charakteryzują się również zdolnością do podciągania kapilarnego wody. W przypadku występowania zawilgocenia przegrody na styku izolacji i muru materiały te odciągają wilgoć w kierunku powierzchni wewnętrznej, chroniąc przed punktowym narastaniem zawilgocenia. Zasada pracy tego typu ociepleń polega na sezonowym pochłanianiu i oddawaniu pary wodnej z i do pomieszczenia.

Rozwiązanie materiałowe ocieplenia przegród budynku od strony wewnętrznej zależy od następujących czynników: eksploatacja pomieszczeń, rodzaj materiału konstrukcyjnego ścian oraz materiału użytego do ocieplenia, technologia zamocowania dodatkowej termoizolacji.

Podsumowanie

• Dobór innowacyjnych rozwiązań materiałów termoizolacyjnych w aspekcie modernizacji budynków w Polsce jest procesem bardzo złożonym. Poszukiwanie optymalnego rozwiązania w zakresie kształtowania układu warstw materiałowych wymaga znajomości cech fizycznych, mechanicznych i chemicznych materiałów budowlanych (nie tylko termoizolacyjnych), zagadnień z budownictwa ogólnego i fizyki budowli z wykorzystaniem profesjonalnych programów komputerowych.
• Przedstawione analizy rozwiązań materiałowych, przykładowe obliczenia parametrów fizykalnych oraz analizy projektowe i wykonawcze nie wyczerpują w pełni problematyki. Istotne staje się także umiejętne i miarodajne określenie stanu cieplnego obudowy istniejącego budynku, ponieważ dobór optymalnego rozwiązania układu warstw materiałowych przegród zewnętrznych powinien uwzględniać także specyfikę istniejącego budynku.

Literatura

1. 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 2015 poz. 1422).
2. M. Wesołowska, K. Pawłowski, "Aspekty związane z dostosowaniem obiektów istniejących do standardu budownictwa energooszczędnego”, Agencja Reklamowa TOP, Włocławek 2016.
3. M. Gaczek, J. Jasiczak J., Kuiński M., Siewczyńska M. "Izolacyjność termiczna i nośność murowanych ścian zewnętrznych. Rozwiązania i przykłady obliczeń", Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2011.
4. Z. Rydz, J.A. Pogorzelski, M. Wójtowicz, "Bezspoinowy system ocieplania ścian zewnętrznych budynków", Warszawa ITB 2002, Instrukcje, Wytyczne, Poradniki nr 334.
5. Kreisel - Technika Budowlana, katalog produktów, 2010.
6. PN-EN ISO 6946:2008, "Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
7. Ejot, WDVS-Dübel, 2008.
8. M. Gaczek, S. Fiszer, "Tynki" [w:] "XVIII Ogólnopolska Konferencja Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji", Ustroń 2003.
9. M. Maciaszek, "Studium projektowe przegród zewnętrznych i ich złączy z zastosowaniem nowoczesnych materiałów izolacyjnych" [praca dyplomowa inżynierska napisana pod kierunkiem dr. inż. K. Pawłowskiego], UTP w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2016.
10. B. Orlik-Kożdzoń, P. Krause, T. Steidl, "Rozwiązania materiałowe w dociepleniach od wewnątrz", "IZOLACJE", nr 11/12/2015, s. 30-34.
11. Strona internetowa: www.knauf.pl.
12. Strona internetowa: www.xella.pl.
13. EnergieCluster. Kurs HLWD 2011 Innendämmung.
14. Materiały Deutsche Rockwool Mineralwool.
15. Strona internetowa: www.variotec.de.
16. K. Arbeter, „Innendaemmung”, Wyd. Rudolf Mueller. Koeln 2014.
17. M. Piasecki, M. Pilarski, "Badania izolacyjnych wyrobów refleksyjnych oraz ich zastosowanie w przegrodach budowlanych", "IZOLACJE", nr 10/2016, s. 56-60.
18. D. Christoffers, U. Tron, "Transparente wärmedämmungen mit integrierter prismenscheibe zur saisonalen verschattung - Ausführungsbeispiele Vakunumdämmung", BINE Informationsdiens, projektinfo, 4/01.
19. Vakuumdämmung, BINE Informationsdiens, projektinfo, 4/01.
20. Strona internetowa: www.ipanterm.com.
21. PN-EN ISO 10211:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe".
22. PN-EN ISO 13788:2003, "Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacja międzywarstwowa. Metody obliczania".
23. K. Pawłowski, "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy", Grupa Medium, Warszawa 2016.
24. M. Dybowska-Józefiak, K. Pawłowski, "Analiza rozwiązań materiałowych przegród zewnętrznych ocieplonych od wewnątrz", "Materiały Budowlane", nr 1/2017, s. 31-33.
25. K. Pawłowski, "Parametry fizykalne złączy ścian zewnętrznych po ociepleniu od wewnątrz - studium przypadku", XVI Polska Konferencja Naukowo-Techniczna "Fizyka budowli w teorii i praktyce", Łódź 2017, materiały konferencyjne, referaty, wersja CD, s. 173-177.
26. M. Dybowska-Józefiak, K. Pawłowski, "Renowacja ścian zewnętrznych budynków ocieplonych od wewnątrz - wybrane aspekty fizykalne", Materiały Budowlane, nr 11/2015, s. 128-130.
27. DIN 4108-3, "Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Klimabedingter Feuchteschutz. Anforderungen, Berechnungsverfahren und Hinweise für Planung und Ausführung".
28. B. Orlik-Kożdoń, T. Steidl, "Metodyka projektowania izolacji cieplnych od wewnątrz", "IZOLACJE", nr 6/2014, s. 24-30.
29. Strona internetowa: www.ytong-silka.pl.
30. Strona internetowa: www.ecovario.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!