Warunki cieplne w obszarze łączników mechanicznych przegród z elewacją wentylowaną

Konstrukcje te umożliwiają stosowanie różnorodnych materiałów na warstwę izolacji cieplnej, pojawiają się na przykład propozycje wykorzystania materiałów o zmiennych właściwościach fazowych. Z kolei wloty powietrza do pustki powietrznej pozwalają na stosowanie regulacji przepływu powietrza.

Elementy elewacyjne mogą być wykonywane ze stali, kamienia naturalnego, szkła i innych materiałów. Mocowane są one na konstrukcji szkieletowej (ruszcie), która utrzymywana jest za pomocą kotew, konsol i itp. komponentów, mocowanych w warstwie konstrukcyjnej (RYS. 1).

Ruszty mogą być wykonywane ze stali, aluminium lub mieszane, np. stal–drewno, aluminium–drewno.

Ruszt mocowany jest z reguły do warstwy konstrukcyjnej za pomocą metalowych wsporników, aluminiowych w przypadku elewacji lekkiej, zaś stalowych w wypadku elewacji ciężkiej.

W celu ograniczenia efektu mostka cieplnego punktowego w miejscu mocowania wspornika (konsoli rusztu) do konstrukcji nośnej ściany zaleca się stosowanie podkładek termicznych, nazywanych również termostopami (RYS. 1). Mogą one być wykonane z PVC, HPL lub innego tworzywa o grubości w przedziale 2-10 mm.

Szkielet nośny, wykonany z metalu, zastosowany na dużych powierzchniach ścian zewnętrznych, powinien zapewniać możliwość regulacji w trzech osiach. Jest to szczególnie ważne w wypadku montażu na niezbyt równych powierzchniach.

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

Elementy mocujące elewację przechodzą przez warstwę izolacji cieplnej, z reguły wykonanej z wełny mineralnej, co tworzy w takim miejscu efekt punktowego mostka cieplnego.

Łączniki wykonane są często z aluminium, a więc materiału charakteryzującego się bardzo dobrą przewodnością cieplną, co intensyfikuje proces przewodzenia ciepła i wzmacnia efekt mostka cieplnego punktowego, przy czym mostki te nie są jedynymi, jakie występują w danej konstrukcji przegrody zewnętrznej.

Pojawiają się tam jeszcze dodatkowo mostki punktowe, które powstają w miejscu mocowania izolacji cieplnej do warstwy konstrukcyjnej przez zastosowanie stalowych kotew (łączników mechanicznych).

Wpływ punktowych mostków cieplnych należy bezwzględnie brać pod uwagę w obliczaniach współczynnika przenikania ciepła w celu sprawdzania podstawowych wymagań cieplnych stawianych przegrodom zewnętrznym budynków. Współczynnik ten jest wartością skorygowaną U_C, uwzględniającą m.in. elementy mechaniczne mocujące, przechodzące przez warstwę izolacji cieplnej. Oczywiście musi on być również uwzględniany w obliczeniach wskaźników energetycznych budynku czy obliczaniu zapotrzebowania na moc grzewczą pomieszczeń.

W obliczu sukcesywnie zaostrzanych wymagań w zakresie izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych znajdowanie rozwiązań konstrukcyjnych elewacji wentylowanych, które spełniałyby nowe wymagania, stanowi duże wyzwanie dla projektantów i pole poszukiwań dla naukowców.

W artykule [1] podjęto próbę oceny wpływu punktowych mostków cieplnych powstających w efekcie przebicia stalowymi łącznikami izolacji termicznej w systemach ociepleniowych ETICS, na skorygowaną wartość współczynnika przenikania ciepła U_C.

W zależności od przyjętej metodologii obliczeniowej, w wypadku 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 niekorzystną sytuację można zaobserwować, kiedy warstwa izolacji cieplnej przebijana jest kotwami/konsolami, do których zamocowana jest konstrukcja osłonowa elewacji wentylowanej [2]. Efekt punktowego mostka cieplnego w tego rodzaju konstrukcjach omówiony został m.in. w opracowaniach [3-5].

W literaturze omawiającej systemy elewacyjne można znaleźć przede wszystkim warunki, jakie powinny spełniać poszczególne komponenty i cały system oraz warunki techniczne wykonania elewacji [6-7].

Konsole do mocowania rusztu mogą mieć obecnie długość 200-300 mm i więcej, co podyktowane jest rosnącymi wymaganiami w zakresie izolacyjności cieplnej [8].

Wyraźnie brakuje natomiast szczegółowych wytycznych projektowych elewacji wentylowanych, dotyczących parametrów niezbędnych do uwzględnienia w charakterystyce energetycznej budynku. Praktycznie nie jest możliwe uzyskanie informacji technicznych w zakresie wartości punktowych mostków cieplnych od łączników i kotew przebijający warstwę izolacji cieplnej.

W wytycznych ETAG 0034 [6] zapisano, iż opór cieplny R układu z elewacją wentylowaną należy obliczać według metodologii zawartej w normach:

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

Z przeprowadzonej w opracowaniu [5] analizy wynika, iż wartości współczynnika przenikania ciepła punktowego mostka cieplnego χ od konsoli aluminiowej uzależnione są przede wszystkim od wartości przewodności cieplnej materiału warstwy konstrukcyjnej. Z kolei przy wykorzystaniu zależności z normy PN-EN ISO 6946 wartość współczynnika χ zależy w istotnej mierze od izolacyjności cieplnej warstwy ociepleniowej.

W opracowaniu [2] porównano wyniki obliczeń współczynnika χ dzięki wykorzystaniu zależności z normy PN-EN ISO 6946 i zależności z pracy [5]. Wartości uzyskane dla identycznego układu konstrukcyjnego, wyznaczone według normy, okazały się znacznie większe niż wyznaczone w oparciu o zależność z opracowania [5]. Potwierdza to tym samym wnioski z innych opracowań dotyczących analizowanego zagadnienia na temat dużej niedokładności przy wyznaczaniu współczynnika χ dla łączników aluminiowych przy wykorzystaniu zależności z normy PN-EN ISO 6946.

Potrzebę dokładnego określania i uwzględniania w obliczeniach start ciepła mostków cieplnych punktowych w systemach elewacji wentylowanej akcentują m.in. autorzy pracy [8].

Jak znaczący może być wpływ punktowych mostków cieplnych w systemie elewacji wentylowanej, podają autorzy pracy [4]. Z ich badań wynika, iż mogą one powodować wzrost wartości współczynnika przenikania ciepła ściany U o ponad 30%.

W informacjach technicznych podawanych w aprobatach technicznych czy też materiałach informacyjnych różnych firm często zawarte są niezrozumiałe i bardzo nieścisłe dane związane z mostkami cieplnymi punktowymi. Przykładowo aprobata techniczna AT-15-9158:2013 [9] zawiera zestawienie wartości współczynnika przenikania ciepła U, czyli bez uwzględnienia punktowych mostków cieplnych, oraz z uwzględnieniem punktowych mostków cieplnych U_C, różnych rozwiązań konstrukcyjnych ściany zewnętrznej z okładziną elewacyjną przy grubości warstwy izolacji cieplnej z wełny mineralnej od 10 do 20 cm. W tych zestawieniach wartość współczynnika U_C w stosunku do wartości U wzrasta nawet o 90%.

W aprobacie podane zostały również wartość współczynnika U bez zastosowania i z zastosowaniem podkładki termoizolacyjnej pod łączniki mechaniczne.

Według aprobaty [9] podkładka termiczna o grubości 1 cm i przewodności λ = 0,07 W/(m∙K) we wszystkich przytoczonych przypadkach obniża wartość współczynnika U_C średnio o 0,05 W/(m²∙K).

W wymienionej aprobacie brak jest informacji o przyjętej w obliczeniach liczbie konsoli systemu elewacyjnego, przebijających izolację cieplną, na 1 m² przegrody. Nie wiadomo również, czy w obliczeniach poprawki na łączniki mechaniczne w wartości współczynnika U_C uwzględniono także te do mocowania wełny mineralnej.

Należy przy tym zwrócić uwagę na fakt, że na izolacyjność cieplną systemu elewacyjnego w zakresie punktowych mostków cieplnych mają wpływ:

• konsole do mocowania elementów osłonowych elewacyjnych,
• kotwy do mocowania konsoli,
• kotwy do mocowania warstwy izolacji cieplnej.

Przy czym o parametrach izolacyjności cieplnej całego układu konstrukcyjnego decydują nie tylko parametry konstrukcyjno-materiałowe konsol czy kotew, ale również właściwości przewodnicze warstwy izolacji cieplnej oraz warstwy, w której kotwiony jest element.

Projektanci niejednokrotnie nie dysponują wiarygodnymi danymi na temat wartości współczynnika przenikania ciepła punktowego mostka cieplnego. Brak również dostępności do takich narzędzi, jak katalogi lub inne wiarygodne wytyczne czy zestawienia wartości punktowego mostka cieplnego w najczęściej spotykanych rozwiązaniach konstrukcyjnych systemów elewacji wentylowanej. Wskazane byłoby stworzenie tego rodzaju narzędzi wspomagających proces projektowania, tak jak ma to miejsce w wypadku różnych opracowań, zestawień i oprogramowania komputerowego pozwalającego uwzględniać liniowe mostki cieplne w obliczeniach charakterystyki cieplnej budynku.

W opracowaniu [10] stwierdza się, iż pomijanie efektu punktowego mostka cieplnego w lekkich systemach elewacji wentylowanej prowadzi do znaczącego niedoszacowania rzeczywistych start ciepła z pomieszczeń ogrzewanych.

Mostki cieplne punktowe w systemach elewacyjnych tworzą niejednokrotnie bardzo złożone struktury i stwarzają problemy z poprawnym ich uwzględnieniem w obliczeniach przepływu ciepła. W analizowanych w pracy [11] przykładach stwierdzono, że wielkość niedoszacowania strat ciepła na przenikanie, w wypadku pominięcia wpływu punktowych mostków cieplnych, kształtuje się w przedziale 5-20%.

Dana sytuacja może mieć istotne znaczenie przy wyznaczaniu charakterystyki energetycznej budynku, która powinna być jak najlepszej jakości. Niestety, często zgłaszane są zastrzeżenia, co do dokładności opracowywania charakterystyki energetycznej w dokumentacji projektowej i poprawności świadectw charakterystyki energetycznej budynku.

Na jakość uzyskanych wyników dodatkowo wpływ mogą mieć m.in. problemy z poprawnym uwzględnianiem punktowych mostków cieplnych w obliczeniach strat ciepła. Należy mieć świadomość, że mostki cieplne w coraz większym stopniu wpływają na wartość zapotrzebowania na moc grzewczą czy wskaźniki zapotrzebowania na ciepło na potrzeby ogrzewania pomieszczeń i budynków.

Zgodnie z zatwierdzonymi na rok 2021 wymaganiami technicznymi budowlanymi, a w wypadku budynków zajmowanych przez władze publiczne oraz będących ich własnością już od 2019 roku, ściany zewnętrzne pomieszczeń z temperaturą ≥  16°C muszą charakteryzować się skorygowaną wartością współczynnika przenikania ciepła (uwzględniającą m.in. wpływ na straty ciepła łączników mechanicznych przebijających warstwę izolacji cieplnej) na poziomie U_C ≤ 0,20 W/(m²∙K); w pomieszczeniach z temperaturą w przedziale 8°C ≤ t_i < 16°C należy spełnić kryterium U_C ≤ 0,45 W/(m²∙K), a w wypadku temperatury ≤  8°C współczynnik U_C musi osiągnąć wartość ≤  0,90 W/(m²∙K) [12].

Parametry temperaturowe w miejscu konsoli mocującej

Do analizy warunków temperaturowych w obrębie konsoli i kotwy mocującej konsolę przyjęto fasadę wentylowaną (RYS. 1), przy założeniu danych technicznych zastosowanych materiałów przytoczonych w TAB. 1. Obliczenia wykonano dla przypadku zastosowania dwóch rodzajów kotwy mocującej, ze stali zwykłej i stali nierdzewnej, dwu możliwości odizolowania konsoli od podłoża, bez podkładki i z podkładką termiczną, oraz dwóch materiałów podłoża, do którego mocowana może być konsola - elementów wapienno-piaskowych i żelbetowych (RYS. 2).

W analizie szczególnie dokładnie starano się zbadać parametry temperaturowe w punktach znajdujących się na połączeniu izolacji cieplnej z podłożem oraz w miejscu mocowania konsoli mechanicznej (RYS. 3).

Analiza numeryczna została przeprowadzona w programie ­ADINA System moduł Thermal, bazującym na metodzie elementów skończonych (MES).

Model ściany zewnętrznej z elewacją wentylowaną został podzielony na części strukturalne, odpowiadające poszczególnym elementom w konstrukcji przegrody. Części strukturalne zostały zdefiniowane jako dwuwymiarowe płaskie elementy przewodzące ciepło, którym przypisano właściwości materiałowe zgodnie z TAB. 1.

Dla przyjętego modelu materiałowego przewodność cieplna i pojemność cieplna są niezależne od temperatury oraz czasu i nie wykazują żadnej zależności kierunkowej ze względu na stałe właściwości materiału.

Dla każdej grupy materiałów wygenerowano czterowęzłową siatkę elementów skończonych, co dało w sumie ponad 200 tysięcy węzłów.

W obliczeniach numerycznych przyjęto temperaturę początkową modelu równą 20°C, stałą wartość temperatury zewnętrznej θ_e = –5°C oraz stałą wartość temperatury wewnętrznej θ_i = 20°C.

Zgodnie z wytycznymi [13] przyjęto na krawędzi wewnętrznej opór przejmowania ciepła R_si = 0,13 m²∙K/W oraz na krawędzi zewnętrznej opór przejmowania ciepła R_se = 0,04 m²∙K/W.

Z uwagi na rodzaj przegrody przyjęto po stronie zewnętrznej warstwy izolacji termicznej opór przejmowania ciepła R_si = 0,13 m²∙K/W.

Symulację przepływu ciepła przeprowadzono dla 72-godzinnych kroków obliczeniowych. Obliczenia wykonano dla ośmiu modeli (TAB. 2).

Uzyskane dwuwymiarowe pola rozkładu temperatury wskazują na występujący efekt mostka cieplnego punktowego, przejawiający się wyraźnym obszarem obniżenia temperatury w miejscu mocowania kotwy w warstwie konstrukcyjnej i podwyższenia temperatury w obszarze konsoli przechodzącej przez warstwę wełny mineralnej i warstwę powietrzną (RYS. 4-5).

Porównanie rozkładu temperatury na RYS. 4-5 i RYS. 6-7 wskazuje na istotne różnice w uzyskanych rezultatach dla ściany z żelbetu i elementów wapienno-piaskowych.

W wypadku ściany żelbetowej uzyskano wyższe o ok. 3°C temperatury na końcu konsoli aluminiowej, przechodzącej z warstwy wełny mineralnej do pustki powietrznej, co wskazuje na intensywniejszy przepływ ciepła i efekt mostka cieplnego punktowego niż w wypadku ściany z elementów wapienno-piaskowych.

Mniej korzystnie kształtuje się również rozkład temperatury w warstwie konstrukcyjnej przegrody dla kotwy ze stali zwykłej. W wypadku kotwy ze stali zwykłej strefa zaburzenia pola temperatury jest szersza niż przy kotwie ze stali nierdzewnej.

Z kolei na RYS. 8-9 i RYS. 10-11 przedstawiono rozkład temperatury uzyskany dla podobnych jak wyżej układów konstrukcyjnych, z tą tylko różnicą, że zastosowana została tam podkładka termiczna pod konsolę. Podkłada ta zmienia rozkład temperatury, przede wszystkim w obrębie jej zamocowania. Zmniejsza obszar zaburzeń w przebiegu izoterm, szczególnie dobrze widoczny w wypadku ściany żelbetowej i mocowania konsoli kotwami ze stali nierdzewnej.

Przykładowe wyniki obliczeń ilustrujące zróżnicowanie wartości temperatury w punkcie P3 schematu obliczeniowego zostały zamieszczone na wykresie (RYS. 12). Wskazuje on na różnice w wartościach temperatury, związane z zastosowanym materiałem konstrukcyjnym ściany, rodzajem kotwy oraz brakiem lub występowaniem podkładki termicznej. Okazuje się przy tym, że podkładka termiczna daje największy efekt w postaci podwyższenia temperatury w analizowanym punkcie, o około 2°C, w wypadku kotew wykonanych ze stali nierdzewnej. Dla kotew ze stali zwykłej wzrost temperatury jest mniejszy, rzędu 1,2°C.

Podsumowanie

Coraz większą uwagę powinno się przykładać do zapewnienia jak najlepszej izolacyjności cieplnej przegród budowlanych, co w efekcie pozwala obniżyć zapotrzebowanie na moc grzewczą i ciepło całego budynku. Odnosi się to zarówno do budynków nowo powstających, jak i podlegających modernizacji.

Jednym z newralgicznych miejsc, niejednokrotnie nieprecyzyjnie uwzględnianych lub pomijanych w obliczeniach, są obszary tworzące mostki cieplne w przegrodzie zewnętrznej budynku. W szczególności odnosi się to do mostków cieplnych punktowych.

Według danych literaturowych wpływ mostków cieplnych punktowych na straty ciepła przenikającego przez przegrody może być znaczący, sięgający nawet kilkudziesięciu procent. Niejednokrotnie jest to związane z niedoskonałością rozwiązania konstrukcyjnego przegrody, w której występują mostki cieplne punktowe. Typem przegrody zewnętrznej, w której występują takie mostki, nie zawsze odpowiednio uwzględniane w obliczeniach, są ściany z elewacjami wentylowanymi.

Systemy przegród zewnętrznych z elewacjami wentylowanymi są coraz powszechniej stosowane. Mają one wiele zalet, jednak charakteryzują się również istotną wadą, jaką jest powstawanie efektu punktowego mostka cieplnego w miejscu przebicia izolacji cieplnej konsolami łączącymi warstwę konstrukcyjną z elewacją. Dodatkowo powstają tam mostki od mocowania warstwy izolacji cieplnej do warstwy konstrukcyjnej.

Problem ten staje się szczególnie znaczący w obliczu zaostrzających się wymagań technicznych w zakresie izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych budynków, planowanych na lata 2019 i 2021.

Zaprezentowany w artykule wycinek badań wymiany ciepła w układach konstrukcyjnych stosowanych w systemach elewacji wentylowanej wskazuje na istotne różnice w wymianie ciepła i powstawaniu efektu mostka cieplnego punktowego, w zależności od zastosowanego rozwiązania materiałowo-konstrukcyjnego mocowania konsoli układu elewacyjnego.

W obliczeniach strat ciepła przez przegrody zewnętrzne z elewacjami wentylowanymi koniecznie należy uwzględniać straty powstające w miejscu występowania punktowych mostków cieplnych.

Ponadto, należy kontynuować poszukiwania nowych rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych dla ścian z elewacjami wentylowanymi, które pozwoliłyby na zminimalizowanie efektu punktowego mostka cieplnego.

W miarę możliwości wskazane jest stosowanie do mocowania elementów elewacyjnych konsoli ze stali, w tym stali nierdzewnej, charakteryzującej się znacznie niższą przewodnością cieplną niż aluminium, powszechnie stosowanym w konsolach do lekkich systemów elewacyjnych.

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

Literatura

1. A. Ujma, "Zjawiska cieplno-wilgotnościowe uwzględniane w projektowaniu przegród budowlanych", "Izolacje" 5/2013, s. 14-19.
2. A. Ujma, "Izolacyjność cieplna ściany zewnętrznej z elewacją wentylowaną", "Izolacje" 11/12/2016, s. 86-100
3. Katalog produktów 2016. AGS sp z o.o., s. 8, Warszawa 2016.
4. J. Šadauskienė, J. Ramanauskas, L. Šeduikytė, M. Daukys, A. Vasylius, "Simplified Methodology for Evaluating the Impact of Point Thermal Bridges on the High-Energy Performance of a Passive House", "Sustainability" 2015, 7, 16  687-16  702.
5. T. Theodosioua, K. Tsikaloudakia, D. Bikas, "Analysis of the Thermal Bridging Effect on Ventilated Facades", "Procedia Environmental Sciences" 38 (2017), 397-404.
6. ETAG 034, "Zestawy do wykonywania okładzin ścian zewnętrznych".
7. K. Schabowicz, M. Szymków, "Elewacje wentylowane z płyt włókno-cementowych w ujęciu prawnym", "Izolacje" 9/2015, s. 60-64.
8. K. Schabowicz, M. Szymków, "Elewacje wentylowane z płyt włókno-cementowych na podkonstrukcji aluminiowej", "Materiały Budowlane" 9/2016, s. 28–30.
9. Aprobata techniczna AT-15-9158:2013 "Zestaw wyrobów do wykonywania wentylowanych okładzin elewacyjnych", ISOVER-EQUITONE, Instytut Techniki Budowalnej, Warszawa 2013.
10. S. Kulczewska, W. Jezierski, "Analiza rozwiązań złożonych mostków termicznych pod względem udoskonalania ich parametrów cieplnych", "Budownictwo i Architektura" 15(3) (2016), s. 99-106.
11. Theodoros G. Theodosiou, Aikaterini G. Tsikaloudaki, Karolos J. Kontoleon, Dimitrios K. Bikas, "Thermal bridging analysis on cladding systems for building façades", "Energy and Buildings" 109 (2015), s. 377-384.
12. 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).
13. PN-EN ISO 6946:2017-10, "Komponenty budowlane i elementy budynku - Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła - Metody obliczania".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!