Projektowanie ocieplenia w obrębie dylatacji budynków

Modelowanie dwuwymiarowego przepływu ciepła w detalach budowlanych można wykonać za pomocą programów numerycznych. Analizy wykonywane przy użyciu takiego oprogramowania umożliwiają obliczenie gęstości strumienia ciepła i określenie pola temperatury w przegrodzie.

Obliczenia dwuwymiarowego przepływu ciepła bazują na metodzie elementów skończonych, co umożliwia modelowanie skomplikowanych geometrycznie przekrojów architektoniczno-budowlanych. Wykonanie obliczenia dla dowolnego detalu z zachowaniem wymagań, co do jego geometrii pozwala na obliczenie częściowych współczynników przenikania ciepła oraz liniowego współczynnika przenikania ciepła.

Ustalenie temperatury w dowolnym punkcie węzłów siatki elementu dwuwymiarowego w tym w dowolnym miejscu brzegu wewnętrznego pozwala z kolei na obliczenie czynnika temperaturowego ƒ_Rsi. Wymagania dotyczące stanu ochrony cieplnej ścian przydylatacyjnych są praktycznie jedynym wymaganiem zawartym w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1]. W przypadku budynków poddawanych ociepleniu przegród zewnętrznych projektant, dobierając rozwiązania materiałowe dla szczeliny dylatacyjnej, w zasadzie zdaje się na własną intuicję i doświadczenie. Często o ociepleniu dylatacji decydują względy technologiczne, tj. szerokość szczeliny i związana z nią możliwość wykonania materiału termoizolacyjnego.

Przy występowaniu dylatacji o małej szerokości, tj. do około 5 cm, zabieg ocieplenia jest technicznie trudny lub w zasadzie niemożliwy do wykonania przy użyciu materiału w postaci sztywnych płyt termoizolacyjnych. Dodatkowo w praktyce inżynierskiej sporadycznie stosuje się profile dylatacyjne nakładane na taśmę rozprężną, z kilku dość znanych powodów: taśma ta jest stosunkowo droga, a jej wstawienie w wąską szczelinę wymaga sporej dokładności wykonawczej. Z punktu widzenia rozwiązań projektowych taśmy tej na ogół nie ma w nowo projektowanym systemie ociepleń.

Dylatacje o średniej szerokości, tj. 5-25 cm, stanowią problematyczny element ocieplenia ściany. Dylatacje takie czasami ocieplane są przy wykorzystaniu wełny mineralnej, styropianu, a także technologią zasypywania materiałem z włókien celulozowych.

Szczeliny dylatacyjne o szerokości powyżej 25 cm występują w wielu przypadkach pomiędzy budynkami wznoszonymi na terenach tzw. szkód górniczych, w budynkach wznoszonych w systemach wielkopłytowych. Poprawne ocieplenie takich szczelin dylatacyjnych jest znacznie mniejszym problemem technologicznym. W projektach ociepleń budynków, w których takie dylatacje występują praktycznie ma rozwiązań detali architektonicznych oraz szczegółowych obliczeń. Występują też przypadki, kiedy jedynym elementem ocieplonym w budynku jest właśnie dylatacja (FOT.).

Stan ochrony cieplnej dylatacji należy rozpatrywać pod kątem zarówno izolacyjności cieplnej ściany zewnętrznej, jak i ściany przydylatacyjnej. Pierwszym wyznacznikiem jakości cieplnej dylatacji zdaniem autorów winien być bezwymiarowy wskaźnik ƒRsi, wyznaczany zgodnie ze wzorem [2]:

gdzie:

θ_si - temperatura w miejscu połączenia ściany zewnętrznej ze ścianą przydylatacyjną,

T_e, T_i - temperatura powietrza zewnętrznego i wewnętrznego.

Proponowany drugim wyznacznikiem jakości cieplnej ścian w obrębie szczelin dylatacyjnych, powinna być temperatura w miejscu połączenia ściany przydylatacyjnej ze ścianą zewnętrzną. Ocena stanu ochrony cieplnej winna być wykonywana dla każdego projektowanego przypadku oddzielnie.

W celu przeprowadzenia analizy stanu ochrony cieplnej budynków, w aspekcie projektowanych dylatacji, na potrzeby przykładowej oceny izolacyjności termicznej dylatacji wytypowano trzy rodzaje szczelin dylatacyjnych:  

• małą, o szerokości między ścianami szczytowymi <  5 cm, 
• średnią, o szerokości między ścianami szczytowymi 25 cm, 
• dużą, o szerokości między ścianami szczytowymi 50 cm.

Jako przegrodę zewnętrzną wybrano ścianę trójwarstwową w typowym systemie wielkopłytowym.

Ocena ochrony cieplnej dylatacji - założenia do obliczeń

Budowa przegrody: ściana zewnętrza trójwarstwowa:

• beton fakturowy d = 0,06 cm, λ = 1,60 W/(m·K),
• wełna mineralna d = 0,06 cm, λ = 0,050 W/(m·K),
• beton konstrukcyjny d = 0,08 cm, λ = 2,40 W/(m·K),
• ocieplenie zewnętrzne metodą ETICS: styropian EPS d = 0,16 cm, λ = 0,04 W/(m·K),
• wypełnienie złącza pionowego 0 olkit λ = 0,25 W/(m·K),

• szczelina dylatacyjna zamknięta blachą stalową powlekaną o grubości 0,6 mm.

Całkowity współczynnik przenikania ciepła dla ściany zewnętrznej U = 0,184 W(m²·K).

Do obliczeń przyjęto następujące warunki brzegowe:

• temperatura zewnętrza t_e= –20°C,
• temperatura wewnętrzna t_i= +20°C.

Na potrzeby obliczeń pola temperatury ściany przyjęto zgodnie z normą [2] opór przejmowania ciepła R_si= 0,25 m²·K/W.

Obliczenia wykonane zostały przy użyciu programu Psi-Term, zgodnym z wytycznymi zawartymi w normie [2]. Wyniki obliczeń przedstawiono w formie graficznej i tabelarycznej. Przykładowy schemat obliczeniowy pokazano na RYS. 1.

Na RYS. 2 widoczna jest założona siatka MES. Barwy odzwierciedlają pole temperatur w przekroju zgodnie z dołączoną skalą. Na każdym rysunku pokazano temperatury w charakterystycznych miejscach przekroju. Strzałki U1, U2 oznaczają, że wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła będzie liczona jak dla zewnętrznego systemu wymiarowania elementu.

Do obliczeń przyjęto kilka zróżnicowanych wariantów:

• Wariant I - zakłada niewielką szczelinę dylatacyjną o szerokości 3 cm. W wariancie tym rozpatrywano przypadek dodatkowego zastosowania taśmy rozprężnej przy zamknięciu dylatacji:
  • W.I.1. Szczelina dylatacyjna mała, zamknięta profilem dylatacyjnym, bez taśmy rozprężnej (RYS. 2).
  • W.I.2. Szczelina dylatacyjna z taśmą rozprężną o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,025 W/(m·K) (RYS. 3).
• Wariant II- dotyczy ocieplonej i nieocieplonej szczeliny dylatacyjnej o szerokości 25 cm:

• • W.II.1. Szczelina dylatacyjna średnia - odległość między płaszczyznami ścian L = 25 cm. Zamknięcie dylatacji blachą stalową (RYS. 4).
  • W.II.2. Szczelina dylatacyjna średnia - odległość między płaszczyznami ścian L = 25 cm, ocieplona płytami ze styropianu gr. 5,0 cm, λ = 0,04 W/(m·K), na głębokość 0,5 m. Zamknięcie dylatacji blachą stalową (RYS. 5).
• Wariant III - w tym przypadku rozpatrywano dylatację o szerokości 60 cm z różnymi wariantami ocieplenia oraz bez izolacji termicznej:
  • W.III.1. Szczelina dylatacyjna duża - odległość między płaszczyznami ścian L = 60 cm. Zamknięcie dylatacji blachą stalową (RYS. 6).
  • W.III.2. Szczelina dylatacyjna duża - odległość między płaszczyznami ścian L = 60 cm, ocieplona płytami ze styropianu gr. 5,0 cm, λ = 0,04 W/(m·K), na głębokość 0,5 m. Zamknięcie dylatacji blachą stalową (RYS. 7).

• • W.III.3. Szczelina dylatacyjna duża - odległość między płaszczyznami ścian L = 60 cm, ocieplona płytami ze styropianu gr. 5,0 cm, λ = 0,04 W/(m·K), na głębokość 1,0 m. Zamknięcie dylatacji blachą stalową (RYS. 8).
  • W.III.4. Szczelina dylatacyjna duża - odległość między płaszczyznami ścian L = 60 cm, ocieplona płytami ze styropianu gr. 16,0 cm, λ = 0,04 W/(m·K), na głębokość 1,0 m. Zamknięcie dylatacji blachą stalową (RYS. 9).

Wszystkie uzyskane wyniki zestawiono w TABELI oraz na RYS. 10 i RYS 11.

Wartości obliczeniowe liniowego mostka cieplnego Ψ_e/2, obliczone jak dla wymiarowania wewnętrznego, pokazano na RYS. 10.

Podsumowanie

W obliczeniach nie ujęto możliwości dodatkowego wychładzania fragmentów przylegających do zamknięcia dylacji blachami przez działanie wiatru.

Dylatacje w budynkach segmentowych stanowią silne mostki liniowe i powodują lokalne wychłodzenie naroży przylegających do szczeliny dylatacyjnej. Zastosowanie taśmy rozprężnej jako dodatkowej izolacji cieplnej daje bardzo dobre efekty z punktu widzenia ochrony budynku przed niekontrolowaną infiltracją powietrza.

W odniesieniu do analizowanej szczeliny dylatacyjnej o szerokości 3 cm taśma rozprężna nieznacznie podwyższyła temperaturę naroża w budynku o 0,15°C. Dla szczeliny dylatacyjnej średniej, gdzie założona odległość między płaszczyznami ścian wynosi 25 cm, różnica temperatury na wewnętrznej powierzchni ścian w narożu pomiędzy dylatacją nieocieploną a dylatacją ocieploną płytami ze styropianu gr. 5,0 cm, λ = 0,04 W/(m·K), wprowadzonymi na głębokość 0,5 m, wynosi 1,63°C.

W przypadku szczeliny dylatacyjnej dużej, gdzie odległość między płaszczyznami ścian wynosi 60 cm, różnica temperatury wewnętrznej powierzchni naroża pomiędzy dylatacją nieocieploną a dylatacją ocieploną płytami ze styropianu gr. 5,0 cm, λ = 0,04 W/(m·K), wprowadzonymi na głębokość 0,5 m, wynosi 2,11°C. Zwiększenie głębokości wprowadzenia izolacji termicznej na odległość 1,0 m powoduje wzrost temperatury na powierzchni ściany w narożu o kolejne 0,37°C.

Zastosowanie izolacji termicznej ściany przydylatacyjnej o oporze cieplnym analogicznym jak dla ściany zewnętrznej, tj. o gr. 16 cm, skutkuje podniesieniem temperatury na wewnętrznej powierzchni ścian naroża o 1,20°C w stosunku do izolacji cieplnej ze styropianu gr. 5 cm.

Brak jakiegokolwiek wykonania ocieplenia ścian przydylatacyjnych o szerokość dylatacji wynoszącej 60 cm wykazuje obniżenie temperatury w narożu ściennym prawie o 4°C w stosunku do nieocieplonej dylatacji o szerokości 3 cm. Tego typu różnice mogą powodować kondensację pary wodnej na wewnętrznej powierzchni ścian, a w konsekwencji zawilgocenie i porażenie mykologiczne przegród budowlanych.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002 r. nr 75, poz. 690, z poźn. zm.).
2. PN-EN ISO 10211:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!