Ocieplenie ścian zewnętrznych płytami styropianowymi – wybrane aspekty projektowe

Ściana zewnętrzna stanowi sztuczną przegrodę pomiędzy otoczeniem zewnętrznym (o zmiennej temperaturze i wilgotności) a wnętrzem (o określonej temperaturze i wilgotności). W pomieszczeniach przeznaczonych na stały pobyt ludzi powinny być zapewnione użytkownikom odpowiednie warunki w zakresie:

• nośności konstrukcji,
• ochrony cieplno-wilgotnościowej,
• ochrony przed zmiennymi warunkami klimatycznymi: zmiana temperatur, deszcz, wiatr,
• ochrony przed hałasem,
• ochrony przeciwpożarowej,
• walorów architektonicznych i estetycznych.

W artykule przedstawiono procedury w zakresie projektowania cieplnego ścian zewnętrznych z zastosowaniem zróżnicowanych materiałów termoizolacyjnych w aspekcie wymagań cieplnych według rozporządzenia [1], obowiązujących od 1 stycznia 2021 r.

Dobór materiału termoizolacyjnego do ścian zewnętrznych

W przypadku ścian warstwowych murowanych, aby uzyskać odpowiednią izolacyjność cieplną w postaci współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] należy dobrać rodzaj i odpowiednią grubość termoizolacji, która powinna charakteryzować się:

• 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.

Do wykonania ścian zewnętrznych jako izolację termiczną stosuje się najczęściej:

• fasadowe płyty styropianowe (białe, grafitowe, nazywane także szarymi,  
• zespolone – połączenie styropianu szarego z białym),
• fasadowe płyty z wełny mineralnej
• oraz materiały uzupełniające, przeznaczone do ocieplenia cokołowej i podziemnej części ściany w postaci płyt polistyrenowych o zmniejszonej nasiąkliwości.

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

Istnieją także płyty styropianowe modyfikowane grafitem, nazywane szarym styropianem, charakteryzującym się lepszą izolacyjnością cieplną o szarosrebrzystym kolorze.

Płyty izolacyjne, tzw. styropian grafitowy, mogą być stosowane zarówno do ocieplania całej elewacji, jak i tylko w przypadku wybranych elementów (loggii i balkonów). Izolacja wykonana z szarego styropianu ma znacznie mniejszą grubość od popularnych i tradycyjnych płyt styropianowych. Jednak często przy ociepleniu ścian zewnętrznych można zaobserwować wiele dokuczliwych problemów, będących skutkiem zjawiska „przegrzewania”, typowego dla szarego styropianu.

Jako odpowiedź na problem „przegrzewania” szarego EPS pojawiły się na rynku płyty styropianowe składające się z dwóch różnych rodzajów styropianu, zespolonych w jedną płytę (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. 1–2 przedstawiono przykładowe płyty styropianowe powszechnie stosowane w budownictwie.

Przy doborze płyt styropianowych EPS w systemie dociepleń ETICS należy uwzględnić szczególnie następujące parametry:

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

Metody obliczeniowe w zakresie projektowania cieplnego ścian zewnętrznych

Przenikanie ciepła w budynkach może być przeprowadzone przy podziale struktury na typowe przegrody: ściany zewnętrzne, okna, drzwi, podłogi, dachy, w odniesieniu do których straty ciepła można obliczać oddzielnie na podstawie jednowymiarowego modelu przepływu ciepła, przy założeniu jednorodnej struktury przegrody, złożonej z równoległych warstw, do których strumień cieplny jest prostopadły.

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

Projektowanie przegród budowlanych wymaga uwzględnienia klimatu miejscowego, jaki panuje w otoczeniu budynku oraz mikroklimatu pomieszczeń. Największy wpływ na kształtowanie właściwości cieplno-wilgotnościowych przegród mają:

• temperatura,
• wilgotność względna,
• natężenie promieniowania słonecznego.

Zdolność materiału do przewodzenia ciepła jest określana przy pomocy współczynnika przewodzenia ciepła – λ [W/(m·K)]. Jest to ilość ciepła przewodzonego w jednostce czasu przez 1 m² powierzchni przegrody o grubości 1 m przy różnicy temperatur powierzchni po obu stronach przegrody, równej 1 K, w jednostce czasu.

W normalizacji wprowadzono dwa pojęcia odnoszące się do wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów (lub oporu cieplnego komponentów):

• wartość deklarowaną (λ_D), służącą kontroli jakości produkcji, odpowiadająca warunkom laboratoryjnym,
• wartość obliczeniową (λ_obl.), służącą projektowaniu, odpowiadająca warunkom stosowania materiału w budynku.

Bardzo istotne jest 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 [2].

W ścianach dwuwarstwowych stosuje się łączniki mechaniczne wykonane z tworzyw sztucznych, natomiast w przypadku ścian trójwarstwowych i szczelinowych wykonane ze stali lub stali nierdzewnej. Procedurę uwzględniania wpływu łączników mechanicznych (ΔU_ƒ) na wartość współczynnika przenikania ciepła U_c przedstawia norma PN-EN ISO 6946:2008 [2].

Procedury obliczania współczynnika przenikania ciepła U_c ścian zewnętrznych o budowie jednorodnie i niejednorodnie cieplnej według PN-EN ISO 6946:2008 [2] przedstawiono w pracach [3, 4].

Aby sprawdzić podstawowe kryterium cieplne: U_c  ≤  U_cmax, wynikające z przepisów rozporządzenia [1], należy obliczyć współczynnik przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] przegrody zewnętrznej zgodnie z procedurą normy PN-EN ISO 6946:2008 [2], a następnie porównać z wartością maksymalną podaną w rozporządzeniu [1].

Do analizy wybrano ściany zewnętrzne dwuwarstwowe (RYS.) o zróżnicowanym układzie warstw materiałowych.

Do obliczenia współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] przyjęto następujące założenia:

• temperatura obliczeniowa zewnętrzna (Toruń – III strefa klimatyczna): t_e = –20°C,
• temperatura obliczeniowa wewnętrzna (pomieszczenia przeznaczone do przebywania ludzi bez okryć zewnętrznych niewykonujących w sposób ciągły pracy fizycznej: pokoje mieszkalne, przedpokoje, kuchnie, korytarze): t_i = 20°C,
• opory przejmowania ciepła dla ściany; wartości oporów przejmowania ciepła zostały przyjęte według [2] dla poziomego kierunku strumienia ciepła:
  –    opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody: R_se = 0,04 (m²·K)/W,
  –    opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody: R_si = 0,13 (m²·K)/W,
• wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie tablic w załączniku do pracy [3],
• poprawkę wynikającą z nieszczelności w warstwie izolacji cieplnej na poziomie ΔUg = 0,
• poprawkę uwzględniającą wpływ łączników mechanicznych na poziomie ΔU_ƒ = 0 [łączniki z tworzywa sztucznego o współczynniku λ <  1,00 W/(m·K)].

Wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła Uc [W/(m2·K)] dla ścian zewnętrznych dwuwarstwowych zestawiono w TABELI.

Istotny wpływ na wartość współczynnika przenikania ciepła przegrody budowlanej U_c [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.

W obliczeniach różnicowano grubość warstwy izolacji cieplnej i wartość współczynnika przewodzenia ciepła materiału izolacyjnego λ [W/(m·K)]. Dodatkowo zamieszczono poziomy wymagań co do izolacyjności cieplnej U_c(max) [W/(m²·K)] według rozporządzenia [1], obowiązujące od 1 stycznia 2021 r.

Podsumowanie i wnioski

Projektowana jakość cieplna ścian zewnętrznych izolowanych z płyt styropianowych zależy od wielu czynników zewnętrznych i wewnętrznych. Osiągnięcie zamierzonego celu – ograniczenie dodatkowych strat ciepła przez przenikanie (minimalna wartość współczynnika przenikania ciepła U_c – TABELA) jest możliwe przez przestrzeganie wytycznych projektowych, ale także wykonawczych i eksploatacyjnych.

Analizy w zakresie poprawnego wykonywania izolacji z płyt styropianowych przedstawiono m.in. w pracach [5, 6, 7].

Zastosowanie płyt ze styropianu grafitowego (szarego) o współczynniku przewodzenia ciepła na poziomie λ = 0,031 W/(m·K) daje możliwość uzyskania współczynnika U_c poniżej wartości granicznej U_c(max) =0,20 W/(m²·K) przy mniejszej grubości niż przy zastosowaniu innych materiałów termoizolacyjnych – TABELA.

Efektywność ocieplenia przegród zewnętrznych na etapie projektowania polega doborze materiału termoizolacyjnego (rodzaj i grubość oraz usytuowanie) oraz zaprojektowaniu złączy przegród zewnętrznych (mostków cieplnych) w aspekcie cieplno-wilgotnościowym.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2017 r. poz. 2285).
2. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
3. K. Pawłowski, „Projektowanie ścian w budownictwie energooszczędnym. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe ścian zewnętrznych i ich złączy w świetle obowiązujących przepisów prawnych”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2017.
4. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2016.
5. P. Krause, „Defekty termiczne ścian pełnych z ociepleniem ETICS”, „Materiały budowlane” 9/2018, s. 66–68.
6. K. Pawłowski, „Ocieplenie ścian zewnętrznych płytami styropianowymi – wybrane aspekty wykonawcze”, „IZOLACJE” 3/2019, s. 35–40.
7. K. Pawłowski, „Czynniki decydujące o jakości wykonania izolacji z płyt styropianowych”, „IZOLACJE” 9/2019, s. 28–31.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!