Projektowanie ścian zewnętrznych z uwzględnieniem wymagań cieplno-wilgotnościowych od 1 stycznia 2021 r.

Projektowanie ścian zewnętrznych budynku o niskim zużyciu energii (NZEB) wymaga znajomości zagadnień z zakresu fizyki budowli, budownictwa ogólnego, materiałów budowlanych oraz przepisów prawnych w zakresie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1]. Dotyczy to w szczególności:

• właściwości technicznych materiałów budowlanych tworzących przegrody zewnętrzne i złącza budowlane,
• określenia i przyjmowania do dalszych obliczeń parametrów technicznych stosowanych materiałów budowlanych (m.in. wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)], współczynnika oporu dyfuzyjnego μ [-]) na podstawie norm przedmiotowych oraz udokumentowanych danych producentów,
• określenia parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego,
• zasad przepływu ciepła przez przegrody i ich złącza w polu jednowymiarowym (1D), dwuwymiarowym (2D) oraz trójwymiarowym (3D),
• zasad konstruowania układów materiałowych ścian zewnętrznych i ich złączy zgodnie z wymaganiami konstrukcyjnymi, przeciwpożarowymi, cieplno-wilgotnościowymi oraz akustycznymi.

Przykładowe rozwiązania konstrukcyjno­‑materiałowe ścian zewnętrznych

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.

Zmieniające się wymagania powodują, że na etapie projektowania i wykonywania pojawiają się nowe rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe ścian zewnętrznych. Najczęściej stosowanymi technologiami wznoszenia ścian zewnętrznych budynków w Polsce są technologia murowana, drewniana lub prefabrykowana.

Ściany zewnętrzne murowane jednowarstwowe (RYS. 1) stanowią mury wykonane z bloczków z betonu komórkowego, pustaków z ceramiki poryzowanej lub keramzytobetonu. Natomiast ściany zewnętrzne murowane warstwowe (RYS. 2, RYS. 3-4) składają się z:

• warstwy konstrukcyjnej,
• warstwy izolacji cieplnej,
• warstwy pustki powietrznej wentylowanej (w przypadku ścian szczelinowych),
• warstwy elewacyjnej (w przypadku ścian trójwarstwowych i szczelinowych).

Powszechnie stosowanymi materiałami do wznoszenia warstwy konstrukcyjnej są materiały ceramiczne, materiały silikatowe:

• pełne lub drążone,
• elementy betonowe, np. pustaki szalunkowe, pustaki z autoklawizowanego betonu komórkowego,
• elementy murowe z kamienia naturalnego.

Głównym zadaniem tej warstwy jest zdolność przenoszenia obciążeń z wyższych kondygnacji oraz w wyniku parcia wiatru. W przypadku znaczących obciążeń często stosuje się słupy żelbetowe (jako trzpienie).

Do grupy materiałów ściennych ceramicznych (otrzymywanych z glin ilastych, morenowych, wstęgowych, łupków, mułków oraz lessów; surowcami pomocniczymi przy produkcji ceramiki budowlanej są piasek kwarcowy, złom suszarnikowy) można zaliczyć:

• cegły budowlane zwykłe,
• cegły kratówki K1, K2, K3,
• cegły dziurawki,
• cegły modularne,
• pustaki modularne MAX, S2, U, M-44,
• pustaki do ścianek działowych,
• pustaki wentylacyjne i kominowe,
• cegły klinkierowe.

W przeszłości elementy ceramiczne (szczególnie cegła pełna) były stosowane do wykonywania jednowarstwowych ścian zewnętrznych. Izolacyjność takich przegród była bardzo niska, a współczynnik przenikania ciepła U wynosił:

• U = 1,51 W/(m²·K) dla ścian z cegły pełnej o λ = 0,77 W/(m·K), dla gr. 38 cm,
• U = 1,20 W/(m²·K) dla ścian z cegły pełnej o λ = 0,77 W/(m·K), dla gr. 51 cm,
• U = 1,28 W/(m²·K) dla ścian z cegły dziurawki o λ = 0,62 W/(m·K), dla gr. 38 cm,
• U = 1,01 W/(m²·K) dla ścian z cegły dziurawki o λ = 0,62 W/(m·K), dla gr. 51 cm,
• U = 1,18 W/(m²·K) dla ścian z cegły kratówki o λ = 0,56 W/(m·K), dla gr. 38 cm,
• U = 0,93 W/(m²·K) dla ścian z cegły kratówki o λ = 0,56 W/(m·K), dla gr. 51 cm.

Aby uzyskać poprawę efektywności wyrobów ceramicznych pod względem izolacyjności cieplnej, producenci zwiększają liczbę drążeń i parametry geometryczne. Jednak w celu zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości na ściskanie udział drążeń w wyrobach przeznaczonych na ściany zewnętrzne nie powinien przekraczać 50%.

Dodatkowe podwyższenie izolacyjności termicznej wyrobów ściennych można uzyskać przez wprowadzenie do produkcji masy ceramicznej trocin, węgla kamiennego, odprysków brykietowych, włókien celulozowych, polistyrenu w postaci kulek lub innych, w wyniku czego w czerpie pozostają otwarte pory. Tego typu wyroby określane są jako ceramika poryzowana. Ściany zewnętrzne wykonywane z takich pustaków akumulują ciepło i przepuszczają parę wodną przenikającą z wnętrza budynku, dzięki czemu w pomieszczeniach panują odpowiednie parametry mikroklimatu (temperatura, wilgotność). Jednak zamknięte pory powodują, że są bardziej kruche i nasiąkliwe niż tradycyjne materiały ścienne (np. cegła pełna). Pustaki z tzw. ciepłej ceramiki produkowane są w postaci pustaków z krawędziami bocznymi profilowanymi do połączenia na pióro i wpust.

Elementy silikatowe zgodnie z normą PN-B-12066:1998 [2] można podzielić na następujące grupy:

• według przeznaczenia:
  • – A – murowane zwykłe ze spoinami zwykłymi,
  • – B – murowane zwykłe ze spoinami pocienionymi,
  • – C – murowane na suchy styk ze spoinami poziomymi zwykłymi,
  • – D – murowane na suchy styk ze spoinami poziomymi pocienionymi,
  • – E – murowane na wpust–wypust ze spoinami poziomymi zwykłymi,
  • – F – murowane na wpust–wypust ze spoinami poziomymi pocienionymi,
• według odporności na działanie mrozu:
  • – M – odporne na działanie mrozu (do murowania ścian zewnętrznych i wewnętrznych),
  • – N – nieodporne na działanie mrozu (do murowania ścian wewnętrznych),
• według otworów i drążeń:
  • – P – pełne,
  • – D – drążone.

Z elementów wapienno-piaskowych (silikatowych) wykonuje się ściany nośne zewnętrzne i wewnętrzne, ściany działowe, przeciwpożarowe, elewacyjne, elementy małej architektury, przewody wentylacyjne. Należy podkreślić, że można z łatwością łączyć z innymi materiałami: ceramicznymi, szklanymi czy też drewnianymi i drewnopochodnymi.

Elementy betonowe produkowane jako cegły cementowe pełne i drążone. Natomiast pustaki szalunkowe są przeznaczone do wykonywania fundamentów i ścian piwnic bez deskowania. Układane na „sucho” do wysokości maks. 4 warstw. Po zazbrojeniu pionowym i poziomym pustaki wypełnia się mieszanką betonową. Oprócz pustaków z betonów cementowych z kruszywami naturalnymi są produkowane elementy z innym wypełnieniem: perlit, keramzyt, materiały drewnopochodne.

Bloczki z betonu komórkowego produkowane są w różnych odmianach, np. 500, 600 i 700. Współczynnik przewodzenia ciepła bloczków zależy od gęstości objętościowej. Bloczki nowego typu posiadają profilowane ściany boczne oraz dwa uchwyty montażowe. W budynkach wielokondygnacyjnych ściany wykonywane są często jako przegrody niejednorodne cieplnie (konstrukcja słupowa z żelbetu z wypełnieniem z bloczków z betonu komórkowego).

Naturalne materiały kamienne mają zastosowanie w częściach reprezentacyjnych obiektów budowlanych i wykonywane są z odpowiednich złóż skał magmowych, osadowych lub metamorficznych. Z kamieni naturalnych są produkowane ciosy i kształtki o regulowanych kształtach. W budynkach niskich zaleca się stosowanie bloczków z lekkiego wapienia miękkiego.

W przypadku ocieplenia ścian zewnętrznych murowanych stosuje się technologię bezspoinowego systemu ocieplenia ETICS, która 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 w postaci płyt:

• styropianowych EPS,
• ze styropianu grafitowego (szarego),
• z wełny mineralnej (skalnej),
• z pianki poliuretanowej PIR lub PUR,
• z pianki fenolowej (rezolowej).

Szczegółową charakterystykę parametrów materiałów termoizolacyjnych przedstawiono w pracach [3, 4].

W konwencjonalnym systemie ocieplającym w niektórych miejscach mogą być wprowadzane specjalne płyty lub moduły przepuszczające światło – elementy TWD (Transparente Wärmedämmung) o następujących cechach [5]:

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

Na RYS. 5 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 [5]:

• 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. 6 przedstawiono tryby izolowania i przewodzenia ciepła przez panele SWD.

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 [6]:

• ze względu na spoiwo: mineralne, silikatowe (krzemianowe), silikonowe, silikatowo-silikonowe, polimerowe (akrylowe),
• ze względu na technikę wykonywania: naciągane pacą, zacierane, cyklinowane, wytłaczane, natryskowe, nakrapiane,
• ze względu na rodzaj faktury: 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 połączona z warstwą konstrukcyjną za pomocą kotew metalowych (łączników mechanicznych) w ilości od 5 do 6 szt./m² powierzchni ściany (dobór łączników przeprowadza się na podstawie szczegółowych obliczeń). Ze względu na zamiany temperatur (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.

Na podstawie prowadzonych analiz w TAB. 1 zestawiono zalety i wady ścian w konstrukcji murowanej.

Współczesne konstrukcje ścian zewnętrznych mogą być projektowane jako fasady wentylowane, w których występują wewnątrz szczeliny powietrzne, które odprowadzają nadmierną wilgoć poza przegrodę. Fasady wentylowane mogą być wykonane w dwóch technologiach:

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

Obie technologie mogą spełniać kryterium rozwiązania energooszczędnego, zarówno przy realizacji nowych budynków, jak i przy termorenowacji budynków już istniejących. Stosowanie tych technologii nie ma praktycznie ograniczeń temperaturowych dotyczących procesu technologicznego, ponieważ nie wykonuje się prac mokrych na budowie. Szczegółową charakterystykę rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych fasad wentylowanych przedstawiono w pracach [7, 8, 9].

Budownictwo drewniane to budownictwo, w którym elementy konstrukcyjne budynku wykonane zostały z drewna litego lub drewna klejonego. Zatem do budownictwa drewnianego zaliczyć należy:

• budownictwo o lekkiej konstrukcji szkieletowej, gdzie konstrukcję wykonuje się z litych elementów drewnianych lub belek dwuteowych opartych na materiałach drewnopochodnych,
• budownictwo prefabrykowane, tzw. domy gotowe, gdzie elementy budynku przygotowywane są w zakładzie prefabrykacji, w oparciu o elementy z litego drewna,
• domy z bali, o ścianach zewnętrznych z drewna litego i klejonego, o grubości spełniającej wymagania izolacyjności cieplnej, niewymagających stosowania dodatkowej warstwy ocieplenia [10].

Ze względu na rodzaj i grubość bali (RYS. 7-9) rozróżnia się dwie podstawowe przegrody [11]:

• ściana z bali grubych, niewymagających dodatkowej izolacji, może być z drewna litego bądź klejonego (niezalecane dla budynków o niskim zużyciu energii),
• ściana z bali cienkich, niezapewniająca wymaganej izolacji cieplnej przegrodzie zewnętrzne, wymagająca dodatkowej termoizolacji o odpowiedniej grubości.

Ściany prefabrykowane jednowarstwowe i ściany warstwowe wykorzystywane są przy wykonywaniu ścian zewnętrznych w budownictwie mieszkaniowym oraz przemysłowym.

Warstwa izolacji cieplnej wykonana jest ze styropianu, polistyrenu ekskrudowanego, wełny mineralnej, pianki poliuretanowej. Zewnętrzne faktury ścian mogą być jednolite lub posiadać warstwę elewacyjną wykończoną tynkami mineralnymi, fakturą z kamienia płukanego np. z łupka jurajskiego, bazaltu lub granitu. Elewacja zewnętrzna może być także odciskiem ozdobnych matryc.

Ściany produkowane są w szerokim zakresie rozmiarów i zastosowań: do obudowy obiektów handlowych, hal przemysłowych, budynków użyteczności publicznej i mieszkaniowych, z przeznaczeniem na ściany wewnętrzne i zewnętrzne nośne, ściany szybów windowych, klatek schodowych itd.

Prefabrykaty (jednowarstwowe i wielowarstwowe) mogą posiadać otwory okienne i drzwiowe w praktycznie dowolnych rozmiarach i kształtach. W zależności od grubości prefabrykatu i przyjętego sposobu wypełniania spoin odporność ogniowa ścian do REI 240.

W budownictwie stosuje się różne technologie wznoszenia obiektów. Oprócz technologii drewnianej, murowanej czy też żelbetowej można wykonywać obiekty z płyt warstwowych.

Płyty warstwowe są nowatorskim rozwiązaniem systemów lekkiej obudowy. Zarówno płyty warstwowe ścienne, jak i dachowe są ekonomiczne oraz charakteryzują się bezpiecznym i szybkim montażem. Lekka obudowa jest trwała i zachowuje wysoką jakość przez cały okres eksploatacji. Płyty warstwowe stosowane są zarówno do obudowy hal wielkogabarytowych, o powierzchniach sięgających kilkudziesięciu tysięcy metrów kwadratowych, jak i małych przenośnych obiektów [13].

Najczęściej płyty warstwowe wytwarzane są na ciągłej linii produkcyjnej. Bezpośrednimi surowcami stosowanymi do ich produkcji są:

• blacha stalowa w kręgach przeznaczona na okładzinę zewnętrzną (dolna na linii) i wewnętrzną (górna),
• jako materiał rdzenia – komponenty systemu PUR (ewentualnie PIR), arkusze styropianu (EPS) albo lamele (ewentualnie arkusze) wełny mineralnej (WM),
• klej poliuretanowy służący do trwałego połączenia styropianu lub wełny z okładzinami.

Wybór konkretnego rozwiązania konstrukcyjno-materiałowego ścian zewnętrznych powinien być oparty na podstawie obliczeń i analiz w zakresie nośności oraz ochrony cieplno-wilgotnościowej, akustycznej i przeciwpożarowej.

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_ob), służącą projektowaniu, odpowiadająca warunkom stosowania materiału w budynku.

Procedury obliczania współczynnika przenikania ciepła Uc ścian zewnętrznych o budowie jednorodnie i niejednorodnie cieplnie według PN-EN ISO 6946:2008 [14] przedstawiono w pracach [15, 16].

Przykład obliczeniowy 1

Obliczono wartość współczynnika przenikania ciepła Uc [W/(m2·K)] dwuwarstwowej ściany zewnętrznej (RYS. 10) budynku jednorodzinnego zgodnie z procedurą normy PN-EN ISO 6946:2008 [14].

Do obliczeń 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 normy PN-EN ISO 6946:2008 [14] dla poziomego kierunku strumienia ciepła:
  • – opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody: Rse = 0,04 (m2·K)/W,
  • – opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody: Rsi = 0,13 (m2·K)/W,
• wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie tablic w pracach [15, 16].

W TAB. 2 zestawiono dane materiałowe analizowanej przegrody.

• Całkowity opór cieplny ściany zewnętrznej od środowiska do środowiska określono według wzoru:

[(m2·K)/W]

• Opór cieplny pojedynczej warstwy materiałowej ściany zewnętrznej (przegrody) obliczono według wzoru:

[(m2·K)/W]

• Wartość współczynnika przenikania ciepła U [W/(m2·K)] określono według wzoru:

W/(m2·K)

• Wartość skorygowanego współczynnika przenikania ciepła określono według równania:

Wartości poszczególnych poprawek ΔU_g, ΔU_ƒ, ΔU_r określono na podstawie następujących założeń:

• ze względu na brak występowania pustek powietrznych (płyty styropianowe ułożone na zakładkę) poprawka na nieszczelności ΔUg = 0,
• w przypadku ścian zewnętrznych poprawki ΔU_r nie uwzględnia się (ΔU_r = 0),
• wpływ łączników mechanicznych pominięto (ΔU_ƒ = 0) – łączniki mechaniczne o wartości λ_ƒ = 0,75 W/(m·K).

Zatem człon korekcyjny ΔU = 0 W/(m²·K), a wartość skorygowanego współczynnika przenikania ciepła ściany wynosi Uc = 0,18 W/(m²·K). Analizowana ściana zewnętrzna spełnia kryterium cieplne według rozporządzenia [1] obowiązującego od 1 stycznia 2021 r.:

Metody obliczeniowe w zakresie projektowania cieplnego ścian zewnętrznych

Przykład obliczeniowy 2

Obliczono całkowity opór cieplny R_T [(m²·K)/W] oraz wartość współczynnika przenikania ciepła UC [W/(m²·K)] ściany zewnętrznej budynku o układzie warstw materiałowych (ze szczeliną dobrze wentylowaną) przedstawionym na RYS. 11-13 (rzut poziomy ściany).

W analizowanej ścianie szczelinowej zaprojektowano dobrze wentylowaną warstwę powietrza gr. 4 cm – spełnia to kryterium według pkt. 5.3.4. normy PN-EN ISO 6946:2008 [14]; „całkowity opór cieplny komponentu budowlanego zawierającego dobrze wentylowaną warstwę powietrza należy obliczyć, pomijając opór cieplny warstwy powietrza i wszystkich innych warstw między warstwą powietrza a środowiskiem zewnętrznym oraz dodając zewnętrzny opór przejmowania ciepła, odpowiadający powietrzu nieruchomemu; alternatywnie może być zastosowana wartość R_si z Tablicy 1 normy”.

Kres górny całkowitego oporu cieplnego R’_T

W wyniku podziału przegrody płaszczyznami prostopadłymi do powierzchni przegrody wyodrębniono dwa zróżnicowane wycinki (sekcje): wycinek „A”, wycinek „B” o układach warstw materiałowych przedstawionych na RYS. 11-13 oraz w TAB. 3 i TAB. 4.

Pola względne wycinka „A” i „B” wyznaczono na podstawie:

• pola wycinka „A”: P_a = 0,25 m·0,465 m = 0,12 m²
• pola wycinka „B”: P_b = 0,80 m·0,465 m = 0,37 m²
• sumy pól wycinka „A” i wycinka „B”:

Pola względne zatem wynoszą:

Kres górny całkowitego oporu cieplnego R’_T określono według wzoru:

Kres dolny całkowitego oporu cieplnego R’’_T

W wyniku podziału przegrody płaszczyznami równoległymi do powierzchni przegrody wyodrębniono warstwę niejednorodną cieplnie [dwa materiały: cegła kratówka – λc.k. = 0,56 W/(m·K), żelbet –λż.= 2,00 W/(m·K)], dla której należy określić równoważoną (uśrednioną) przewodność cieplną λ’’ według wzoru:

gdzie:

ƒ_c.k. – pole względne cegły kratówki [-],

λ_c.k. – współczynnik przewodzenia ciepła cegły kratówki [W/(m·K)],

ƒ_ż. – pole względne żelbetu [-],

λ_ż. – współczynnik przewodzenia ciepła żelbetu [W/(m·K)].

Pola względne wycinka cegły kratówki i żelbetu wyznaczono na podstawie:

• pola cegły kratówki: P_c.k. = 0,80 m·0,25 m = 0,20 m²
• pola żelbetu: P_ż. = 0,25 m·0,25 m = 0,06 m²
• sumy pól betonu komórkowego i żelbetu:

Pola względne wycinków wynoszą zatem:

Równoważona (uśredniona) przewodność cieplna warstwy niejednorodnej cieplnie:

 W/(m·K)

Kres dolny całkowitego oporu cieplnego R’’_T określono według wzoru:

gdzie:

R_si – opór przejmowania ciepła na powierzchni wewnętrznej [(m2·K)/W],

R_t.g.– opór cieplny warstwy z tynku gipsowego [(m2·K)/W],

R_ż./c.k. – opór cieplny warstwy z żelbetu/cegły kratówki [(m2·K)/W],

R_w.m. – opór cieplny warstwy z wełny mineralnej [(m2·K)/W],

R_si – opór przejmowania ciepła na powierzchni wewnętrznej [(m2·K)/W].

W TAB. 5 zestawiono wyniki obliczeń.

Parametry R_T i U

Całkowity opór cieplny ściany zewnętrznej R_T (komponentu składającego się z warstw cieplnie jednorodnych i niejednorodnych) oblicza się jako średnią arytmetyczną górnego i dolnego kresu oporu cieplnego, zgodnie ze wzorem:

(m2·K)/W

Wartość współczynnika przenikania ciepła ściany zewnętrznej U wynosi:

W/(m2·K)

Wartość skorygowanego współczynnika przenikania ciepła określono według wzoru:

Wartości poszczególnych poprawek ΔU_g, ΔU_ƒ, ΔU_r określono na podstawie następujących założeń:

• ze względu na brak występowania pustek powietrznych poprawka na nieszczelności ΔU_g = 0,
• w przypadku ścian zewnętrznych poprawki ΔU_r nie uwzględnia się (ΔU_r = 0),
• ze względu na łączniki mechaniczne ze stali nierdzewnej (o średnicy 5 mm i układzie 5 szt./m²) obliczono wartość poprawki ΔU_ƒ według wzoru:

gdzie:

α = 0,8 – łącznik całkowicie przebija warstwę izolacji,

λ_ƒ = 17 W/(m·K) – kotwy ze stali nierdzewnej o średnicy 5 mm,

A_ƒ – pole przekroju jednego łącznika,

n_ƒ– liczba łączników na metr kwadratowy, n ƒ = 5 szt./m2,

d₀ = 0,20 m – grubość warstwy izolacji zawierającej łącznik,

R₁ = 5,00 (m2·K)/W – opór cieplny izolacji przebijanej przez łącznik,

R_T,h = 5,75 (m2·K)/W – całkowity opór cieplny komponentu.

Po podstawieniu do wzoru uzyskano wartość poprawki ΔU_ƒ = 0,01 W/(m2·K).

Zatem człon korekcyjny ΔU = 0,01 W/(m2·K), a wartość skorygowanego współczynnika przenikania ciepła ściany wynosi U_c = 0,19 W/(m2·K). Analizowana ściana zewnętrzna spełnia kryterium cieplne według rozporządzenia [1] obowiązującego od 1 stycznia 2021 r.

Przykład obliczeniowy 3

Obliczono rozkład temperatury w dwuwarstwowej ścianie zewnętrznej z ociepleniem usytuowanym od zewnątrz i wewnątrz (RYS. 14-15, TAB. 6 i TAB. 7).

Do określenie rozkładu temperatur w ścianie zewnętrznej przyjęto następujące założenia:

• temperatura obliczeniowa zewnętrzna (Toruń – III strefa klimatyczna: te = –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:
  – opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody: R_se = 0,04 (m²·K)/W,
  – opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody: R_si = 0,25 (m²·K)/W.

W TAB. 8 i TAB. 9 zestawiono wyniki obliczeń.

Należy podkreślić, że ocieplenie ściany zewnętrznej od wewnątrz powoduje, że jej warstwa konstrukcyjna (beton komórkowy) znajduje się w strefie przemarzania (t < 0°C). Takie zjawisko może spowodować zmianę parametrów technicznych i fizykalnych (cieplno-wilgotnościowych) analizowanej przegrody.

Przykład obliczeniowy 4

Obliczono współczynnik przenikania ciepła U_c [W/(m2·K)] warstwowych ścian zewnętrznych trójwarstwowych (RYS. 16), w zróżnicowanym układzie warstw materiałowych zgodnie z procedurą normy PN-EN ISO 6946:2008 [14].

Do obliczenia współczynnika przenikania ciepła Uc [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:
  pokoje mieszkalne, przedpokoje, kuchnie, korytarze: t_i = 20°C),
• opory przejmowania ciepła dla ściany; wartości oporów przejmowania ciepła zostały przyjęte według PN-EN ISO 6946:2008 [14] 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 załącznik do pracy [15, 16].

Wyniki obliczeń zestawiono w TAB. 10.

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.

Przykład obliczeniowy 5

Sprawdzono ryzyko występowania kondensacji międzywarstowej w ścianie zewnętrznej trójwarstwowej rozpatrywanej w dwóch wariantach.

Do obliczeń i analizy w zakresie sprawdzenia występowania kondensacji międzywarstwowej wybrano ścianę zewnętrzna trójwarstwowa, otynkowana od wnętrza, z zewnętrzną warstwą licowej cegły klinkierowej oraz płytą termoizolacyjną w środku, wykonaną alternatywnie z wełny mineralnej lub styropianu.

Na RYS. 17-18 i w TAB. 11 przedstawiono dane geometryczne i materiałowe przegrody.

Przeprowadzono podstawowe obliczenia (TAB. 12 i TAB. 13) i analizy w zakresie stanu wilgotnościowego ściany dla dwóch różnych materiałów termoizolacyjnych: wełny mineralnej i styropianu, użytych alternatywnie, przyjmując budynek w Bydgoszczy (dane meteorologiczne) z wentylacją grawitacyjną w 3/4 klasie wilgotności pomieszczeń (dla θe < 0°C → Δp = 810 Pa).

Na RYS. 19, RYS. 20, RYS. 21 i RYS. 22 przedstawiono w skali oporów dyfuzyjnych (oś pozioma) wykresy temperatury t [°C], ciśnienia pary wodnej nasyconej p_sat [Pa] oraz rzeczywistego ciśnienia cząstkowego pary wodnej p [Pa] dla dwóch przypadków termoizolacji ściany.

Wykresy p [Pa] i p_sat [Pa] przecinają się, przegroda w obu przypadkach jest zagrożona kondensacją wewnętrzną wilgoci. Występuje jedna wewnętrzna płaszczyzna kondensacji wilgoci c w styku termoizolacji z licówką (płaszczyzna międzywarstwowa 1), ciśnienie pc [Pa].

Obliczenie ilości kondensującej wilgoci w płaszczyźnie c:

• izolacja z wełny mineralnej:

w okresie miesiąca g(m) = 30·24·3600·559·10–10 = 0,145 kg/m2

• izolacja ze styropianu:

w okresie miesiąca g(m) = 30·24·3600·120·10–10 = 0,031 kg/m2

Rezultaty obliczeń wskazują na fakt gromadzenia się wewnątrz przegrody (dla obu rodzajów termoizolacji) wilgoci kondensacyjnej. Nie można jednak odpowiedzieć na pytanie, czy bilans roczny wilgoci wykaże możliwość wysuszenia przegrody w okresie letnim, co jest koniecznym warunkiem jej akceptacji technicznej. Należy przeprowadzić dalsze analizy i obliczenia w tym zakresie.

Podsumowanie i wnioski

W artykule przedstawiono zasady projektowania ścian zewnętrznych i ich złączy spełniających prawne wymagania cieplno-wilgotnościowe obowiązujące od 1 stycznia 2021 roku z uwzględnieniem wytycznych budownictwa niskoenergetycznego. Osiągnięcie wartości współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m2·K)] poniżej wartości granicznej polega określeniu odpowiedniej grubości materiału termoizolacyjnego oraz poprawnym jego usytuowaniu. Należy jednak zwrócić uwagę także na odpowiednie kształtowanie układów materiałowych złączy budowlanych (połączenie dwóch lub trzech przegród w węźle), określanych także w literaturze jako mostki cieplne (mostki termiczne). Dobór materiałów, szczególnie termoizolacyjnych, powinien uwzględniać innowacyjne rozwiązania pozwalające na optymalizację (minimalizację) ich grubości.

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-B-12066:1998, „Wyroby budowlane silikatowe. Cegły, bloki, elementy”.
3. M. Wesołowska, K. Pawłowski, „Aspekty związane z dostosowaniem obiektów istniejących do standardów budownictwa energooszczędnego”, Agencja Reklamowa TOP, Włocławek 2016. Praca wydana w ramach projektu finansowanego ze środków funduszy norweskich i środków krajowych.
4. K. Pawłowski, „Innowacyjne rozwiązania materiałów termoizolacyjnych w aspekcie modernizacji budynków w Polsce”, „IZOLACJE” 3/2018, s. 48–64.
5. D. Christoffers, U. Tron, „Transparente wärmedämmungen mit integrierter prismenscheibe zur saisonalen verschattung – Ausführungsbeispiele Vakunumdämmung“, BINE Informationsdiens, projektinfo 4/01.
6. M. Gaczek, S. Fiszer, „Tynki” [w:] „XVIII Ogólnopolska Konferencja Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji”, Ustroń 2003.
7. K. Schabowicz, „Elewacje wentylowane. Technologia produkcji i metody badania płyt włóknisto-cementowych”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2018.
8. K. Pawłowski, „Fasada wentylowana jako nowoczesna elewacja budynków niskoenergetycznych”, „IZOLACJE” 2/2017, s. 62–65.
9. K. Pawłowski, „Elewacje wentylowane w budynkach energooszczędnych”, „Przewodnik projektanta” 3/2019, s. 38–41.
10. F. Lewandowski, „Analiza numeryczna parametrów cieplnych przegród zewnętrznych i ich złączy budynku z bali drewnianych”, praca magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Pawłowskiego, UTP w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2013.
11. W. Nitka, „Mój dom z drewna”, Centrum Informacyjne Lasów Państwowych, Warszawa 2010.
12. P. Markiewicz, „Budownictwo ogólne dla architektów”, Wydawnictwo ARCHI-PLUS, Kraków 2011.
13. P. Tokarz, „Płyty warstwowe w systemach lekkiej obudowy budynków”, „IZOLACJE” 2/2012, s. 24–26.
14. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
15. K. Pawłowski, „Projektowanie ścian w budownictwie energooszczędnym. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe ścian zewnętrznych i ich złączy w świetle obowiązujących przepisów prawnych”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2017.
16. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2016.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!