Kształtowanie układów materiałowych przegród zewnętrznych i ich złączy w aspekcie cieplno-wilgotnościowym – studium przypadku

Energochłonność całego budynku określa się za pomocą wskaźnika zapotrzebowania na ciepło do ogrzania budynku [kWh/(m²·rok)].

Według Krajowego planu działań [2] przez „budynek o niskim zużyciu energii” należy rozumieć budynek spełniający wymogi związane z oszczędnością energii i izolacyjnością zawarte w przepisach techniczno-użytkowych, o których mowa w art. 7 ust. 1 pkt 1 ustawy – Prawo budowlane [3], tj. w szczególności w dziale X oraz załączniku do rozporządzenia zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], obowiązujące od 1 stycznia 2021 r. (w przypadku budynków zajmowanych przez władze publiczne oraz będących ich własnością – od 1 stycznia 2019 r.).

Na podstawie prowadzonych analiz i obliczeń projektowych określono podstawowe grupy czynników w zakresie klasyfikacji budynków w standardzie niskoenergetycznym:

• architektura budynku: usytuowanie budynku względem stron świata, zwarta bryła budynku (minimalny współczynnik kształtu A/V), wielkość i usytuowanie przegród przezroczystych, rozmieszczenie pomieszczeń, geometria dachu,
• rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe przegród budowlanych i ich złączy: stosowanie materiałów wysokiej jakości, stosowanie nowoczesnych materiałów izolacyjnych, np. płyt z pianek poliuretanowych, aerożeli, paneli próżniowych, izolacji transparentnych, szkoła projektowania złączy budowlanych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym z zastosowaniem narzędzi numerycznych,
• izolacyjność termiczna przegród budowlanych: grubość izolacji cieplnej niekiedy powyżej 25–30 cm, uzyskanie wartości współczynnika przenikania ciepła U  ≤  0,10 W/(m²·K) dla przegród nieprzezroczystych oraz U  ≤  0,90 W/(m²·K) dla przegród przezroczystych,
• rodzaj i sprawność systemu wentylacji: wentylacja hybrydowa lub mechaniczna z odzyskiem ciepła, wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła i gruntowym wymiennikiem ciepła, wysoka sprawność systemu (powyżej 70%),
• rodzaj i sprawność systemu c.o. i c.w.u.,
• zastosowanie alternatywnego (nieodnawialnego) źródła energii, jak energia słoneczna, energia wiatru, energia geotermalna,
• system zarządzania budynkiem, który pozwala również sterować produkcją energii.

Rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1] wprowadziło od 1 stycznia 2021 r. nowe (ostateczne) wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej poprzez zaostrzenie wymagań w zakresie wartości granicznych współczynnika przenikania ciepła U_C(max) [W/(m²·K)] przegród zewnętrznych oraz wartości granicznych wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP [kWh/(m²·rok)] całego budynku.

W rozporządzeniu tym nie sformułowano jednak wymagań w zakresie ograniczenia strat ciepła przez złącza przegród zewnętrznych. Są to mostki cieplne (termiczne), tzw. słabe miejsca, w których występuje:

• zwiększony przepływ strumienia cieplnego przez złącze, co wpływa na wzrost wartości wskaźnika EU, EK, a w ostateczności EP [kWh/(m²·rok)],
• obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody, co prowadzi do ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej (ryzyka rozwoju grzybów pleśniowych).

Należy podkreślić także, że w praktyce projektowej i wykonawczej budynków niskoenergetycznych wprowadzono przez NFOŚiGW [4] w odniesieniu do mostków cieplnych budynków w standardzie NF40 oraz NF15 wartości graniczne liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_max [W/(m·K)].

Wymagania cieplne i energetyczne dotyczące budynków niskoenergetycznych, które będą podlegały dofinansowaniu z NFOŚiGW, są bardziej zaostrzone niż wymagania rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1]. Niezbędne staje się więc opracowanie wytycznych projektowych w zakresie kształtowania układów materiałowych przegród zewnętrznych i złączy budynków w aspekcie wymagań cieplno-wilgotnościowych.

Na podstawie przeprowadzonych badań własnych opracowano algorytmy obliczeniowe w formie metod inżynierskich, prezentowane w pracach „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle nowych warunków technicznych dotyczących budynków WT 2013” [5], „Efektywność zewnętrznych przegród budowlanych i ich złączy w aspekcie cieplno-wilgotnościowym” [6] oraz „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle nowych warunków technicznych dotyczących budynków” [7], a także algorytm postępowania w zakresie kształtowania układów materiałowych złączy budowlanych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym (RYS.).
Z tego powodu niezwykle ważne staje się poprawne wykonywanie szczegółowych obliczeń i analiz numerycznych w procesie projektowym, które powinny być podstawą do wyboru rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych przegród zewnętrznych i ich złączy.

Przykład obliczeniowy

Obliczono parametry fizykalne (cieplno-wilgotnościowe) połączenia ściany zewnętrznej z oknem w przekroju przez ościeżnicę w kilku wariantach obliczeniowych (TABELA 1):

• rozwiązanie I (brak węgarka w postaci izolacji cieplnej),
• rozwiązanie II (zastosowanie węgarka – ocieplenie przedłużone na ościeżnicę),
• rozwiązanie III (ościeżnica przesunięta w kierunku ocieplenia).

W ramach przykładu obliczeniowego przedstawiono wyniki przykładowych obliczeń numerycznych przy zastosowaniu programu komputerowego.

Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

• modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami prezentowanymi w normie PN-EN ISO 10211:2008 [8],
• opory przejmowania ciepła (R_si, R_se) przyjęto zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:2008 [9] przy obliczeniach strumieni cieplnych oraz według normy PN-EN ISO 13788:2003 [10] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego ƒ_Rsi,
• 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 pracy „Fizyka cieplna budowli w praktyce. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe” [11] oraz „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle nowych warunków technicznych dotyczących budynków WT 2013” [5].

W analizowanych przypadkach złączy budowlanych zastosowano stolarkę okienną o zmiennej wartości współczynnika przenikania ciepła U_w [W/(m²·K)] oraz ścianę zewnętrzną dwuwarstwową ze zróżnicowaną warstwą konstrukcyjną (bloczek z betonu komórkowego lub cegła pełna) i warstwą izolacji cieplnej (płyty styropianowe lub płyty z pianki poliuretanowej PIR) o zmiennej grubości. W TABELACH 2–4 zestawiono wyniki obliczeń parametrów fizykalnych złączy budowlanych przeprowadzonych przy zastosowaniu programu komputerowego.

Usytuowanie ościeżnicy okiennej przesuniętej na ocieplenie pozwala na otrzymanie najmniejszych strat ciepła.

Należy zauważyć, że przedłużenie ocieplenia na ościeżnicę powoduje, że temperatura na wewnętrznej powierzchni przegrody (w miejscu połączenia ściany zewnętrznej z ościeżnicą) jest wyższa niż w przypadku braku izolacji na ościeżnicy. W przypadku tego typu złączy bardzo zasadne staje się określenie gałęziowych współczynników przenikania ciepła, osobno dla części ściany zewnętrznej Ψ_śc. [W/(m·K)] i dla części okna Ψ_O [W/(m·K)], ponieważ pozwala to na określenie dodatkowych strat ciepła dla ściany zewnętrznej i okna.

Wykonanie szczegółowych obliczeń przy zastosowaniu programu komputerowego pozwala na uzyskanie miarodajnych wyników parametrów cieplno-wilgotnościowych. Ich wartości zależą od zastosowanego materiału budowlanego (konstrukcyjnego), rodzaju i grubości izolacji cieplnej oraz ukształtowania struktury materiałowej analizowanego złącza. Posługiwanie się wartościami przybliżonymi i orientacyjnymi, np. w oparciu o PN-EN ISO 14683:2008 [12], staje się nieuzasadnione, ponieważ nie uwzględniają one zmiany układów materiałowych oraz rodzaju i grubości izolacji cieplnej.

W TABELI 5 zestawiono wyniki liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_i [W/(m·K)] według normy PN-EN ISO 14683:2008 [12] oraz obliczeń własnych.

Analizowane złącza spełniają tylko wymagania standardu budynku energooszczędnego NF40 stawiane przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej [4], które dotyczą maksymalnej wartości współczynnika Ψ_max [W/(m·K)] w celu zmniejszenia strat ciepła. Jednak przy ocenie strat ciepła należy przeanalizować także inne parametry Φ (wielość strumienia cieplnego przepływającego przez złącze) [W] lub L2D (współczynnik sprzężenia cieplnego) [W/(m·K)] odzwierciedlające straty ciepła przez złącze.

Szczególne znaczenie ma poprawne zaprojektowanie złączy przegród zewnętrznych w zakresie zminimalizowania strat ciepła oraz wyeliminowania ryzyka kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody.

Na podstawie wartości czynnika temperaturowego ƒ_Rsi można stwierdzić, że w analizowanych złączach nie występuje ryzyko rozwoju grzybów pleśniowych. We wszystkich analizowanych złączach zachowany jest warunek uniknięcia kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody (ryzyka rozwoju grzybów pleśniowych) ƒ_Rsi ≥ ƒ_Rsi(kryt.).

Wartość graniczna (krytyczna) czynnika temperaturowego, z uwzględnieniem parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego analizowanych wariantów obliczeniowych wynosi ƒ_Rsi(kryt.) = 0,785.

Aby poprawnie ukształtować strukturę materiałową złączy budowlanych przegród zewnętrznych, należy każdorazowo uwzględniać zmienne parametry powietrza zewnętrznego i wewnętrznego odpowiadające rzeczywistemu usytuowaniu i użytkowaniu budynku. Istnieje więc potrzeba prowadzenia dalszych badań i obliczeń zarówno dla złączy dwu-, jak i trójwymiarowych (przestrzennych).

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2013 r., poz. 926). Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 8 kwietnia 2019 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2019 r., poz. 1065).
2. Uchwała Rady Ministrów z dnia 22 czerwca 2015 r. w sprawie przyjęcia „Krajowego planu mającego na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii”.
3. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (DzU z 2013 r., poz. 1409, ze zm.).
4. Wymagania określające podstawowe wymogi niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkalnych oraz sposób weryfikacji projektów i sprawdzania wykonywanych domów energooszczędnych, strona internetowa: www.nfosigw.gov.pl.
5. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle nowych warunków technicznych dotyczących budynków WT 2013”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2013.
6. K. Pawłowski, „Efektywność zewnętrznych przegród budowlanych i ich złączy w aspekcie cieplno-wilgotnościowym” [rozprawa doktorska], Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2008.
7. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle nowych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2016, s. 198.
8. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
9. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
10. PN-EN ISO 13788:2003, „Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej umożliwiająca uniknięcie krytycznej wilgotności powierzchni wewnętrznej kondensacji. Metody obliczania”.
11. A. Dylla, „Fizyka cieplna budowli w praktyce. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe”, PWN, Warszawa 2015.
12. PN-EN ISO 14683:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!