Zastosowanie styropianu o obniżonej przewodności cieplnej w budownictwie i jego wpływ na detale konstrukcyjne

Zwyczajowo miejsca powiększonych strat ciepła określa się jako mostki termiczne. Wyróżnia się tzw. mostki geometryczne, wynikające m.in. z naturalnej różnicy pola powierzchni i warunków przejmowania ciepła (np. narożniki, wykusze, otwory okienne). Drugi rodzaj to mostki konstrukcyjne, projektowe i wykonawcze, wynikające z koniecznej lub błędnej przerwy izolacji termicznej, zamianie materiału izolacyjnego na przewodzący itp.

Istota problemu

Różnorodność stosowanych powszechnie materiałów termoizolacyjnych sprawia, że projektując budynek można wybrać różne technologie oraz warianty ocieplenia przegród. Wybór rodzaju materiału oraz jego grubości jest zwykle dokonywany na podstawie wymaganej wartości współczynnika przenikania ciepła U, a także kosztów inwestycyjnych.

Dość oczywista obserwacja to fakt, że użycie materiału o większej przewodności cieplnej będzie wymagało zastosowania grubszej warstwy izolacyjnej dla uzyskania zaprojektowanej wartości współczynnika U. Jeśli grubość przegrody nie ma dla inwestora znaczenia, to zwykle decydującym kryterium staje się koszt materiału.

Niewielu projektantów zastanawia się jednak nad wpływem rodzaju wybranego materiału (jego przewodności cieplnej) na dodatkowe straty cieplne, związane z występowaniem mostków termicznych. W tym przypadku wybór materiału będzie miał istotne znaczenie dla intensywności tych strat. Dodatkowo efekt ten ulega wzmocnieniu w przypadku znacznego pogrubienia warstwy standardowej izolacji termicznej w budynkach o bardzo wysokim standardzie energetycznym.

W przedstawionych dalej obliczeniach skupiono się na porównaniu detali konstrukcyjnych ocieplonych dwiema odmianami styropianu:

• grafitowego o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,031 W/(m∙K),
• tradycyjnego białego o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,044 W/(m∙K).

Przyjęto, że docelowe wartości współczynnika przenikania ciepła ściany zewnętrznej będą odpowiadać wymaganiom budownictwa pasywnego, tj. wartość współczynnika przenikania ciepła U nie może być większa niż 0,1 W/(m²∙K) dla obydwu wariantów. Przełożyło się to na znaczne grubości styropianu wynoszące:

• wariant 1: styropian grafitowy gr. 29 cm,
• wariant 2: styropian tradycyjny biały gr. 41 cm.

Obliczenia wpływu wybranego rodzaju styropianu na dodatkowe straty cieplne w miejscach mostków termicznych przeprowadzono dla kilku wybranych, typowych węzłów konstrukcyjnych w budynku jednorodzinnym.

Przedmiotem analizy jest:

• narożnik wypukły,
• nadproże okienne,
• narożnik wklęsły,
• balkon żelbetowy.

We wszystkich przypadkach obliczono wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/m∙K] po stronie wewnętrznej przegrody oraz sprawdzono, jak zmienia się ona dla obydwu wariantów ocieplenia węzła konstrukcyjnego.

Narożnik wypukły

Na RYS. 1 pokazano przekrój narożnika dla obu wariantów materiałowych oraz rozkład izoterm w tym obszarze, obliczony przy użyciu programu symulacyjnego THERM. Dobrze widoczna jest znaczna dysproporcja grubości warstw izolacji termicznej.

Przeprowadzone obliczenia (TABELA 1) wykazały, że stosując cieńszą warstwę styropianu o mniejszym współczynniku przewodzenia ciepła λ, można zmniejszyć dodatkowe straty cieplne w tym obszarze o 0,052 W/(m∙K). W ujęciu procentowym jest to niemal 10% redukcja wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ w narożniku, bez żadnych dodatkowych nakładów materiałowych.

W przypadku analizowanego detalu znaczna dysproporcja geometryczna pola zewnętrznej powierzchni obydwu wariantów jest przyczyną obserwowanej różnicy dodatkowych strat cieplnych.

Nadproże okienne

Ten detal (RYS. 2–3) generuje dużo większą zmianę liniowego współczynnika przenikania ciepła ΔΨ , zarówno w wartościach bezwzględnych, jak i procentowych (TABELA 2).

Różnice pomiędzy wariantami nie są jednak w tym przypadku spowodowane zwiększoną powierzchnią zbierania strumienia cieplnego po stronie zewnętrznej. Powodem tak dużych zmian jest obniżona wartość współczynnika przewodzenia ciepła w przypadku styropianu grafitowego w porównaniu do styropianu tradycyjnego.

W obydwu przypadkach największe straty energii występują zaraz za ramą okienną, ponieważ wektory strumienia cieplnego układają się w taki sposób, aby pokonać jak najmniejszy opór cieplny na drodze ze środowiska wewnętrznego do zewnętrznego. A więc stosując lepiej izolujący materiał w okolicy ramy okiennej, zwiększa się opór dla strumieni cieplnych, co bezpośrednio przekłada się na zmniejszenie wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła nawet o 37%. Ten sam efekt będzie miał oczywiście miejsce także wokół całego okna, a nie tylko w nadprożu.

Narożnik wklęsły

Izolacja budynku cieńszą warstwą styropianu o obniżonej przewodności cieplnej powoduje, że w niektórych węzłach konstrukcyjnych powstaje efekt odwrotny niż w poprzednich przykładach. Takim miejscem jest narożnik wklęsły. Na RYS. 4 pokazano jednocześnie obydwa warianty grubości izolacji termicznej.

Jak można zauważyć (TABELA 3), powierzchnia przejmowania strumienia cieplnego po stronie zewnętrznej w wariancie 1 jest większa niż w wariancie 2. Bezpośrednim skutkiem tej różnicy jest mniejsza wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła w przypadku detalu zaizolowanego styropianem o gorszych parametrach, ale o większej grubości.

Dodatkową, ale istotną informacją jest to, że narożnik wklęsły jest węzłem, w którym pole powierzchni przejmowania strumienia cieplnego po stronie zewnętrznej jest mniejsze niż po wewnętrznej. W efekcie stosując w przykładach konsekwentnie system wymiarowania wewnętrznego, uzyskuje się ujemne wartości liniowych współczynników przenikania ciepła.

W tym przypadku korzystniejszy jest wariant 2 (większa wartość ujemna), w którym zastosowano grubszą warstwę izolacji termicznej. Warto jednak dodać, że narożniki wklęsłe w budynkach są stosunkowo rzadko stosowane, podczas gdy narożniki wypukłe występują w każdym budynku i mają duże długości.

Balkon żelbetowy

Bardzo często występującym detalem w budynkach mieszkalnych jest balkon żelbetowy. Pomimo prawidłowego zaprojektowania ocieplenia płyty balkonowej, zgodnie ze sztuką budowlaną dla budownictwa energooszczędnego, powstaje w tym miejscu znaczny mostek cieplny.

Podobnie jak w poprzednim przykładzie, zastosowanie do izolacji ściany cieńszej warstwy styropianu (o niższym współczynniku λ), nie zmniejsza wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ balkonu.

Jednak w tym przypadku jest to spowodowane innym czynnikiem. Powierzchnia zewnętrzna ściany przy wariancie zarówno z cieńszą, jak i grubszą warstwą izolacji jest taka sama. Natomiast grubsza warstwa styropianu na ścianie zachodzi dalej na płytę balkonową, dzięki temu izoluje płytę balkonową na dłuższym odcinku, patrząc od lica warstwy konstrukcyjnej ściany. Wydłuża to drogę strumienia ciepła ze środowiska wewnętrznego do zewnętrznego i pozwala obniżyć dodatkowe straty cieplne.

Z obliczeniowego punktu widzenia ocieplenie ściany cieńszą warstwą styropianu o mniejszym współczynniku przewodzenia ciepła λ nie wpływa korzystnie na mostek termiczny w pobliżu płyty balkonowej (TABELA 4).

Zupełnie inaczej należy natomiast ocenić użycie styropianu o mniejszej przewodności cieplnej do izolacji płyty wspornikowej balkonu żelbetowego.

Użycie 10-centymetrowej warstwy styropianu o współczynniku 0,031 W/(m∙K), zamiast tej samej grubości izolacji o współczynniku 0,044 W/(m∙K), redukuje dodatkowe straty cieplne przez ten mostek (TABELA 5).

Porównanie to przeprowadzono dla rozwiązania pokazanego na RYS. 5–6, czyli w sytuacji, gdy ściana była zaizolowana warstwą gorzej izolującego styropianu gr. 41 cm.

Wybór materiału o niższej przewodności cieplnej, przy utrzymaniu tej samej grubości izolacji termicznej na płycie balkonowej, pozwala więc obniżyć straty cieplne o prawie 8%.

Grubość warstwy izolacyjnej płyty balkonowej ma kapitalne znaczenie praktyczne. Uzyskanie odpowiedniej ilości miejsca na grubą górną warstwę izolacji jest silnie ograniczone względami konstrukcyjnymi. Dodatkowo też duża grubość ocieplonej płyty balkonowej zmienia estetyczny charakter elewacji budynku. Dlatego też stosowanie wysokosprawnej izolacji termicznej w tym przypadku jest szczególnie uzasadnione.

Podsumowanie

Dotychczasowe podejście do projektowania i wykonywania ocieplenia przegród na zasadzie „nieważny rodzaj i grubość izolacji, ważny efekt uzyskanego oporu cieplnego R” wymaga zmiany.

Jak wynika z przeprowadzonej analizy, przy zastosowaniu izolacji termicznej o różnych parametrach współczynnika λ i grubościach izolacji termicznej należy uwzględnić podczas projektowania wpływ oddziaływania na wynik zapotrzebowania budynku na energię.

Dla lepszego odwzorowania rzeczywistości porównano wyniki ocieplenia konkretnego budynku w całości styropianem grafitowym o współczynniku λ = 0,031 W/(m∙K) i gr. 29 cm oraz styropianem tradycyjnym o współczynniku lambda λ = 0,044 W/(m∙K) i gr. 41 cm. Płytę balkonu zaizolowano w obu przypadkach tak, aby rodzaj izolacji był taki sam jak rodzaj styropianu zastosowany na ścianach. Do tego celu wykorzystano projekt tradycyjnego domu jednorodzinnego firmy ARCHON+ (RYS. 7). Jest to budynek dwukondygnacyjny, z dachem dwuspadowym oraz balkonami po jego obu stronach, których łączna długość wynosi 9 m.

Na podstawie średnich miesięcznych wartości temperatur dla Krakowa obliczono roczne zużycie energii traconej poprzez omawiane mostki termiczne. Wartości, jakie uzyskano dla obu wariantów, zostały przedstawione w TABELI 6.

Zastosowanie izolacji styropianowej o niższej przewodności cieplnej (styropian grafitowy) pozwala obniżyć roczne straty cieplne spowodowane samymi mostkami termicznymi o 89,3 kWh, tj. 17,5%.

Pomimo faktu, iż w niektórych przypadkach korzystniejsze jest zastosowanie grubszej warstwy styropianu o gorszych parametrach, to biorąc pod uwagę wszystkie mostki termiczne, efektywniejszym rozwiązaniem jest stosowanie cieńszej warstwy izolacji o obniżonej przewodności cieplnej. Powodem takiej relacji jest różnica w ilości konkretnych liniowych mostków termicznych. Tych wypukłych jest zdecydowanie więcej w standardowych projektach.

Na podstawie przykładowego projektu można stwierdzić, że aż 80% występujących tam narożników to narożniki wypukłe. Narożniki wypukłe oraz mostki cieplne wokół otworów okiennych i drzwiowych (nadproża, ościeża i podokienniki), dla których znacznie korzystniejsze jest stosowanie materiału o lepszej izolacyjności termicznej, to typowe mostki termiczne w każdym budynku.

Jest także kilka dodatkowych czynników, które również przemawiają na korzyść zastosowania styropianu o mniejszej grubości, ale lepszej izolacyjności.

Stosując cieńszy materiał, można zaoszczędzić powierzchnię działki lub zwiększyć powierzchnię użytkową budynku przy zachowaniu takich samych wymiarów zewnętrznych.

Kolejną zaletą są większe zyski słoneczne, spowodowane mniejszym zacienieniem okien przez głębokie wnęki.

W przypadku izolacji o niższej przewodności cieplnej powierzchnia magazynowa potrzebna do przechowania styropianu przed wbudowaniem jest mniejsza o prawie 30%. Niższe mogą być także koszty robocizny oraz koszty materiałów dodatkowych, takich jak łączniki mechaniczne, listwy startowe itp.

Ciekawym, a zarazem ważnym czynnikiem jest fakt, że pozornie droższy styropian grafitowy przy mniejszym zużyciu objętościowym na jednostkę powierzchni okazuje się być praktycznie w tej samej cenie co tańszy odpowiednik o większej grubości.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!