Parametry fizykalne przegród zewnętrznych budynków drewnianych – studium przypadku

Należy także zauważyć, że przegrody zewnętrzne o konstrukcji szkieletowej drewnianej ze szczeliną dobrze wentylowaną charakteryzują się strukturą niejednorodną cieplnie (drewno–wełna mineralna).

Charakterystyka rozwiązań konstrukcyjno­‑materiałowych wybranych przegród

Aby spełnić podstawowe wymagania dotyczące wytrzymałości, izolacyjności cieplnej, akustyki i odporności na wilgoć, proponowane są głównie dwa rodzaje ścian stanowiących obudowę budynku:

• ściany konstrukcyjne o grubości netto 200 mm, których współczynnik U wynosi średnio 0,22 W/(m²·K) przy standardowym założeniu, że konstrukcja szkieletu jest drewniana i wypełniona wełną mineralną,
• ściany konstrukcyjne o grubości netto 250 mm, których współczynnik U = 0,18 W/(m²·K).

Spełniają one warunek podstawowy zawarty w § 14 norweskich Wytycznych Technicznych TEK 10 i TEK 17, dotyczący efektywności energetycznej, oraz wymagania sformułowane w polskim rozporządzeniu WT [1].

Aby uzyskać odpowiednią grubość izolacji ścian zewnętrznych, stosuje się ściany konstrukcyjne pojedyncze lub podwójne. Rozwiązania konstrukcyjne różnią się między sobą głównie rodzajem i rozmieszczeniem słupów w konstrukcji szkieletowej ściany.

W Norwegii 98% budynków jednorodzinnych posadowionych jest na płycie fundamentowej. Jest to bardzo dobry sposób na poprawne izolowanie od gruntu i wystarczające wytrzymałościowo rozwiązanie dla lekkich konstrukcji drewnianych. Technologia ta polega w pierwszym etapie na przygotowaniu podłoża: wyrównaniu go i ustabilizowaniu żwirem o różnej wielkości z równoczesnym doprowadzeniem instalacji wodno-kanalizacyjnych i elektrycznych.

Funkcję wieńca w budownictwie szkieletowym drewnianym spełnia tzw. ringmur, czyli opaska dla płyty fundamentowej. Wymagane jest, aby był on skonstruowany jako konstrukcja szczelna, tj. aby wokół wszelkich otworów był uszczelniony.

Ringmur układa się z gotowych elementów będących szalunkiem traconym, tzw. ­termomur (FOT. główne).

Konstrukcja dachu opiera się na krokwiach lub kratownicach drewnianych, a wolne przestrzenie uzupełniane są wełną mineralną. Natomiast od strony wewnętrznej jako wykończenie stosuje się płyty gipsowo-kartonowe, a od strony zewnętrznej pokrycie dachowe.

Obliczenia parametrów fizykalnych przegród zewnętrznych i złączy budynków drewnianych

Przegrody o konstrukcji szkieletowej drewnianej (ściana zewnętrzna i stropodach) to przegrody o budowie niejednorodnej cieplnie z pustką dobrze wentylowaną. W tym przypadku pomija się opór cieplny szczeliny i innych warstw znajdujących się między nią a środowiskiem zewnętrznym i dodaje zamiennie do oporu pozostałej części przegrody opór przejmowania ciepła odpowiadający nieruchomemu powietrzu wnętrza szczeliny; można przyjmować wartość R_si. Obliczenia całkowitego oporu cieplnego R_T i współczynnika przenikania ciepła U wykonano metodą kresów oraz na podstawie wyników symulacji komputerowej.

Na RYS. 1 oraz RYS. 2–3 przedstawiono schemat i warstwy materiałowe oraz model obliczeniowy ściany zewnętrznej.

Na RYS. 4 oraz RYS. 5–6 przedstawiono schemat i warstwy materiałowe oraz model obliczeniowy dachu.

W TABELI 1 zestawiono wyniki obliczeń R_T i U dla ścian zewnętrznych i stropodachów metodą kresów oraz na podstawie symulacji komputerowej.

W następnym etapie obliczeń wytypowano złącza budowlane pochodzące z tej technologii. Do obliczeń wytypowano następujące złącza:

• połączenie ściany zewnętrznej w narożniku,
• połączenie ściany zewnętrznej z oknem (bez węgarka i z węgarkiem).

Do obliczeń numeryczne (przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO-KOBRU86) parametrów fizykalnych wybranych złączy przegród zewnętrznych przyjęto następujące założenia:

• temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C (pokój dzienny), temperatura powietrza zewnętrznego t_e = –18°C (II strefa – Bydgoszcz),
• opory przejmowania ciepła zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [2],
• wartości współczynnika przewodzenia ciepła – modele obliczeniowe (RYS. 2–3 i 5–6); do obliczeń przyjęto zrównoważony współczynnik przewodzenia ciepła w przypadku warstw niejednorodnych cieplnie,
• modelowanie złączy zgodnie z PN-EN ISO 10211:2008 [3].

Dla każdego wybranego złącza budowlanego określono następujące parametry fizykalne:

• współczynnik przenikania ciepła pojedynczych przegród w polu jednowymiarowym U [W/(m²·K)],
• strumień cieplny przepływający przez złącze Φ [W],
• współczynnik sprzężenia cieplnego L^2D [W/(m·K)],
• liniowy współczynnik przenikania ciepła (określony po wymiarach wewnętrznych) Ψ_i [W/(m·K)],
• temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka t_min. [°C],
• czynnik temperaturowy ƒ_Rsi(2D) [-], określony na podstawie temperatury minimalnej na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego tmin. [°C].

Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych dla poszczególnych złączy budowlanych zostały zestawione w postaci kart katalogowych mostków cieplnych.

Na RYS. 7–10 przedstawiono model obliczeniowy, linie strumieni cieplnych (adiabaty) oraz rozkład temperatur dla narożnika ścian zewnętrznych.

W TABELI 2 zestawiono wyniki parametrów fizykalnych narożnika ścian zewnętrznych.

Na RYS. 11–14 przedstawiono model obliczeniowy, linie strumieni cieplnych (adiabaty) oraz rozkład temperatur dla połączenia ściany zewnętrznej z oknem (bez węgarka).

W TABELI 3 zestawiono wyniki parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z oknem (bez węgarka).

Na RYS. 15–18 przedstawiono model obliczeniowy, linie strumieni cieplnych (adiabaty) oraz rozkład temperatur dla połączenia ściany zewnętrznej z oknem (z węgarkiem).

W TABELI 4 zestawiono wyniki parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z oknem (z węgarkiem).

Znajomość parametrów fizykalnych złączy (mostków cieplnych) pozwala m.in. na:

• określenie całkowitych strat ciepła przez elementy obudowy budynków z uwzględnieniem przepływów ciepła w polu dwuwymiarowym (2D) – wykorzystanie wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_i [W/(m·K)],
• określenie współczynnika przenikania ciepła U_k z uwzględnieniem liniowych mostków cieplnych – wykorzystanie wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_i [W/(m·K)],
• ocena ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej (ryzyka rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych) – wykorzystanie wartości temperatur minimalnych na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka tmin. [°C] oraz czynnika temperaturowego ƒ_Rsi(2D) [-].
• W pracy [4] przedstawiono wyniki obliczeń i analiz innych złączy przegród budynków szkieletowych drewnianych.

Podsumowanie i wnioski

Należy zauważyć, że dwie przegrody spełniające wymaganie cieplne (np. ściana zewnętrzna, stolarka okienna) połączone ze sobą generują dodatkowe straty ciepła opisane m.in. w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ. Znacząca wartość współczynnika Ψ nie oznacza automatycznie istotnego mostka cieplnego. Zgodnie z definicją wartości Ψ traktowane są jako współczynniki korekcyjne do obliczeń jednowymiarowych strat ciepła, za pomocą których aspekt geometryczny (określony przez przyjęcie wymiarów) powinien być uwzględniony, tak samo jak zwiększenie strumienia cieplnego.

W rozporządzeniu [1] nie określono wartości maksymalnych (granicznych) wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_max. [W/(m·K)].

Przykładową klasyfikację wpływu mostków cieplnych w zależności od wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ podano w TABELI 5.

Stwierdzono także, że w złączach nie występuje ryzyko kondensacji powierzchniowej (ryzyko rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych), ponieważ nie został spełniony warunek:

ƒ_Rsi.(2D) ≥ ƒ_Rsi.(kryt.);

przyjmując  ƒ_Rsi.(kryt.) = 0,785 (Bydgoszcz, III klasa wilgotności pomieszczeń) wg pracy [6].

Minimalizację wpływu mostków cieplnych można osiągnąć poprzez poprawne ukształtowanie układów materiałowych elementów obudowy budynków (odpowiednie grubości oraz usytuowanie).

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń i analiz można stwierdzić, że budownictwo szkieletowe drewniane wpisuje się w standard „budynków o niskim zużyciu energii” oraz szeroko rozumianego „budownictwa zrównoważonego”.

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. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
4. K. Stefańska, „Analiza parametrów fizykalnych złączy przegród zewnętrznych budynku o konstrukcji drewnianej”, praca dyplomowa magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. K. Pawłowskiego, Politechnika Bydgoska im. J. i J. Śniadeckich w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2022.
5. P. Wouters, J. Schietecata, P. Standaert, K. Kasperkiewicz, „Cieplno-wilgotnościowa ocena mostków cieplnych”, Wydawnictwo ITB, Warszawa 2004.
6. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych budynków o niskim zużyciu energii. Obliczenia fizykalne przegród zewnętrznych i ich złączy w świetle wymagań obowiązujących od 1 stycznia 2021 r.”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2021.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!