Jakość cieplna ścian zewnętrznych z pustaków niejednorodnych cieplnie

Podstawowym czynnikiem w zakresie kształtowania warstw materiałowych przegród zewnętrznych jest znajomość ich współczynników przewodzenia ciepła l [W/(m·K)]. W związku z powyższym istnieje potrzeba stosowania metod numerycznych (profesjonalnych programów komputerowych do stacjonarnego przepływu ciepła), które pozwalają na określenie przewodności cieplnej elementów obudowy budynku o budowie niejednorodnej cieplnie. Miarodajne określenie właściwości cieplnych warstw przegrody pozwala na poprawne określenie strat ciepła przez przenikanie.

W artykule przedstawiono wyniki obliczeń współczynnika przewodzenia ciepła pustaków ściennych niejednorodnych cieplnie: betonu lekkiego (ρ = 1000 kg/m³) λ_ob = 1,00 W/(m·K), styropianu (ρ = 30 kg/m³) λ_ob = 0,035 W/(m·K), pianki poliuretanowej (ρ = 35 kg/m³) λ_ob = 0,022 W/(m·K) przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO-KOBRU 86 [5] służącego do badania stacjonarnego przepływu ciepła w polu dwuwymiarowym (2D) oraz wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła ścian zewnętrznych dwuwarstwowych U_c [W/(m²·K)].

Dodatkowo przeprowadzono ich ocenę w zakresie podstawowego kryterium cieplnego: U_c  ≤  U_c(max) = 0,20 W/(m²·K) wg rozporządzenia [1].

Metody określania współczynnika przewodzenia ciepła pustaków niejednorodnych cieplnie

Obliczanie strat ciepła w budynku jest najistotniejszym etapem jego projektowania cieplnego. Podstawowym parametrem technicznym materiału, który uwzględnia się w obliczeniach termicznych, jest współczynnik 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, odpowiadającą warunkom laboratoryjnym,
• wartość obliczeniową (λ_ob), służącą projektowaniu, odpowiadającą warunkom stosowania materiału w budynku.

Istnieją różne podejścia (metody) do określania wartości współczynników przewodzenia ciepła materiałów tworzących przegrody budynku. Wymiana ciepła następuje pod wpływem różnicy temperatury. W zagadnieniach inżynierskich pole temperatury T określone jest przez zależność temperatury od współrzędnych przestrzennych (x, y, z) i czasu t. Metody analityczne problemów wymiany ciepła wymagają najczęściej daleko idących założeń upraszczających, co czasami czyni te rozwiązania mało przydatnymi. Dlatego zasadne staje się zastosowanie efektywnych metod numerycznych, opisanych m.in. w [2].

Czytaj też: Ściany jednowarstwowe według WT 2021

Aby spełnić wymagania wg rozporządzenia [1] oraz coraz bardziej rygorystyczne normy techniczne i środowiskowe, poszukuje się nowych rozwiązań materiałowych i technicznych. Optymalizacja jakości cieplnej obudowy budynku gwarantuje obniżenie strat ciepła przez przenikanie, a w konsekwencji minimalizację zapotrzebowania budynku na energię (EU, EK i EP) oraz emisję CO₂ do atmosfery. Dlatego zasadne staje się stosowanie materiałów budowlanych o stosunkowo niskiej wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)].

Przykładem rozwiązania w zakresie oszczędności energii i ochrony cieplnej budynku jest zastosowanie pustaków (elementów) ściennych (drobnowymiarowych) o budowie niejednorodnej cieplnie (połączenie materiału konstrukcyjnego – beton lekki z materiałem termoizolacyjnym w postaci styropianu lub pianki poliuretanowej). W takich przypadkach przy określaniu współczynnika przewodzenia ciepła λ zasadne staje się zastosowanie programu komputerowego służącego do analizy termicznej stacjonarnego przepływu ciepła (w warunkach stałej temperatury otoczenia), przy różnych warunkach brzegowych.

Ekwiwalentny współczynnik przewodzenia ciepła λ_eq [W/(m·K)] elementu budowlanego składającego się z kilku zróżnicowanych materiałów budowlanych określa przewodność cieplną jednorodnego zastępczego materiału budowlanego w kształcie prostopadłościanu o tych samych wymiarach, który w miejscu całego elementu budowlanego w stanie zamontowanym pozwala uzyskać ten sam efekt cieplny. Na podstawie występującej straty ciepła oblicza się ekwiwalentny współczynnik przewodzenia ciepła λ_eq i ekwiwalentny opór cieplny R_eq. Obliczenia wykonuje się przy zastosowaniu profesjonalnych programów komputerowych do obliczania parametrów fizykalnych mostków cieplnych (przy zastosowaniu warunków brzegowych według PN-EN ISO 6946:2008 [3]).

Na RYS. 1 przedstawiono algorytm obliczeniowy określania współczynnika przewodzenia ciepła λ_eq [W/(m·K)] elementu budowlanego składającego się z kilku zróżnicowanych materiałów budowlanych przy zastosowaniu programu komputerowego.

Określanie współczynnika przewodzenia ciepła pustaków ściennych niejednorodnych cieplnie na podstawie obliczeń numerycznych

Pustaki ścienne o budowie niejednorodnej cieplnie wykonane z betonu zwykłego, betonu lekkiego lub betonu komórkowego z wypełnieniem z materiału termoizolacyjnego stanowią rozwiązanie alternatywne dla tradycyjnych elementów murowych stosowanych w budownictwie (np. pustaki z ceramiki z wypełnieniem z wełny mineralnej, pustaki z keramzytobetonu z wypełnieniem ze styropianu).

Na RYS. 2–3 przedstawiono geometrię analizowanych elementów murowych o wymiarach 24×40 cm, wytypowanych do obliczeń własnych. Jest to propozycja rozwiązania materiałowego, które nie jest jeszcze powszechnie stosowane w budownictwie. Takiego typu rozwiązania są modyfikacją wcześniej stosowanych pustaków zasypowych (ceramiczne pustaki ścienne PC, EF, Gamma, Welo, KJ) [4].

Badane rozwiązania materiałowe jako elementy do wznoszenia ścian zewnętrznych mają stanowić alternatywę dla muru jednorodnego wykonanego z betonu komórkowego lub ceramiki poryzowanej grubości 24 cm. Wyniki prezentowane w dalszej części pracy to obliczenia koncepcyjne w zakresie określenia współczynnika przewodzenia ciepła λ pustaka niejednorodnie cieplnego przy zastosowaniu profesjonalnego programu komputerowego służącego do analizy stacjonarnego przepływu ciepła w polu dwuwymiarowym (2D).

Do obliczeń (dla dwóch pustaków A, B) przyjęto następujące rozwiązania materiałowe: beton lekki (ρ = 1000 kg/m³) λ_ob = 1,00 W/(m·K), wariant I – styropian (ρ = 30 kg/m³) λ_ob = 0,035 W/(m·K), wariant II – pianka poliuretanowa (ρ = 35 kg/m³) λ_ob = 0,022 W/(m·K).

Obliczenia numeryczne przeprowadzono przy zastosowaniu profesjonalnego programu komputerowego TRISCO-KOBRU 86 [5]. Przyjęto siatkę elementów skończonych o jednolitym boku równym 1 mm, zgodnie z wytycznymi normy PN-EN ISO 10211:2008 [6].

W zastosowanej wersji programu [5] można określić stałą temperaturę między brzegami określonych bloków. Po stworzeniu geometrii i przyjęciu warunków brzegowych (t_i = 20°C, R_si = 0,13 (m²·K)/W, t_e = –20°C, R_se = 0,04 (m²·K)/W) uruchamiany jest proces obliczeniowy. Za pomocą macierzy równań liniowych dokonuje się obliczeń pola temperatur. Po wykonaniu obliczeń zyskuje się graficzny i cyfrowy wynik zawierający temperatury i strumienie cieplne analizowanego elementu budowlanego.

Zgodnie z instrukcją programu parametry obliczeniowe były następujące:

• maksymalna liczba iteracji – 10  000,
• błąd bezwzględny w obliczeniu temperatur – 0,0001°C,
• błąd bezwzględny w obliczeniu strumieni ciepła w złączu – 0,001%.

W TABELI 1 zestawiono wyniki obliczeń współczynnika przewodzenia ciepła λ_eq [W/(m·K)] elementów budowlanych składającego się z kilku zróżnicowanych materiałów budowlanych.

Wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ_eq [W/(m·K)] pustaków ściennych o budowie niejednorodnej cieplnie zależą od wartości współczynników przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] pojedynczych materiałów (beton lekki, styropian, pianka poliuretanowa) oraz układu warstw konstrukcyjnych i izolacyjnych (RYS. 2–3).

Każda zmiana geometrii elementów ściennych wymaga ponownych indywidualnych obliczeń. Analizowane pustaki ścienne mogą być zastosowane np. jako warstwa konstrukcyjna warstwowych ścian zewnętrznych budynku. Należy jednak zwrócić uwagę, że nośność (wytrzymałość na ściskanie [MPa]) analizowanych pustaków będzie zróżnicowana w zależności od udziału i rodzaju materiału konstrukcyjnego (beton zwykły, beton lekki, autoklawizowany beton komórkowy). Określenie i analizy cech wytrzymałościowych będą następnym etapem prowadzonych badań.

Aby ilość energii cieplnej potrzebnej do użytkowania budynku zgodnie z jego przeznaczeniem można było utrzymać na racjonalnie niskim poziomie, należy tak zaprojektować przegrody w budynku, aby wartości współczynników przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] przegród zewnętrznych, okien i drzwi oraz technika instalacyjna odpowiadały wymaganiom izolacyjności cieplnej: U_c  ≤  U_c(max). Wartości współczynników U_c(max) zestawiono w rozporządzeniu [1].

W związku z powyższym w TABELI 2 zestawiono wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] ścian warstwowych z zastosowaniem niejednorodnych pustaków ściennych grubości 24 cm, ocieplonych styropianem lub płytami z pianki poliuretanowej. Obliczenia przeprowadzono zgodnie z procedurą przedstawioną w PN-EN ISO 6946:2008 [3].

Wartość współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²·K)] zależy szczególnie od zastosowanego materiału termoizolacyjnego (jego współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] oraz grubości), a także od izolacyjności cieplnej pustaków konstrukcyjnych (λ_eq [W/m·K)] – TABELE 1– 2).

Podsumowanie i wnioski

Wartości ekwiwalentnego współczynnika przewodzenia ciepła λ_eq [W/(m·K)] elementów (pustaków) ściennych składających się z kilku zróżnicowanych materiałów budowlanych zależy od ich budowy, szczególnie w zakresie współczynnika λ [W/(m·K)] pojedynczych materiałów budowlanych (TABELA 1).

Należy podkreślić, że prezentowana metoda obliczeń może być wykorzystana do wielu przegród o budowie niejednorodnej cieplnie, np. z pustaków stropu gęstożebrowego z wypełnieniem z materiału termoizolacyjnego lub łączników izotermicznych w przypadku połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową.

Znajomość wartości współczynnika λ_eq [W/(m·K)] poszczególnych elementów pozwala na przeprowadzenie analiz cieplno-wilgotnościowych w zakresie kryterium oszczędności energii i ochrony cieplnej budynku oraz kryterium wilgotnościowego (kondensacji powierzchniowej i międzywarstwowej).

Zastosowanie pustaków niejednorodnych cieplnie do wznoszenia ścian zewnętrznych budynków z ociepleniem od strony zewnętrznej pozwala na spełnienie podstawowego kryterium cieplnego: U_c  ≤  U_c(max) = 0,20 W/(m²·K) wg rozporządzenia [1] (TABELA 2).

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. A. Podhorecki, M. Dobiszewska, „Pewne uogólnienie równania przewodnictwa cieplnego w ciałach stałych i propozycja rozwiązania numerycznego”, [w:] „Budownictwo ogólne. Zagadnienia konstrukcyjne, materiałowe i cieplno-wilgotnościowe w budownictwie”, A. Dylla (red.). Wydawnictwa Uczelniane UTP w Bydgoszczy, 2015, s. 35–40.
3. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
4. W. Żenczykowski, „Elementy i konstrukcje budowlane”, Wydawnictwo Arkady, 1990.
5. Instrukcja programu komputerowego TRISCO-KOBRU 86.
6. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!