Podstawowe zagadnienia fizyki cieplnej budowli w aspekcie wymagań prawnych

Problem związany z wysoką energochłonnością dotyczy głównie budynków wznoszonych przed 1990 r. Jest to spowodowane rewolucją przemysłową w XX w., kiedy to ceny surowców były tanie, a wymagania ochrony cieplnej budynków bardzo pobłażliwe.

Kryzys energetyczny, który miał miejsce w latach 70. ubiegłego wieku, przyczynił się do obecnych zmian w budownictwie. Użytkownicy budynków zdali sobie sprawę, że zapotrzebowanie na energię będzie stale rosło, a ilość surowców jest ograniczona. Wówczas zaczęto wykorzystywać energię słoneczną oraz inne odnawialne źródła energii w budownictwie.

Konieczność oszczędzania energii wymusiła przyjęcie polityki nastawionej na znaczne zmniejszenie energochłonności w sektorze budowlanym, a także zapoczątkowanie rozwoju budownictwa energooszczędnego.

Jakość energetyczna budynku

Wyznaczenie jakości energetycznej danego budynku może być uzyskane poprzez obliczenie trzech wyznaczników oraz ich korelacji: wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową EU, wskaźnika zapotrzebowania na energię końcową EK i wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP (RYS. 1).

Wartości wskaźników EU, EK, EP [kWh/(m²·rok)], charakteryzujących energochłonność budynku, zależą od wielu czynników:

• izolacyjność cieplna (jakość cieplna) przegród zewnętrznych i złączy budowlanych,
• usytuowanie budynku względem stron świata,
• optymalizacja przegród przezroczystych w budynku,
• optymalizacja systemu wentylacyjnego w budynku,
• zastosowanie wysokoefektywnych energetycznie systemów ogrzewania, chłodzenia, wentylacji i przygotowania c.w.u.,
• ograniczenie zużycia i zastosowania paliw kopalnych,
• zastosowanie odnawialnych źródeł energii (OZE).

Procedurę obliczeniową ww. parametrów przedstawiono w rozporządzeniu [2], a wartości graniczne wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP_max. [kWh/(m²·rok)] zestawiono w rozporządzeniu [3].

Maksymalne wartości wskaźnika EP [kWh/(m²·rok)], określającego roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną, wg rozporządzenia [3] wynoszą:

gdzie:

EP_H+W – maksymalna wartość wskaźnika EP na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej określona zgodnie z TABELĄ 1, [kWh/(m²·rok)],
ΔEP_c – wskaźnik na potrzeby chłodzenia określony zgodnie z TABELĄ 2, [kWh/(m²·rok)],
ΔEP_L – wskaźnik na potrzeby oświetlenia określony zgodnie z TABELĄ 2, [kWh/(m²·rok)].

Harmonogram czasowy oraz maksymalne wartości wskaźnika EP_H+W na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej przedstawiono w TABELI 1, natomiast harmonogram czasowy oraz wartości wskaźników ΔEP_c i ΔEP_L zestawiono w TABELI 2.

W przypadku budynku o różnych funkcjach użytkowych maksymalną wartość wskaźnika rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP oblicza się zgodnie z poniższym wzorem:

gdzie:

EP_i – wartość wskaźnika EP określającego roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej, chłodzenia oraz oświetlenia wbudowanego, dla części budynku o jednolitej funkcji użytkowej o powierzchni A_ƒ,i, [kWh/(m²·rok)],
A_ƒ,i – powierzchnia użytkowa ogrzewana (chłodzona) części budynku o jednolitej funkcji użytkowej, [m²].

Charakterystyka energetyczna budynku, czyli określenie parametrów energetycznych budynku, stanowi jeden z dokumentów w procesie jego projektowania, wykonywania i eksploatacji. Natomiast metodologię obliczeń dla budynku lub części budynku podano w rozporządzeniu [2], które określa:

1. metodologię wyznaczania charakterystyki energetycznej,

2. sposób sporządzania świadectwa charakterystyki energetycznej,

3. wzory świadectw charakterystyki energetycznej – budynku lub części budynku.

Podstawowe parametry charakterystyki energetycznej budynku to:

• EU [kWh/(m²·rok)] – wskaźnik rocznego zapotrzebowania na energię użytkową, uwzględniający cele ogrzewania i wentylacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej i chłodzenia oraz zyski ciepła: wewnętrzne w zależności od rodzaju pomieszczeń i budynku, od promieniowania słonecznego przez powierzchnie oszklone – określany metodą bilansów miesięcznych w odniesieniu do indywidualnych parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego,
• EK [kWh/(m²·rok)] – wskaźnik rocznego zapotrzebowania na energię końcową dla systemu grzewczego, przygotowania ciepłej wody użytkowej, chłodzenia, wbudowanej instalacji oświetlenia wbudowanego (nie dotyczy budynków mieszkalnych) i technicznych (jako energia pomocnicza), uwzględniający średnią sprawność systemów – określany na podstawie składowych zapotrzebowania na energię użytkową,
• EP [kWh/(m²·rok)] – wskaźnik rocznego zapotrzebowania na energię pierwotną dla systemu grzewczego, przygotowania ciepłej wody użytkowej, chłodzenia, wbudowanej instalacji oświetlenia wbudowanego (nie dotyczy budynków mieszkalnych) z dodaniem zastosowania energii pomocniczej dla systemów, uwzględniający współczynniki nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii dla systemów technicznych wi – określany na postawie składowych zapotrzebowania na energię końcową,
• E_CO2 [t_CO2/(m²·rok)] – jednostkowa wielkość emisji CO₂, pochodząca z procesu spalania paliw przez system grzewczy, przygotowania ciepłej wody użytkowej, chłodzenia, oświetlenia wbudowanego oraz urządzenia pomocnicze w systemach technicznych,
• U_OZE [%] – udział odnawialnych źródeł energii w rocznym zapotrzebowaniu na energię końcową.

Wzór świadectwa charakterystyki energetycznej dla budynku wg rozporządzenia [2] przedstawiono na RYS. 2.

W większości krajów Unii Europejskiej na świadectwie charakterystyki energetycznej pojawiają się klasy energetyczne. Zdarza się także, że podział na klasy występuje w przypadku kilku wskaźników albo jednocześnie podawana jest klasa energetyczna dla jednego wskaźnika oraz skala ciągła dla innego.

Jakość cieplna elementów obudowy budynku

Zasadniczą zmianą rozporządzenia [3] w zakresie ochrony cieplnej budynków jest zmiana wartości maksymalnych współczynników przenikania ciepła U_c(max).

Zaostrzeniu uległy wymagania cząstkowe w zakresie izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych, dachów, podłóg oraz okien i drzwi. Ponadto nie ma już znaczenia typ przegrody (wielo- czy jednowarstwowa) oraz przeznaczenie obiektu (mieszkalny, użyteczności publicznej, magazynowy, gospodarczy itp.). Wartości maksymalne współczynników przenikania ciepła ścian, podłóg na gruncie, stropów, dachów i stropodachów, zgodnie z załącznikiem 2 do rozporządzenia [3], zestawiono w TABELI 3.

Przy obliczeniach współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] pojedynczych przegród budynku istotne znaczenie ma znajomość wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] poszczególnych materiałów budowlanych.

Zdolność materiałów do przewodzenia ciepła określa współczynnik przewodności cieplnej λ (lambda), wyrażający ilość ciepła przenikającą w sposób ustalony, w ciągu 1 godz. przez 1 m² płaskiej przegrody, wykonanej z danego materiału o grubości 1 m, przy różnicy temperatur na obu powierzchniach przegrody wynoszącej 1 K, w jednostce [W/(m·K)].

Przewodność cieplna jest podstawową cechą termofizyczną materiałów budowlanych i zmienia się dla różnych materiałów w bardzo szerokich granicach – jest funkcją gęstości, temperatury i wilgotności materiału. Istotny wpływ na jego wielkość wywiera również struktura wewnętrzna materiału.

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.

W TABELI 4 zestawiono wartości maksymalne współczynników przenikania ciepła okien, drzwi balkonowych i drzwi zewnętrznych, zgodnie z załącznikiem 2 do rozporządzenia [3].

Wg rozporządzenia [3] dopuszcza się dla budynku produkcyjnego, magazynowego i gospodarczego większe wartości współczynnika U niż U_C(max) oraz U_(max) określone w TABELACH 3–4, jeśli uzasadnia to rachunek efektywności ekonomicznej inwestycji, obejmujący koszt budowy i eksploatacji budynku. Ponadto w budynku mieszkalnym, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej, produkcyjnym, magazynowym i gospodarczym podłoga na gruncie w ogrzewanym pomieszczeniu powinna mieć izolację cieplną obwodową z materiału izolacyjnego w postaci warstwy o oporze cieplnym co najmniej 2,0 (m²·K)/W, przy czym opór cieplny warstw podłogowych oblicza się zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [4] oraz PN-EN ISO 13370:2008 [5].

W rozporządzeniu [3] określono także wymagania w zakresie izolacji cieplnej przewodów rozdzielczych instalacji c.o. i c.w.u. oraz dodatkowe wymagania dotyczące okien.

Wg załącznika 2 rozporządzenia [3]:

• „2.1.1. We wszystkich rodzajach budynków współczynnik przepuszczalności energii całkowitej promieniowania słonecznego okien oraz przegród szklanych i przezroczystych g liczony wg wzoru:

gdzie:

g_n – współczynnik całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego dla typu oszklenia,
ƒc – współczynnik redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne,

w okresie letnim nie może być większy niż 0,35.

• 2.1.2. Wartości współczynnika całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego dla typu oszklenia gn należy przyjmować na podstawie TABELI 5.

• 2.1.3. Wartości współczynnika redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne fc określa się wg TABELI 6.
• 2.1.4. Pkt 2.1.1. nie stosuje się w odniesieniu do powierzchni pionowych oraz powierzchni nachylonych więcej niż 60 stopni do poziomu, skierowanych w kierunkach od północno-zachodniego do północno-wschodniego (kierunek północny ± 45 stopni), okien chronionych przed promieniowaniem słonecznym elementem zacieniającym, spełniającym wymagania, o których mowa w pkt 2.1.4., oraz do okien o powierzchni mniejszej niż 0,5 m²”

Aktualne wymagania dotyczące przegród przezroczystych, wynikające z rozporządzenia [3], mają na celu ochronę przed przegrzewaniem budynku dzięki zastosowaniu urządzeń (osłon) przeciwsłonecznych. Do najpopularniejszych rozwiązań w tym zakresie można zaliczyć: okiennice drewniane, firany i zasłony, żaluzje i rolety, markizy, skriny refleksowe, folie naklejane na szyby, łamacze światła.

Wg wprowadzonych zmian w rozporządzeniu [3] wymagania cieplne dotyczą jednoczesnego spełnienia dwóch wymagań w zakresie współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] dla pojedynczych przegród budynku oraz wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP [kWh/(m²·rok)] dla całego budynku.

Wymagania minimalne, o których mowa w ust. 1, uznaje się za spełnione dla budynku podlegającego przebudowie, jeżeli przegrody oraz wyposażenie techniczne budynku podlegające przebudowie odpowiadają przynajmniej wymaganiom izolacyjności cieplnej określonym w załączniku nr 2 do rozporządzenia [3].

Ochrona wilgotnościowa elementów obudowy budynku

Sprawdzenie warunku ochrony wilgotnościowej – ryzyko występowania kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody wynika z rozporządzenia [3]:

„§ 321.
1. Na wewnętrznej powierzchni nieprzezroczystej przegrody zewnętrznej nie może występować kondensacja pary wodnej umożliwiająca rozwój grzybów pleśniowych.
2. We wnętrzu przegrody, o której mowa w ust. 1, nie może występować narastające w kolejnych latach zawilgocenie spowodowane kondensacją pary wodnej.
3. Warunki określone w ust. 1 i 2 uważa się za spełnione, jeśli przegrody odpowiadają wymaganiom określonym w pkt 2.2. załącznika nr 2 do rozporządzenia.
2.2.1. W celu zachowania warunku, o którym mowa w § 321 ust. 1. rozporządzenia [3], w odniesieniu do przegród zewnętrznych budynków mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej i produkcyjnych, magazynowych i gospodarczych rozwiązania przegród zewnętrznych i ich węzłów konstrukcyjnych powinny charakteryzować się współczynnikiem temperaturowym ƒ_Rsi o wartości nie mniejszej niż wymagana wartość krytyczna, obliczona zgodnie z polską normą (PN-EN ISO 13788:2003 [6]) dotyczącą obliczania temperatury powierzchni wewnętrznej koniecznej do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacji międzywarstwowej.
2.2.2. Wymaganą wartość krytyczną współczynnika temperaturowego ƒ_Rsi w pomieszczeniach ogrzewanych do temperatury co najmniej 20°C w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej należy określać według rozdziału 5 polskiej normy, o której mowa w pkt 2.2.1., przy założeniu, że średnia miesięczna wartość wilgotności względnej powietrza wewnętrznego jest równa φ = 50%, przy czym dopuszcza się przyjmowanie wymaganej wartości tego współczynnika równej 0,72.
2.2.3. Wartość współczynnika temperaturowego charakteryzującego zastosowane rozwiązanie konstrukcyjno-materiałowe należy obliczać:

1) dla przegrody – według polskiej normy (PN-EN ISO 13788:2003 [6]),
2) dla mostków cieplnych przy zastosowaniu przestrzennego modelu przegrody – według polskiej normy dotyczącej obliczania strumieni cieplnych i temperatury powierzchni (PN-EN ISO 10211:2008 [7]).

2.2.4. Sprawdzenie warunku, o którym mowa w § 321 ust. 1 i 2 rozporządzenia, należy przeprowadzić według rozdziału 5 i 6 polskiej normy (PN-EN ISO 13788:2003 [6]).
2.2.5. Dopuszcza się kondensację pary wodnej, o której mowa w § 321 ust. 2 rozporządzenia, wewnątrz przegrody w okresie zimowym, o ile struktura przegrody umożliwi wyparowanie kondensatu w okresie letnim i nie nastąpi przy tym degradacja materiałów budowlanych przegrody na skutek tej kondensacji”.

W rozdziale 4. rozporządzenia [3] sformułowano szczegółowe wytyczne w zakresie ochrony przed zawilgoceniem i korozją biologiczną rozpatrywanych przegród:

„§ 315. Budynek powinien być zaprojektowany i wykonany w taki sposób, aby opady atmosferyczne, woda w gruncie i na jego powierzchni, woda użytkowa w budynkach oraz para wodna w powietrzu w tym budynku nie powodowały zagrożenia zdrowia i higieny użytkowania.

§ 316.1. Budynek posadowiony na gruncie, na którym poziom wód gruntowych może spowodować przenikanie wody do pomieszczeń, należy zabezpieczyć za pomocą drenażu zewnętrznego lub w inny sposób przed infiltracją wody do wnętrza oraz zawilgoceniem.
2. Ukształtowanie terenu wokół powinno zapewniać swobodny spływ wody opadowej od budynku.

§ 317.1. Ściany piwnic budynku oraz stykające się z gruntem inne elementy budynku, wykonane z materiałów podciągających wodę kapilarnie, powinny być zabezpieczone odpowiednią izolacją przeciwwilgociową.
2. Części ścian zewnętrznych, bezpośrednio nad otaczającym terenem, tarasami, balkonami i dachami, powinny być zabezpieczone przed przenikaniem wody opadowej i z topniejącego śniegu.

§ 318. Rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe przegród zewnętrznych i ich uszczelnienie powinny uniemożliwiać przenikanie wody opadowej do wnętrza budynków”.

Podsumowanie i wnioski

Krajowy plan wsparcia [8] zawiera rekomendowaną do stosowania w praktyce krajową definicję: „budynek o niskim zużyciu energii” to taki budynek, który spełnia 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 [9], tj. w szczególności dział X oraz załącznik 2 do rozporządzenia [3] obowiązujące od 31 grudnia 2020 r. (od 1 stycznia 2019 r. w przypadku budynków zajmowanych przez władze publiczne oraz będących ich własnością).

Aby ilość energii cieplnej potrzebnej do użytkowania budynku zgodnie z jego przeznaczeniem można było utrzymać na racjonalnie niskim poziomie, przewidziano dwie metody, pozwalające spełnić wymaganie w nowo projektowanych budynkach:

• pierwsza polega na takim zaprojektowaniu przegród w budynku, aby wartości współczynników przenikania ciepła U [W/(m²·K)] przegród zewnętrznych, okien, drzwi oraz technika instalacyjna odpowiadały wymaganiom izolacyjności cieplnej: U_c ≤ U_c(max),
• druga to zaprojektowanie budynku pod kątem zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną na jednostkę powierzchni pomieszczeń o regulowanej temperaturze powietrza w budynku, lokalu mieszkalnym lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową EP [kWh/(m²·rok)]: EP  ≤  EP_(max).

Prezentowany artykuł jest wprowadzeniem do cyklu pt. „Fizyka cieplna budowli w projektowaniu, wznoszeniu i eksploatacji budynków”, w którym zostaną zaprezentowane zagadnienia praktyczne współczesnego budownictwa dotyczące m.in.:

• właściwości cieplnych materiałów budowlanych,
• układów materiałowych przegród zewnętrznych w aspekcie wymagań cieplnych,
• złączy budowlanych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym,
• strat ciepła przez elementy obudowy budynku,
• charakterystyki energetycznej budynku w aspekcie oszczędności energii w budynku,
• termomodernizacji i renowacji istniejących budynków,
• fizyki cieplnej budowli w aspekcie budownictwa zrównoważonego.

Literatura

1. PN-EN ISO 13790:2009, „Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczenie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i wentylacji”.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw charakterystyki energetycznej (DzU z 2015 r., poz. 376 z późn. zm., DzU z 2019 r., poz. 1829).
3. 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 z późn. zm., DzU z 2022 r., poz. 248).
4. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
5. PN-EN ISO 13370:2008, „Cieplne właściwości użytkowe budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metoda obliczania”.
6. 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”.
7. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
8. Uchwała Rady Ministrów z dnia 22 czerwca 2015 r. w sprawie przyjęcia „Krajowego planu mającego na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii”.
9. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU z 2013 r., poz. 1409, z późn. zm.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!