Projektowanie złączy budowlanych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym

W artykule przedstawiono obliczenia i analizy w zakresie projektowania złączy budowlanych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym.

Design of building joints in the heat and humidity aspect

The article presents calculations and analysis in the field of designing building joints heat and humidity aspect.

***

Dobór materiałów konstrukcyjnych i izolacyjnych złączy nie powinien być przypadkowy, ale oparty o szczegółowe obliczenia i analizy.

Złącza budowlane – definicje, przykłady i konsekwencje występowania

Wg pracy [1] mostki termiczne (cieplne) są to fragmenty konstrukcji wykonane z materiałów o większych wartościach współczynników przewodzenia ciepła λ niż pozostała część konstrukcji. Natomiast wg [2, 3] mostek termiczny powstaje w wyniku naruszenia ciągłości struktury wewnętrznej przegrody w związku z występowaniem materiałów budowlanych różniących się, najczęściej znacznie, wielkością współczynników przewodzenia ciepła.

W pracy [4] przez mostek termiczny (cieplny) rozumie się obszar wzmożonego przepływu ciepła w przegrodzie (tj. wzmożonych strat ciepła). Objawia się to obniżeniem temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody, co prowadzi do różnorakich konsekwencji.

W niektórych publikacjach stosowane są inne zasady ich klasyfikacji. Typowymi przykładami mostków termicznych są:

• spoiny wypełnione zaprawą w ścianach murowanych z elementów drobnowymiarowych,
• słupy i rygle w ścianach,
• żebra w ścianach warstwowych,
• nadproża,
• złącza elementów prefabrykowanych,
• naroża ścian,
• połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową,
• ościeża okienne.

Rozwiązaniem mostka termicznego będzie podanie jego rozkładu temperatur, badanego najczęściej w warunkach ustalonego przepływu ciepła.

Istotną rolę w ocenie warunków komfortu cieplnego pomieszczenia spełniają temperatury na powierzchniach wewnętrznych mostka. Dla uwzględnienia dodatkowych strat ciepła, spowodowanych działaniem mostka, konieczna jest znajomość rozkładu temperatur na powierzchniach wewnętrznych przegród. Tak więc poprawne wykonanie obliczeń mostka termicznego polega na:

• podaniu rozkładu temperatur w jego obszarze,
• określeniu temperatury minimalnej na powierzchniach wewnętrznych przegród,
• zbadaniu strefy dodatkowych strat ciepła.

Na podstawie obliczeń i analiz można zauważyć, że w tych miejscach występuje zwiększony przepływ ciepła, a na ich wewnętrznej powierzchni utrzymuje się niższa temperatura w porównaniu z temperaturą pozostałej części przegrody. Wskutek tego często następuje wykraplanie się pary wodnej na powierzchni mostków i powstają mokre plamy, a nawet pleśń.

Udowodniono także negatywne oddziaływanie niewłaściwie ocieplonych mostków na całokształt zjawisk fizycznych zachodzących w przegrodzie lub na jej powierzchni. Nazwa zjawiska „mostek termiczny” wskazuje na jego istotę – wzmożony przepływ ciepła przez obrys geometryczny części „zimniejszej” w przegrodzie. Tę część nazywa się „rdzeniem mostka”.

Zakłócenie strumienia ciepła występuje również w częściach przegrody bezpośrednio sąsiadujących z rdzeniem, po obu jego stronach. Mostek termiczny tworzy więc rdzeń wraz ze strefami zakłóceń pola temperatur.

Ze względu na konsekwencje występowania mostków cieplnych warto wysunąć następujące postulaty:

• należy dążyć do ograniczenia wartości niekorzystnego wpływu na straty ciepła i ryzyko kondensacji,
• wszystkie mostki termiczne, których można uniknąć, należy wyeliminować na etapie projektowania lub podczas realizacji budynku,
• wszystkie miejsca występowania mostków, które nie mogą być usunięte, lub istniejących mostków cieplnych powinny być skonstruowane lub ocieplone tak, aby ich wpływ na straty ciepła oraz na kondensa-cję był minimalny.

Według pracy [5] dokładność metod obliczeń mostków cieplnych wynosi odpowiednio:

• obliczenia numeryczne: ± 5%,
• katalog mostków cieplnych ± 20%,
• obliczenia ręczne ± 20%,
• wartości orientacyjne 0–50%.

Wpływ mostków termicznych na straty ciepła przez element budynku może być oceniony na podstawie wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ i punktowego współczynnika przenikania ciepła χ. Należy zwrócić uwagę, że ocena wartości Ψ i χ nie jest zdefiniowana (znormalizowana), istnieje możliwość sformułowania pewnych kryteriów w krajowych przepisach dotyczących izolacyjności budynków. W rozporządzeniu [6] nie określono wartości granicznych liniowego i punktowego współczynnika przenikania ciepła, jednocześnie obniżając wartości graniczne współczynnika przenikania ciepła U dla pojedynczych przegród budynku.

Aby ocenić komfort cieplny danego pomieszczenia i uwzględnić dodatkowe straty ciepła spowodowane działaniem mostka, należy określić rozkład temperatur na powierzchniach wewnętrznych przegród oraz rozkład linii strumieni cieplnych (adiabaty) – RYS. 1–6.

Połączenie ściany zewnętrznej dwuwarstwowej z oknem w przekroju przez nadproże (RYS. 1–6) powoduje obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody (θ_si,min.) w wariancie I do poziomu θ_si,min. = 11,7°C, a po przedłużeniu izolacji termicznej na ościeżnicę, w postaci tzw. węgarka okiennego (wariant II) – θ_si,min. = 15,0°C.

Należy zwrócić uwagę także na generowanie dodatkowych strat ciepła w postaci liniowego współczynnika Ψ [wariant I – Ψ = 0,24 W/(m·K), wariant II – Ψ = 0,08 W/(m·K)]. Odpowiednie ukształtowanie warstw materiałowych pozwala na minimalizację wpływu mostka cieplnego w aspekcie cieplno-wilgotnościowym.

Parametry fizykalne opisujące złącza budowlane – mostki termiczne

Podstawowymi parametrami charakteryzującymi mostki cieplne są:

• liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)], obliczany na podstawie normy PN-EN ISO 10211:2008 [7] lub przyjmować ich wartości na podstawie katalogu mostków cieplnych (np. załącznik do pracy [8]) oraz normy PN-EN ISO 14683:2008 [9],
• punktowy współczynnik przenikania ciepła χ [W/K], obliczany na podstawie normy PN-EN ISO 10211:2008 [7] lub przyjmować ich wartości na podstawie katalogu mostków cieplnych na podstawie danych producentów,
• czynnik temperaturowy ƒ_Rsi (ƒ_Rsi(2D) – w polu dwuwymiarowym, ƒ_Rsi(3D) – w polu trójwymiarowym), określany zgodnie z normą PN-EN ISO 10211:2008 [7] z uwzględnieniem PN-EN ISO 13788:2003 [10] na podstawie temperatury minimalnej w miejscu mostka cieplnego.

Wartość współczynnika Ψ [W/(m·K)] jest równa stracie ciepła na 1 m długości elementu budowlanego zawierającego mostek cieplny, zmniejszonej o stratę ciepła, która miałaby miejsce w przypadku braku mostka termicznego. Obliczenia powinny być zgodne ze wszystkimi innymi znormalizowanymi obliczeniami przenikania ciepła, przy przyjęciu takich samych warunków brzegowych.

Wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła zależą od sposobu wymiarowania budynku zastosowanego w obliczeniach pola powierzchni, przez którą przepływa strumień cieplny, stąd przy obliczeniach liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ, należy podać system wymiarowania, na którym są one oparte:

• Ψ_i – przy zastosowaniu wymiarów wewnętrznych,
• Ψ_oi – przy zastosowaniu wymiarów osiowych,
• Ψ_e – przy zastosowaniu wymiarów zewnętrznych (RYS. 7).

Na RYS. 7 przedstawiono sposób wyznaczania liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)] według wewnętrznego i zewnętrznego systemu wymiarowania w odniesieniu do wybranego mostka cieplnego. Wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła dla wewnętrznego systemu wymiarowania wynosi:

Wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła dla zewnętrznego systemu wymiarowania wynosi:

lub:

Wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła dla osiowego systemu wymiarowania wynosi:

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. Przykładową klasyfikację wpływu mostków cieplnych w zależności od wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ podano w TABELI 1.

Zasadne staje się sformułowanie wartości maksymalnych wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła dla mostków cieplnych w rozporządzeniu [6].

Sprawdzenie ryzyka rozwoju pleśni w miejscu mostka cieplnego przeprowadza się za pomocą porównania wartości obliczeniowej czynnika temperaturowego ƒ_Rsi(2D) w miejscu mostka cieplnego z wartością graniczną (krytyczną) ƒ_Rsi(kryt.). Jeżeli spełniona jest nierówność ƒ_Rsi(2D) ≥ ƒ_Rsi(kryt.), nie występuje ryzyko rozwoju pleśni na wewnętrznej powierzchni przegrody.

Czynnik temperaturowy (w miejscu mostka cieplnego) ƒ_Rsi(2D) określa się wg wzoru:

gdzie:

θ_si,min. – temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni przegrody mostka cieplnego [°C],
θ_e – temperatura powietrza zewnętrznego [°C],
θ_i – temperatura powietrza wewnętrznego [°C].

Czynnik temperaturowy krytyczny ƒ_Rsi(kryt.) można określić:

• w sposób uproszczony dla t_i = 20°C, φ = 50%, ƒ_Rsi(kryt.) = 0,72,
• w sposób dokładny.

Procedury obliczeniowe w tym zakresie przedstawiono m.in. w pracy [8]. Wartość krytyczna czynnika temperaturowego ƒ_Rsi(kryt.) dla trzeciej klasy wilgotności w pomieszczeniu przy t_i = 20°C wynosi odpowiednio:

• dla lokalizacji Bydgoszcz ƒ_Rsi(kryt.) = 0,785,
• dla lokalizacji Warszawa ƒ_Rsi(kryt.) = 0,789 [8].

Zasady wykonywania obliczeń numerycznych mostków termicznych (w ujęciu stacjonarnym)

Proces obliczania mostków cieplnych przy zastosowaniu programu komputerowego składa się z kilku etapów:

• modelowanie i siatka podziału złączy – mostków cieplnych,
• przyjęcie warunków brzegowych,
• określenie charakterystyki materiałowej mostków cieplnych,
• obliczenia parametrów cieplno-wilgotnościowych mostków cieplnych,
• opracowanie katalogu mostków cieplnych.

Modelowanie i siatka podziału złączy – mostków cieplnych wykonuje się m.in. w oparciu o PN-EN ISO 10211:2008 [7] opisane szczegółowo m.in. w pracy [8].

W ocenie mostków cieplnych zasadnicze znaczenie ma wybór warunków brzegowych, zwłaszcza że mogą się one różnić w zależności od rodzaju obliczeń (TABELA 2, RYS. 8–9).

Określenie charakterystyki materiałowej polega na przypisaniu wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] dla poszczególnych materiałów budowlanych. W przykładzie obliczeniowym przedstawiono procedurę określania parametrów cieplno-wilgotnościowych wybranego mostka cieplnego. Na podstawie szczegółowych i miarodajnych obliczeń parametrów fizykalnych można opracować karty katalogowe mostków cieplnych prezentowane m.in. w pracy [8].

Parametry fizykalne wybranych złączy ścian zewnętrznych ocieplonych od zewnątrz i wewnątrz

W celu poszukiwania poprawnego rozwiązania układu materiałowego spełniającego obowiązujące wymagania dla budynków o niskim zużyciu energii należy wykonać szczegółowe obliczenia parametrów fizykalnych złączy przegród zewnętrznych w kilku wariantach obliczeniowych. W artykule rozpatrywano połączenie ściany zewnętrznej z oknem w przekroju przez ościeżnicę przy zróżnicowanym usytuowaniu ocieplenia.

Do obliczeń wytypowano następujące warianty:

• wariant I (RYS. 10–13):
  - ściana zewnętrzna z cegły pełnej gr. 25 cm [λ = 0,77 W/(m·K)],
  - tynk gipsowy gr. 1,5 cm [λ = 0,40 W/(m·K)),
  - stolarka okienna: przypadek A – U_w = 1,75 W/(m²·K),
  - przypadek B – U_w = 0,86 W/(m²·K),

• wariant II (RYS. 14–17):
  - ściana zewnętrzna z cegły pełnej gr. 25 cm [λ = 0,77 W/(m·K)],
  - tynk gipsowy gr. 1,5 cm [λ = 0,40 W/(m·K)],
  - izolacja termiczna od zewnątrz:
      płyty rezolowe gr. 10, 12, 15 i 20 cm [λ = 0,021 W/(m·K)],
      stolarka okienna U_w = 0,86 W/(m²·K), bez węgarka,

• wariant III (RYS. 18–21):
  - ściana zewnętrzna z cegły pełnej gr. 25 cm [λ = 0,77 W/(m·K)],
  - tynk gipsowy gr. 1,5 cm [λ = 0,40 W/(m·K)],
  - izolacja termiczna od zewnątrz:
     płyty rezolowe gr. 10, 12, 15 i 20 cm [λ = 0,021 W/(m·K)],
     stolarka okienna U_w = 0,86 W/(m²·K); z węgarkiem (ocieplenie zachodzi na ościeżnicę – 4 cm),

• wariant IV (RYS. 22–25):
  - ściana zewnętrzna z cegły pełnej gr. 25 cm [λ = 0,77 W/(m·K)],
  - tynk gipsowy gr. 1,5 cm [λ = 0,40 W/(m·K)],
  - izolacja termiczna od wewnątrz:
     płyty rezolowe gr. 10, 12, 15 i 20 cm [λ = 0,021 W W/(m·K)],
     stolarka okienna U_w = 0,86 W/(m²·K), bez węgarka,

• wariant V (RYS. 26–29):
  - ściana zewnętrzna z cegły pełnej gr. 25 cm [λ = 0,77 W/(m·K)],
  - tynk gipsowy gr. 1,5 cm [λ = 0,40 W/(m·K)],
  - izolacja termiczna od wewnątrz:
     płyty rezolowe gr. 10, 12, 15 i 20 cm [λ = 0,021 W/(m·K)],
     stolarka okienna U_w = 0,86 W/(m²·K), z węgarkiem (ocieplenie zachodzi na ościeżnicę – 4 cm).

Dla ww. wariantów określono parametry fizykalne, przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO przyjmuje się następujące założenia:

• modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami przedstawionymi w PN-EN ISO 10211:2008 [7],
• opory przejmowania ciepła (R_si, R_se) przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [11] przy obliczeniach strumieni cieplnych oraz wg PN-EN ISO 13788:2003 [10] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego ƒ_Rsi(2D),
• 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 tabel w pracy [8].

Na RYS. 10–29 przedstawiono graficzne wyniki symulacji komputerowej analizowanego złącza przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO-KOBRU 86, a w TABELI 3 zestawiono wyniki przeprowadzonych obliczeń.

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń (TABELA 3) można stwierdzić, że analizowane złącza budowlane generują dodatkowe straty ciepła wynikające z połączenia ściany zewnętrznej z oknem. Połączenie ściany zewnętrznej z oknem z ociepleniem od wewnątrz lub zewnątrz bez węgarka generują znacznie wyższe wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ niż analizowane złącze z węgarkiem. Dodatkowo należy zauważyć, że w analizowanych wariantach obliczeniowych następuje znaczne obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego (t_min.). Takie zjawisko prowadzi do ryzyka rozwoju pleśni (wartość czynnika temperaturowego ƒ_Rsi(2D) < ƒ_Rsi(kryt.)), przyjmując dla lokalizacji Bydgoszcz ƒ_Rsi(kryt.) = 0,785.

Podsumowanie i wnioski

Projektowanie złączy budowlanych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym powinno opierać się na podstawie wyników obliczeń numerycznych ich podstawowych parametrów fizykalnych lub na podstawie profesjonalnie opracowanych katalogów mostków cieplnych.

Pomijanie wpływu mostków cieplnych w zakresie straty ciepła przez przenikanie jest nieuzasadnione. Określenie wartości maksymalnych liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_max. w rozporządzeniu [6] ograniczyłoby stosowanie rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych źle zaprojektowanych złączy w aspekcie cieplnym.

Sprawdzenie ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej (ryzyka rozwoju pleśni powinno opierać się na podstawie miarodajnych i indywidualnych obliczeń złącza budowlanego z uwzględnieniem parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego.

Zasadne jest prowadzenie obliczeń numerycznych indywidualnych złączy budowlanych oraz opracowywanie katalogu złączy budowlanych niezbędnych do projektowania budynków w standardzie niskoenergetycznym.

Literatura

 1. W. Żenczykowski, „Budownictwo ogólne” t. III „Ochrona cieplna budynków”, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1997.
 2. A. Dylla, „Fizyka budowli”, Wydawnictwa Uczelniane w Bydgoszczy, 1985.
 3. A. Dylla, „Ochrona cieplna słabych miejsc w przegrodach budowlanych”, Wydawnictwo ART, Olsztyn 1988.
 4. W.N. Bogosłowski, „Procesy cieplne i wilgotnościowe w budynkach”, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1985.
 5. P. Wouters, J. Schietecata, P. Standaert, K. Kasperkiewicz, „Cieplno-wilgotnościowa ocena mostków cieplnych”, Wydawnictwo ITB, Warszawa 2004.
 6. 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. zmianami; DzU z 2022 r., poz. 248).
 7. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
 8. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2016.
 9. PN-EN ISO 14683:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne”.
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. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
12. PN-B-02403:1982, „Ogrzewnictwo. Temperatury obliczeniowe zewnętrzne”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!