Wpływ zawilgocenia przegród zewnętrznych na zmianę temperatury powierzchni przegrody i wielkość strat ciepła

*****
Artykuł prezentuje wyniki analizy wpływu zawilgocenia cegły ceramicznej na współczynnik przewodzenia ciepła i wskazuje na problem, jakim jest oddziaływanie zawilgocenia przegród zewnętrznych na zmianę temperatury wewnętrznej powierzchni przegrody i wielkość strat ciepła. Wzrost stopnia zawilgocenia przegrody powoduje wzrost wartości współczynnika przenikania ciepła, co wpływa bezpośrednio na obniżenie temperatury wewnętrznej powierzchni ściany zewnętrznej i odczucia cieplne użytkowników budynków oraz na temperaturę operatywną. Dodatkowo w przypadku obniżenia temperatury powierzchni ściany poniżej temperatury punktu rosy występuje wykroplenie się wilgoci na powierzchni ściany, co przy braku prawidłowo działającej wentylacji prowadzi do rozwoju grzybów pleśniowych. Chcąc zapobiec wystąpieniu w analizowanym budynku negatywnych skutków niekorzystnego obniżenia temperatury przegród, zaproponowano docieplenie ścian od zewnątrz, wskazując na konieczność wcześniejszego ich osuszenia. Po dociepleniu budynku konieczna jest modernizacja istniejącej instalacji grzewczej i dopasowanie jej do nowych, obniżonych wartości strat ciepła.

The effect of moisture in building walls on the change of their surface temperature and the building heat loss

The article presents the results of an analysis of the effect of moisture on the heat transfer coefficient of a clay brick, and points out the problem of how moisture in the building envelope affects the change in the temperature of the internal surface of the wall and the amount of heat loss. An increase in the amout of moisture content of the building material results in a higher value of the thermal conductivity coefficient, which causes an increase in the heat transfer coefficient and thus also in the transmission heat loss of the building. A higher value of heat transfer coefficient has a direct effect on lowering the temperature of the inner surface of the exterior wall, which has a significant impact on the thermal sensations of building occupants by affecting the operative temperature. In addition, when the wall surface temperature is lower than the dew point temperature, moisture condensation occurs on the wall surface, which, in the absence of properly functioning ventilation, leads to the development of mold. In order to prevent the occurrence in the analyzed building of the negative effects of an unfavorable decrease in the temperature of the walls, it was proposed to insulate them from the outside, emphasizing the need to dry them beforehand. After insulating the walls, it is necessary to modernize the existing installation and adjust it to the new reduced heat losses of the building.
*****

Częstym problemem w budownictwie jest występowanie grzybów strzępkowych (określanych też jako grzyby pleśniowe lub potocznie jako pleśń) wewnątrz mieszkań na ścianach zewnętrznych. Dzieje się tak m.in. dlatego, że powietrze zewnętrzne i wewnętrzne zawiera wilgoć, która w przypadku nieprawidłowo działającej wentylacji, niedostatecznego docieplenia przegród, braku izolacji przeciwwilgociowej czy złego stanu technicznego przegród może się skraplać na wewnętrznej powierzchni ściany zewnętrznej. Kiedy nagromadzona wilgoć nie ma możliwości odparowania, powstają idealne warunki i podłoże do rozwoju grzybów pleśniowych, które nie tylko negatywnie wpływają na strukturę materiału budowlanego, ale także powodują liczne dolegliwości układu oddechowego i wywołują choroby u użytkowników budynków.

Czytaj też: Woda i jej obecność w strukturze materiałów budowlanych

W nowym budownictwie wykwit pleśni na ścianach zewnętrznych nie powinien występować m.in. ze względu na dobrze i poprawnie technicznie zaizolowane termicznie przegrody, a tym samym wyższe temperatury powierzchni ścian. Graniczne wartości dotyczące współczynnika przenikania ciepła zdefiniowane są w warunkach technicznych (WT) [ 11 ], które wprowadzają do polskich przepisów wytyczne dyrektywy EPBD [ 24 ] dotyczące zapotrzebowania na energię i redukcji emisji CO₂ w budownictwie.

Skąd się bierze woda w materiałach budowlanych?

Wilgoć w materiałach budowlanych może pochodzić zarówno z otoczenia zewnętrznego budynku (opady atmosferyczne, para wodna zawarta w powietrzu, podciąganie kapilarne z gruntu, wysoki poziom wód gruntowych) jak i z jego wnętrza (wilgoć budowlana pochodząca z procesów technologicznych, para wodna od użytkowników i ich funkcjonowania, wilgoć eksploatacyjna). Jej transport odbywa się w wyniku podciągania kapilarnego, konwekcji i dyfuzji.

Kapilarność materiałów to zdolność materiału do podciągania lub obniżania poziomu cieczy za pomocą sił kapilarnych w przestrzeni w materiale budowlanym, czyli w mikrokanalikach zwanych porami. Transport wilgoci zawartej w powietrzu może się odbywać na drodze konwekcji i zachodzić w sposób naturalny bądź wymuszony na skutek działania wentylacji. Im wyższa temperatura powietrza, tym więcej wilgoci może zostać zaabsorbowane.

Transport wilgoci może się odbywać także w wyniku różnic ciśnienia cząstkowego pary pomiędzy dwoma ośrodkami (pomieszczeniami, przestrzeniami).

Miarą odporności przegrody lub materiału na przenikanie pary wodnej jest opór dyfuzyjny [ 2 ]. Ciśnienie cząstkowe to ciśnienie wywierane przez cząsteczki pary wodnej w powietrzu. Ośrodki o różnych wartościach tych ciśnień dążą do stanu równowagi, co determinuje transport wilgoci z ośrodka o wyższych wartościach do tego o niższych.

Transport wilgoci jest zjawiskiem naturalnym, jednak w niekorzystnych warunkach może wywołać niepożądany efekt w postaci wykroplenia się wilgoci (kondensacja pary wodnej zawartej w powietrzu) w przegrodzie budowlanej lub na jej powierzchni w momencie bezpośredniego zetknięcia się powietrza o danej temperaturze i wilgotności z materiałem o temperaturze niższej niż temperatura punktu rosy.

Zawartość wilgoci w materiale budowlanym, jego struktura i rodzaj mają bezpośredni wpływ na właściwości fizyczne, cieplne i termoizolacyjne materiału. W przypadku materiałów budowlanych nieodpornych na wilgoć i nasiąkliwych wzrost zawartości wilgoci powoduje wzrost współczynnika przewodzenia ciepła [ 4, 5, 15, 16, 17, 18, 19 ]. Zależność tę można zaobserwować w wynikach badań konkretnych materiałów budowlanych przeprowadzonych przez A. Siwińską i H. Garbalińską, opisanych w artykule [ 5 ].

Analizie poddano zmienność parametrów wybranych materiałów budowlanych, m.in. cegły ceramicznej, w zależności od zmiany stopnia ich zawilgocenia. Podczas zmiany wilgotności względnej powietrza okalającego materiał budowlany po jakimś czasie powietrze znajdujące się w jego porach uzyskuje taką samą wilgotność. Stan taki nazywamy równowagą sorpcyjną.

Eksperyment polegał na analizie zależności współczynnika przewodzenia ciepła na próbkach – od materiału wysuszonego do masy stałej do sześciu pośrednich poziomów wilgotności względnej powietrza, tj. do 11, 33, 54, 75, 85 i 98% przy temperaturze 20°C. Średnia gęstość próbek cegły ceramicznej do badania przewodzenia ciepła wynosiła ρ = 1,543 g/cm³.

Analiza wyników umożliwiła wyprowadzenie liniowej zależności opisującej związek między współczynnikiem przewodzenia ciepła a różnym poziomem wilgotności masowej cegły ceramicznej [ 5 ]:

gdzie:

w – wilgotność materiałowa,%.

Pośrednie poziomy wilgotności cegły ceramicznej kontrolowano za pomocą odpowiednich wodnych roztworów soli. Badane próbki materiału budowlanego były kondycjonowane na potrzeby eksperymentu przez rok. Liniowa zależność współczynnika przewodzenia ciepła cegły ceramicznej o wilgotności sorpcyjnej odpowiadającej wilgotności względnej powietrza została przedstawiona na RYS. 1.

Na wykresie widać wyraźnie tendencję wzrostową współczynnika przewodzenia ciepła wraz ze wzrostem stopnia zawilgocenia materiału budowlanego. Jak wskazują autorki [ 5 ], współczynnik λ cegły ceramicznej może wzrosnąć nawet 2,7 razy w stosunku do próbek suchych. Należy zauważyć, że określenie kompletnej izotermy sorpcji badanego materiału budowlanego stanowi w praktyce dużą trudność [ 20 ].

Wystąpienie wilgotności ponadsorpcyjnej, która może się utrzymywać nawet przez kilka lat i w niekorzystnych warunkach eksploatacyjnych prowadzić do okresowej kondensacji pary wodnej w przegrodzie [ 4, 15 ], oraz wzrost stopnia zawilgocenia materiału z powodu jego uszkodzenia czy braku zabezpieczenia przeciwwilgociowego mają bezpośredni i istotny wpływ na obniżenie właściwości termoizolacyjnych materiału oraz temperatury wewnętrznej powierzchni przegrody, która znacząco wpływa na wartość temperatury operacyjnej i bezpośrednio łączy się z obniżeniem poczucia komfortu w użytkowanych pomieszczeniach. Ponadto niska temperatura przegród może prowadzić do wykwitów grzybów pleśniowych na powierzchni ścian, a tym samym do problemów zdrowotnych użytkowników oraz degradacji tkanki budowlanej.

Celem poniższego opracowania jest oszacowanie wpływu zawilgocenia przegród zewnętrznych na zmianę temperatury powierzchni przegrody i wielkość strat ciepła w budynku wielorodzinnym przy uwzględnieniu najbardziej niekorzystnych warunków wilgotnościowych dla ścian zewnętrznych oraz wykazanie, jak ważne jest utrzymanie murów budynków w dobrej kondycji i ich zabezpieczenie przed wpływem wilgoci. Zaproponowano koncepcję docieplenia obiektu wraz z nową koncepcją instalacji ogrzewania.

Założenia przyjęte do analiz

Analizowany obiekt usytuowany jest we Wrocławiu, w II strefie klimatycznej, gdzie projektowa obliczeniowa temperatura powietrza zewnętrznego dla okresu zimowego wynosi –18°C, a średnia roczna wartość temperatury zewnętrznej to 7,9°C. Jest to budynek wielorodzinny, podpiwniczony, o średniej szczelności powietrznej, wentylowany naturalnie ( RYS. na górze ). Na potrzeby analiz ściany zewnętrzne zdefiniowano jako wykonane z cegły ceramicznej.

Sprawdzono, w jakim stopniu zawilgocenie materiału wpływa na temperaturę powierzchni ściany zewnętrznej od strony pomieszczeń oraz straty ciepła przez te przegrody. Analizy wykonano w programie InstalSystem 5 [ 7 ].

Obliczenia przeprowadzono, bazując na temperaturowych warunkach projektowych. Wilgotność względną w pomieszczeniu przyjęto na poziomie φ = 55%.

Wilgotność zewnętrzna została określona na podstawie danych klimatycznych dla Wrocławia.

Miesiące okresu grzewczego – styczeń, listopad i grudzień – cechują się najwyższą średnią wartością wilgotności względnej powietrza zewnętrznego. Bazując na danych zawartych w [ 8 ], do analiz przyjęto wartość 82% RH. W odniesieniu do wyżej opisanych warunków wewnętrznych obliczono punkt rosy, który wynosi 10,7°C.

Dla różnych stopni zawilgocenia przegrody wykonano obliczenia współczynnika przewodzenia ciepła materiału w celu sprawdzenia, jak będzie się kształtowała jego zmienność oraz jak zmieni się temperatura powierzchni, tj. analizowano ryzyko wykroplenia się wilgoci.

Analizy

W pierwszej kolejności przeprowadzono analizę dla szeregu wartości współczynnika przewodzenia ciepła wyliczonego zgodnie z równaniem (1), następnie opisano wyniki uzyskane dla trzech wybranych wariantów.

Dla każdego z wariantów wyszczególniono charakterystyczne założenia:

• stopień zawilgocenia muru właściwego,
• współczynnik przewodzenia ciepła odpowiadający danej wilgotności materiału budowlanego,
• niezmienną średnią gęstość próbki dla cegły ceramicznej.

W obliczeniach dotyczących określenia temperatury ściany na potrzeby analizy wykraplania się wilgoci wykorzystano dwie wartości oporu cieplnego R_si, zgodnie z PN-EN ISO 13788 [ 14, 19 ]:

• 0,167 (m²·K)/W – graniczna wartość przyjmowana do analizy wykroplenia się wilgoci na ścianie z dala od mostków termicznych;
• 0,25 (m²·K)/W – wartość przyjmowana do analizy wykroplenia się wilgoci dla najbardziej niekorzystnych warunków i analiz ryzyka wystąpienia kondensacji w narożach.

Obie wartości oporu cieplnego uwzględnione zostały w obliczeniach temperatury wewnętrznej powierzchni ściany zewnętrznej ( ϑ_i ), którą wyliczono ze wzoru:

Wariant pierwszy

W sytuacji gdy cegła ceramiczna występuje w wysuszonej postaci o masie stałej, czyli wilgotności 0%, charakteryzuje się najniższym współczynnikiem przewodzenia ciepła λ = 0,533 W/(m·K), a tym samym najniższą wartością w stosunku do pozostałych wariantów, natomiast cała przegroda współczynnikiem przenikania ciepła U = 0,89W/(m²·K). Obliczona temperatura powierzchni wewnętrznej ściany zewnętrznej w zależności od przyjętej wartości oporu wnikania po stronie wewnętrznej wynosi odpowiednio:

a) dla R_si = 0,167 (m²·K)/W, ϑ_i = 14,5°C;
b) dla R_si = 0,25 (m²·K)/W, ϑ_i = 12,3°C.

Obie wartości temperatur powierzchni ściany są wyższe niż obliczona dla warunków wewnętrznych temperatura punktu rosy, zatem wykroplenie na powierzchni przegrody nie wystąpi nawet w najbardziej niekorzystnych miejscach, takich jak naroża.
Zgodnie z praktyką inżynierską do obliczeń cieplnych przyjmuje się, że mur z cegły w eksploatowanym budynku powinien być w stanie powietrzno-suchym, tj. cegła nie powinna przekraczać 3% wilgotności masowej [ 22 ], co odpowiada wartości 11% ( w₁₁ ) wilgotności względnej powietrza w badaniu opisanym w [5]. Dla takiego założenia rzeczywista wartość współczynnika λ wynosi ok. 0,63 W/(m·K) i jest to wartość zbliżona do wartości orientacyjnych zawartych w tablicach inżynierskich (patrz: wariant „inżynierski” w TABELI 1 ).

Przy tej wartości λ temperatury powierzchni analizowanej przegrody wynoszą odpowiednio:
a) dla R_si = 0,167 (m²·K)/W, ϑ_i = 13,7°C;
b) dla R_si = 0,25 (m²·K)/W, ϑ_i = 11,3°C.

Temperatury ściany w obu przypadkach są wyższe od temperatury punktu rosy, co oznacza, że wykroplenie powierzchniowe nie wystąpi.

Wariant drugi

Wariant drugi zakłada wyliczenie współczynnika przewodzenia ciepła dla wilgotności sorpcyjnej cegły ceramicznej równej 11%. Wartość tę uzyskano, kondycjonując próbkę przy wilgotności względnej powietrza wynoszącej 40%. Dla tej wielkości nastąpił wzrost współczynnika λ do 0,882 W/(m·K), a współczynnika przenikania ciepła przegrody U  do 1,33 W/(m²·K).

Podwyższona wilgotność masowa może być związana z tzw. wilgotnością początkową materiału (która może się utrzymywać nawet przez kilka lat [ 4 ]) lub wynikać z procesów sorpcji albo zawilgocenia eksploatacyjnego materiału (warunki atmosferyczne, podciąganie kapilarne itp.). W wariancie tym temperatura ściany wewnętrznej wynosi odpowiednio:

a) dla R_si = 0,167 (m²·K)/W, ϑ_i = 11,9°C;
b) dla R_si = 0,25 (m²·K)/W, ϑ_i = 9,1°C.

Uwzględniając współczynnik przewodzenia ciepła dla zawilgocenia cegły ceramicznej na poziomie 11%, zauważamy powiększenie obszaru wykroplenia się wilgoci w przegrodzie. Jednak na powierzchni przegrody z dala od mostków cieplnych (wariant a) wykroplenie nie nastąpi. W tych miejscach temperatura ściany nie spada poniżej granicznej wartości punktu rosy wynoszącej 10,7°C.

W narożach sytuacja jest zdecydowanie niekorzystna – wystąpi kondesacja powierzchniowa. Pomarańczowe pole na RYS. 2, który przedstawia rozkład temperatur i ciśnień pary wodnej dla wariantu, wskazuje na obszar wykroplenia wody w przegrodzie (ciśnienie nasycenia pary wodnej jest niższe od ciśnienia cząstkowego).

Prawidłowo funkcjonujący budynek powinien mieć możliwość odparowania nadmiaru wilgoci w okresach letnich. Jeśli przegroda będzie zawilgocona przez dłuższy czas, możemy się spodziewać wykwitów grzybów pleśniowych na ścianach, a tym samym degradacji materiału i pogorszenia warunków higienicznych w pomieszczeniu. W celu wykluczenia ryzyka wystąpienia pleśni należałoby przeprowadzić dodatkowe analizy zgodnie z wytycznymi normy PN-EN ISO 13788 [ 14 ]

Wariant trzeci

Trzeci wariant zakłada wyliczenie współczynnika przewodzenia ciepła dla stopnia zawilgocenia muru z cegły ceramicznej równego 54%, który może wystąpić w budynkach w złym stanie technicznym, zasolonych, niezabezpieczonych przeciwwilgociowo. Dla tej wartości współczynnik λ rośnie do 2,245 W/(m·K), a tym samym również współczynnik przenikania ciepła przegrody U  rośnie do wartości 2,46 W/(m²·K). Temperatura powierzchni ściany od strony wewnętrznej wynosi odpowiednio:

• dla obszarów z dala od mostków termicznych (R_si = 0,167 (m²·K)/W), ϑ_i = 5,6°C;
• w narożach, dla najbardziej niekorzystnych warunków (R_si = 0,25 (m²·K)/W), ϑ_i = 1,9°C.

W analizowanym przypadku kondensacja następuje na powierzchni wewnętrznej oraz w całym przekroju przegrody, co można zaobserwować na RYS. 3. Temperatura powierzchni wewnętrznej jest bardzo niska, co przekłada się na odczucie dyskomfortu termicznego użytkowników pomieszczeń, a wysoki stopień zawilgocenia ściany negatywnie wpływa na zdrowie i samopoczucie mieszkańców.

W każdym z przeanalizowanych wariantów wraz ze wzrostem zawilgocenia przegrody następuje wzrost współczynników przewodzenia i przenikania ciepła, a tym samym spadek właściwości termoizolacyjnych ściany. Zjawisko to bezpośrednio przekłada się na wzmożony przepływ ciepła i zwiększenie energochłonności obiektu, a tym samym wyższe koszty ogrzewania.

Zawilgocenie i spadek termoizolacyjności ścian są również bezpośrednio związane z obniżaniem temperatury ich powierzchni wewnętrznych, co ma duży wpływ na temperaturę odczuwaną przez użytkowników pomieszczeń. Niskie wartości temperatur przegród i niejednorodność ich rozkładu powodują konieczność podgrzewania powietrza w pomieszczeniach do wyższych temperatur w celu uzyskania warunków komfortu. Przekłada się to na konieczność dostarczenia do obiektu większej ilości energii do ogrzewania, a tym samym wyższe rachunki za tę energię.

Dłuższe okresy zawilgocenia przyczyniają się do degradacji tkanki budowlanej (woda podczas zamarzania powiększa swoją objętość), a nieodparowana w dłuższym okresie wilgoć prowadzi do rozrostu grzybów pleśniowych, które są niebezpieczne dla zdrowia. W prawidłowo funkcjonującej przegrodzie zgromadzona wilgoć powinna mieć możliwość odparowania w miesiącach letnich, a konstrukcja powinna być zabezpieczona przeciwwilgociowo.

Docieplenie budynku

Termoizolacja ścian od zewnątrz jest najpopularniejszą i bardzo efektywną metodą docieplania budynków mieszkalnych. Ma za zadanie zabezpieczyć przegrody budowlane przed utratą ciepła z wnętrza budynku i wykraplaniem się wilgoci. Do analizy wybrano dwa najbardziej popularne materiały termoizolacyjne, tj. styropian i wełnę mineralną.

Polistyren (styropian) odznacza się dużym oporem dyfuzyjnym oraz, ze względu na swoją strukturę, dużą odpornością na zawilgocenie. Koncepcję docieplenia od zewnątrz wykonano dla założeń cieplnych budynku opisanych w pierwszej części artykułu w wariancie trzecim, w którym ściana zewnętrzna przed termomodernizacją charakteryzowała się stopniem zawilgocenia wynoszącym 54%, a w konsekwencji współczynnikiem przewodzenia ciepła λ = 2,245 W/(m·K) i współczynnikiem przenikania ciepła całej przegrody U  = 2,46 W/(m²·K) wyliczonym dla oporów wnikania przyjmowanych dla obliczeń cieplnych, tj. R_si = 0,130 (m²·K)/W. Sprawdzono, jak w przypadku zastosowania docieplenia zmieni się rozkład temperatur w przegrodzie.

Po ociepleniu budynku styropianem o grubości 20 cm współczynnik przenikania ciepła przegrody znacznie zmalał i wynosi U  = 0,18 W/(m²·K). Wartość ta spełnia wymagania izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych zgodnie z WT [ 11 ]. Skutkuje to bardziej korzystnym rozkładem temperatur i mniejszym jej spadkiem w części konstrukcyjnej przegrody, a tym samym wyższą wartością temperatury powierzchni, która wpływa znacząco na temperaturę odczuwalną. Dla najbardziej niekorzystnych warunków, takich jak naroża, miejsca w obszarze strefy martwej, obszary mostków termicznych itp., wynosi ona 18,2°C, tzn. na wewnętrznej powierzchni ściany zewnętrznej nie występuje ryzyko wykroplenia się wilgoci.

Na RYS. 4 widoczny jest niewielki obszar kondensacji w warstwie styropianu, który jednak nie spowoduje żadnych negatywnych skutków. Styropian ze względu na swoją strukturę jest materiałem nienasiąkliwym.

Przeprowadzono także obliczenia dla wełny mineralnej. Mimo że jej atutem jest paroprzepuszczalność i możliwość transportu wilgoci, to przy dużej wilgotności, podczas wystąpienia deszczów nawalnych, przy niedostatecznym zabezpieczeniu, złej kondycji i zawilgoceniu muru właściwego czy kapilarnym podciąganiu wody z gruntu może wystąpić jej nasiąknięcie wodą i znaczny spadek właściwości termoizolacyjnych. Do dalszych analiz wybrano zatem wariant ocieplenia przegród styropianem.

Bilans cieplny budynku przed termomodernizacją i po niej

Przeanalizowano trzy warianty bilansu cieplnego przed termomodernizacją i po niej dla wyliczonych współczynników przewodzenia ciepła wynikających z różnego stopnia zawilgocenia muru z cegły ceramicznej, tj.:

1. materiału budowlanego w stanie suchym o w  = 0% i współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,533 W/(m·K);

2. materiału budowlanego w procesie zawilgocenia i eksploatacji o stopniu zawilgocenia 54% i współczynniku przewodzenia ciepła λ = 2,245 W/(m·K);

3. materiału budowlanego, zdegradowanego, zasolonego, hipotetycznie w pełni mokrego (98%), o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 3,640 W/(m·K).Wszystkie obliczenia cieplne przeprowadzone zostały dla warunków projektowych II strefy klimatycznej. Bilanse cieplne wykonano za pomocą programu InstalSystem 5 [7] i na bazie normy PN-EN-12831:2006 [ 23 ].

Analizując dane przedstawione w TABELI 2, można zauważyć dużą różnicę między wartościami strat ciepła przed termomodernizacją i po niej, zarówno dla całego budynku, jak i samych strat statycznych ( Φ_Tbud, ), to jest związanych z przenikaniem ciepła przez przegrody, w zależności od stopnia zawilgocenia materiału, co pokazano na RYS. 5.

W sytuacji gdy stopień zawilgocenia muru z cegły ceramicznej wynosi 0%, straty ciepła przed termomodernizacją są blisko dwukrotnie wyższe niż po zaizolowaniu ściany zewnętrznej styropianem o grubości 20 cm. W przypadku gdy stopień zawilgocenia muru z cegły ceramicznej wynosi 54%, strata ciepła przez przenikanie po termomodernizacji jest blisko czterokrotnie mniejsza niż przy braku izolacji ściany zewnętrznej.

Największa różnica między stratami ciepła przez przenikanie widoczna jest wtedy, gdy mur z cegły ceramicznej osiąga stopień zawilgocenia na poziomie 98%. Przegroda budowlana po termoizolacji traci przez przenikanie ponad czterokrotnie mniej ciepła niż przed termomodernizacją. Co istotne, przedstawione wyniki dotyczą całego budynku. Wskazują one, jak duży wpływ na wielkość strat ciepła mają przy takiej geometrii obiektu ściany zewnętrzne oraz ich jakość pod względem termicznym.

Przedstawione obliczenia dotyczą jedynie poprawy właściwości termicznych. W przypadku wysokiego stopnia zawilgocenia przegrody przed przystąpieniem do czynności ociepleniowych niezbędne jest doprowadzenie muru do właściwego stanu technicznego pod względem wilgotnościowym, tj. poddanie go osuszaniu oraz wykonanie zabezpieczeń przeciwwilgociowych. Już sam proces osuszania niesie za sobą obniżenie współczynnika λ i wpływa pozytywnie na obniżenie strat ciepła przez przegrodę.

Propozycja zmian w systemie ogrzewania budynku

Dla budynku poddanego termomodernizacji w wariancie pośrednim obliczono nową moc cieplną źródła na cele centralnego ogrzewania – wynosi ona 41,9 kW. Przyjęto parametry zasilania i powrotu instalacji równe 80/60°C. Jako źródło ciepła zaproponowano gazowy kocioł kondensacyjny firmy Viessmann zasilany gazem typu E. Obliczony strumień zużywanego gazu dla nowej jednostki grzewczej wynosi niecałe 5 m³/h. Po przeprowadzonej termomodernizacji budynku ze względu na dużo niższe obciążenia cieplne pomieszczeń konieczny był również dobór nowych wielkości grzejników w poszczególnych pomieszczeniach.

Podsumowanie

Przedstawiona analiza cieplno-wilgotnościowa materiału budowlanego, przeprowadzona na przykładzie muru ceglanego, potwierdza zależność wpływu stopnia zawilgocenia materiału na współczynnik przewodzenia ciepła λ, temperaturę powierzchni przegrody oraz stopień ryzyka wykroplenia się wilgoci. Wyższy poziom zawilgocenia materiału skutkował wzrostem współczynnika przewodzenia ciepła, a tym samym wzrostem współczynnika przenikania ciepła U  całej przegrody.

Przeprowadzone analizy ( RYS. 6 ) wykazały znaczny wzrost sumarycznych strat ciepła przez przenikanie dla ścian przed termomodernizacją na skutek zwiększenia się zawilgocenia materiału budowlanego. Dla tych samych warunków temperaturowych i wilgotnościowych panujących w pomieszczeniach i na zewnątrz budynku podczas skrajnie różnych stopni zawilgocenia materiału budowlanego, tj. 0 i 98%, oszacowano różnicę sumarycznej straty ciepła przez przenikanie na poziomie blisko 60 kW dla całego budynku. Zaproponowano zaizolowanie ścian zewnętrznych styropianem o grubości 20 cm, co spowodowało istotne obniżenie pierwotnych wartości współczynnika przenikania ciepła ( TABELA 3 ), a tym samym projektowego obciążenia cieplnego budynku.

Po przeprowadzeniu termomodernizacji budynku wzrost wartości współczynnika przewodzenia ciepła na skutek zawilgocenia materiału (cegły ceramicznej) nie ma znaczącego wpływu na wielkość sumarycznych strat ciepła w budynku. Trzeba jednak zaznaczyć, że zaleganie wilgoci w przegrodach jest niekorzystne z punktu widzenia trwałości i bezpieczeństwa konstrukcji oraz rozwoju grzybów pleśniowych na ścianach, dlatego przed przystąpieniem do działań ociepleniowych należy osuszyć i zabezpieczyć przegrody przed dalszym chłonięciem wody z otoczenia zewnętrznego (opady atmosferyczne, podciąganie kapilarne), przeprowadzić dodatkowe analizy związane z samym procesem zachowania się wody w przegrodzie, wykluczyć ryzyko rozwoju czy zaistnienia grzybów pleśniowych, a także zastosować techniki osuszenia ścian i odparowania kondensatu.

Wzrost współczynników λ i U  w wyniku zawilgocenia ściany ma istotny wpływ na temperaturę powierzchni ściany od wewnętrznej strony przegrody. Jedną z kluczowych informacji w analizie było wyznaczenie punktu rosy, która definiowała granicę wystąpienia wykroplenia wilgoci na wewnętrznej powierzchni ściany zewnętrznej. Długotrwałe zawilgocenie ścian prowadzi do wystąpienia grzybów pleśniowych, które są niebezpieczne dla zdrowia, negatywnie wpływają na jakość życia użytkowników i prowadzą do występowania wśród nich objawów syndromu chorego budynku.

Wilgoć zaabsorbowana w ścianach może być również wynikiem wykorzystania dużych ilości wody w procesie budowlanym w pierwszych latach użytkowania budynków. Istotna jest znajomość tego zagadnienia, gdyż wiąże się ono z większą ilością energii zużywanej przez budynek na cele grzewcze w pierwszych latach eksploatacji – są to lata, w których budynek wysycha. Niejednokrotnie nieznajomość tego zagadnienia prowadzi do nieekonomicznego i nieefektywnego wykorzystania czy nadmiernej eksploatacji źródeł ciepła, takich jak pompy ciepła. Wiąże się to z ryzykiem ponoszenia nieuzasadnionych wysokich kosztów energii, a także wystąpienia awarii technicznych, np. zamarzania wymienników gruntowych.

Podsumowując: zagadnienie występowania wilgoci w przegrodach oraz znajomość procesów, na które ona wpływa, są bardzo istotne z punktu widzenia zużycia energii przez budynek oraz zdrowego i komfortowego funkcjonowania jego użytkowników.

Podziękowania dla dr. inż. Bartłomieja Monczyńskiego za cenne uwagi i wskazówki
Artykuł pochodzi z miesięcznika „Rynek Instalacyjny” 11/2023

Literatura

1. „Wełna mineralna i jej odporność na wodę”, https://inzynierbudownictwa.pl
2. „Paroprzepuszczalność czy dyfuzja, czyli jak określać wysokoparoprzepuszczalność MWK”, https://www.izolacje.com.pl
3. „Kondensacja pary wodnej na szybach zespolonych”, www.glass.pl
4. A. Bobociński, „Wpływ wilgotności ponadsorpcyjnej na przewodność cieplną betonów komórkowych”, „Prace Instytutu Techniki Budowlanej – Kwartalnik” 4(132), 2004.
5. H. Garbalińska, A. Siwińska, „Niestacjonarne pomiary współczynnika przewodzenia ciepła porowatych materiałów budowlanych”, „Fizyka budowli w teorii i praktyce”, s. 87–90, 2011.
6. User’s guide ISOMET model 2104.
7. https://instalsoft.com/pl/produkty/instalsystem-5/
8. https://pl.climate-data.org
9. https://www.odbiory.pl
10. L. Zawadzki, „Docieplamy – ogólna wiedza na temat termoizolacji budynków”, https://www.chemiabudowlana.info/bso,art,6218,bso_polecane,docieplamy_ogolna_wiedza_na_temat_termoizolacji_budynkow.
11. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakimi powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2022 r., poz. 1225).
12. Viessmann, Vitocrossal 300 CU3A, https://www.viessmann.pl
13. „Fizyka budowli (podstawy)”, https://www.muratorplus.pl/technika/izolacje/fizyka-budowli-podstawy-aa-U5vX-NGic-cpxn.html
14. PN-EN ISO 13788 „Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacja międzywarstwowa. Metoda obliczania”.
15. A. Bobociński, „Wpływ wilgotności sorpcyjnej na przewodność cieplną betonów komórkowych”, „Prace Instytutu Techniki Budowlanej – Kwartalnik” 4(128), 2003.
16. P. Gębarowski, K. Łaskawiec, „Transport wilgoci w betonie komórkowym”, „Materiały Budowlane” 4(548), 2018.
17. A. Bobociński, „Dyskusja czynników konwersji współczynnika przewodzenia ciepła z uwagi na zawartość wilgoci”, „Prace Instytutu Techniki Budowlanej – Kwartalnik” 4(128), 2003.
18. R. Jarmontowicz, W. Babik, „Absorpcja wody ceramicznych wyrobów budowlanych”, „Ceramika Budowlana” 3–4/2013.
19. A. Dylla, „Fizyka cieplna budowli w praktyce. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe”, PWN, Warszawa 2015.
20. B. Monczyński, „Badanie wilgotności mineralnych materiałów budowlanych”, Izolacje 2/2019.
21. Kalkulator punktu rosy, https://www.kefasystem.com/
22. K. Kamiński, „Wilgotność higroskopijna podstawą diagnostyki stanu zawilgocenia przegrody budowlanej”, „Materiały
Budowlane” 3(499), 2014.
23. PN-EN-12831 „Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego”.
24. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (Dz.Urz. UE L 153/13 z 18.06.2010).