Ocena parametrów fizykalnych złączy budowlanych budynków w zróżnicowanych standardach energetycznych

*****
W artykule przedstawiono zasady określania parametrów fizykalnych i oceny złączy budowlanych oraz wpływu mostków cieplnych w całkowitych stratach ciepła.

Assessment of physical parameters of building joints in various energy standards

The article presents the principles of determining physical parameters and assessing building joints, as well as the impact of thermal bridges on total heat losses.
*****

Parametry fizykalne złączy budowlanych

Rozwiązaniem złącza budowlanego (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.

Czytaj też: Projektowanie złączy budowlanych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym

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.

Podstawowymi parametrami charakteryzującymi mostki cieplne są:

• liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)], obliczany na podstawie normy PN-EN ISO 10211:2017 [1] lub przyjmować ich wartości na podstawie katalogu mostków cieplnych (np. załącznik do prac [2, 3]) oraz normy PN-EN I SO 14683:2017 [4],
• punktowy współczynnik przenikania ciepła χ [W/K], obliczany na podstawie normy PN-EN ISO 10211:2017 [1] 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 10211:2017 [1] z uwzględnieniem PN-EN ISO 13788:2003 [5] 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.

Procedury obliczeniowe w zakresie wyznaczania parametrów fizykalnych złączy budowlanych oraz opracowania katalogów mostków cieplnych przedstawiono m.in. w pracach [2, 3].

Przykład obliczeniowy 1

Przykład obliczeniowy dotyczy wybranego złącza budowlanego budynku, w którym przegrody spełniają wymagania dla standardów:

• budynku o niskim zużyciu energii (WT 2021),
• budynku niskoenergetycznego (NF40),
• budynku pasywnego (NF15).

Do obliczeń wytypowano połączenie ściany zewnętrznej z oknem w przekroju przez nadproże z uwzględnieniem stropu i podłogi pływającej (RYS. 1–3) i przyjęto następujące założenia:

• modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami przedstawionymi w PN -EN ISO 10211:2017 [1];
• opory przejmowania ciepła (R_si, R_se) przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2017 [6] przy obliczeniach strumieni cieplnych:
  - R_si = 0,13 (m²·K)/W – w przypadku poziomego przepływu ciepła;
  - R_si = 0,10 (m²·K)/W – przepływ ciepła w górę;
  - R_si = 0,17 (m²·K)/W – przepływ ciepła w dół;
  - R_se = 0,04 (m²·K)/W)
  oraz PN-EN ISO 13788:2003 [5] przy obliczeniach rozkładu temperatury i czynnika temperaturowego
  - R_si = 0,25 (m²·K)/W;
  - R_se = 0,04 (m²·K)/W) – RYS. 4–6,

• temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C (pokój dzienny); temperatura powietrza zewnętrznego t_e = -20°C (III strefa) – RYS. 4–6,
• wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie danych producentów;
  - wartość współczynnika przenikania ciepła ramy okiennej U_f = 0,90 W/(m²·K);
  - wartość współczynnika przenikania ciepła ramy okiennej U_g = 0,50 W/(m²·K).

Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych analizowanego złącza przy zastosowaniu programu komputerowego Therm [7] zestawiono w TABELI 1.

Wykonanie indywidualnych dla złącza budowlanego obliczeń parametrów fizykalnych pozwala na miarodajne określenie strat ciepła przez przenikanie oraz sprawdzenie ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej. Wyznaczono wartości gałęziowych współczynników przenikania ciepła w odniesieniu do poszczególnych części złącza:

• Ψ_ig – wartość liniowego (gałęziowego) współczynnika przenikania ciepła dla górnej części złącza,
• Ψ_id – wartość liniowego (gałęziowego) współczynnika przenikania ciepła dla dolnej części złącza,
• Ψ_io – wartość liniowego (gałęziowego) współczynnika przenikania ciepła dla okna.

Po wykonaniu obliczeń numerycznych złączy budowlanych można opracować karty katalogowe mostków cieplnych współczesnych budynków, które stanowią załącznik do prac [2, 3].

Przykład obliczeniowy 2

Przykład obliczeniowy dotyczy określenia strat ciepła przez przenikanie z uwzględnieniem liniowych mostków cieplnych.

Określenie strat ciepła przez przenikanie jest jednym z parametrów potrzebnych do obliczenia całkowitej ilości ciepła przenoszonego ze strefy ogrzewanej w n-tym miesiącu roku, a w dalszej kolejności do obliczenia zapotrzebowania na energię użytkową EU [kWh/(m²·rok)], energię końcową EK [kWh/(m²·rok)] i nieodnawialną energię pierwotną EP [kWh/(m²·rok)]. Procedurę obliczeń w tym zakresie zawarto w rozporządzeniu [8].

Całkowita ilość ciepła przenoszonego ze strefy ogrzewanej w n-tym miesiącu roku:

gdzie:

Q_tr,s – całkowita ilość ciepła przenoszonego ze strefy ogrzewanej przez przenikanie w n-tym miesiącu roku [kWh/m-c],
Q_ve,s – całkowita ilość przenoszonego ze strefy ogrzewanej przez wentylację w n-tym miesiącu roku [kWh/m-c].

Całkowita ilość ciepła przenoszonego ze strefy ogrzewanej przez przenikanie [3]:

gdzie:

Htr– całkowity współczynnik przenoszenia ciepła przez przenikanie dla strefy ogrzewanej, określany zgodnie z normą PN-EN 12831:2006 [9] [W/K],
θ_nt,s,H – średnia temperatura wewnętrzna w strefie ogrzewanej [°C],
θ_e,n – średnia miesięczna temperatura powietrza zewnętrznego wg danych klimatycznych z najbliższej względem lokalizacji budynku stacji meteorologicznej [°C],
t_M – liczba godzin w miesiącu [h].

Rozróżniamy dwa rodzaje strat ciepła – bezpośrednio na zewnątrz (czyli przenikania ciepła ze strefy ogrzewanej na zewnątrz H_T,ie [W/K]) i przez przestrzeń nieogrzewaną (czyli z przestrzeni ogrzewanej do otoczenia H_T,ue [W/K]).

Współczynnik H_T,ie „zależy od wszystkich elementów budynku i liniowych mostków cieplnych oddzielających przestrzeń ogrzewaną od środowiska zewnętrznego, tj. ściany, podłogi, stropy, drzwi, okna…” [10].

Współczynnik przenoszenia ciepła dla budynku przez przenikanie bezpośrednio na zewnątrz wg PN-EN 12831 [9]:

gdzie:

A_k – powierzchnia elementu budynku (k) [m²],
U_k – współczynnik przenikania ciepła przegrody (k) [W/(m²·K)],
Ψ_i – współczynnik przenikania ciepła liniowego mostka cieplnego (i) [W/(m·K)], określany na podstawie PN-EN ISO14683:2017 [4] (ocena przybliżona) lub na podstawie obliczeń numerycznych w oparciu o PN-EN ISO 10211:2017 [1],
l_i – długość liniowego mostka cieplnego (i) między przestrzenią wewnętrzną a zewnętrzną [m],
e_k, ei – współczynniki korekcyjne ze względu na orientację, z uwzględnieniem wpływów klimatu: tj. różne izolacje, absorpcja wilgoci przez elementy budynku, prędkość wiatru i temperatura powietrza, w przypadku, gdy te wpływy nie zostały uwzględnione przy określaniu współczynnika U; współczynniki te powinny być określane na podstawie danych krajowych; przy braku danych krajowych przyjąć e_k=1,0, e_i=1,0, zgodnie z normą PN-EN 12831:2006 [9].

Do obliczeń wytypowano dwie ściany zewnętrzne budynku (RYS. 7–8), przyjmując następujące założenia:

• ściana zewnętrzna o zróżnicowanych wartościach współczynnika przenikania ciepła U_c (TABELA 2),
• wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_i przyjęto na podstawie katalogu mostków cieplnych – załącznik do pracy [3].

Wyniki obliczeń współczynnika strat ciepła przez przenikanie H_D dla analizowanych ścian zewnętrznych zestawiono w TABELI 2.

Wartości współczynnika strat ciepła przez przenikanie H_D zależą od parametrów cieplnych przegród zewnętrznych (współczynnik przenikania ciepła ściany zewnętrznej i okna), wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła oraz parametrów geometrycznych (powierzchnie ściany zewnętrznej i okna oraz długości mostków cieplnych).

Przykład obliczeniowy 3

Przykład dotyczy sprawdzenia ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej (ryzyko rozwoju pleśni) w złączach budowlanych.

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 i grzybów pleśniowych 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 [2]. 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 [2].

W analizowanych złączach (TABELA 1) nie występuje ryzyko kondensacji powierzchniowej (ryzyko rozwoju pleśni), ponieważ wartości czynników temperaturowych w złączu ƒ_Rsi są wyższe od wartości ƒ_Rsi.(kryt.) = 0,785.

Podsumowanie i wnioski

Wyznaczenie parametrów fizykalnych złączy budowlanych jest niezbędne do oceny dodatkowych strat ciepła wynikających z przepływu ciepła w polu dwuwymiarowym (2D) oraz sprawdzenia ryzyka kondensacji powierzchniowej. Ich wartości zależą od zastosowanych materiałów (szczególnie termoizolacyjnych) oraz usytuowania okna w ścianie zewnętrznej. Zasadne staje się sformułowanie w rozporządzeniu WT [11] wartości granicznej liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_max., co pozwoli na wyeliminowanie niepoprawnych rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych złączy w aspekcie cieplno-wilgotnościowym.

Literatura

1. PN-EN ISO 10211:2017, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
2. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2016.
3. K. Zielińska, „Analiza porównawcza parametrów fizykalnych złączy przegród zewnętrznych budynków niskoenergetycznych i pasywnych”, praca dyplomowa magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Pawłowskiego, Politechnika Bydgoska im. J. i J. Śniadeckich w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2024.
4. PN-EN ISO 14683:2017, „Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne”.
5. 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”.
6. PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
7. Program komputerowy Therm.
8. 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. zmianami, DzU z 2019 r., poz. 1829; DzU z 2023 r., poz. 697).
9. PN-EN 12831:2006, „Instalacje grzewcze w budynkach – Metoda obliczania obciążenia cieplnego”.
10. PN-EN ISO 13789:2008, „Właściwości cieplne budynków – Współczynnik strat ciepła przez przenikanie – Metoda obliczania”.
11. 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).