Wpływ sposobu docieplenia budynku jednorodzinnego niepodpiwniczonego na temperaturę na powierzchni wewnętrznej ściany oraz na liniowy współczynnik przenikania ciepła

***

W artykule przeanalizowano wybrane aspekty projektowe dotyczące ocieplenia ściany istniejącego budynku. Wykonano obliczenia dla pięciu stref klimatycznych, wyróżniając różną głębokość posadowienia budynku oraz temperaturę zewnętrzną. Budynek posadowiony na fundamencie tradycyjnym, wykonany z cegły kratówki. Artykuł przedstawia analizę temperaturową występującej na powierzchni wewnętrznej ϑimg w miejscu krytycznym węzła oraz analizę liniowego współczynnika przenikania ciepła ψim mostka termicznego. Na podstawie obliczeń wykonanych w programie THERM przedstawiono zestawienie temperatur, wartości liniowych współczynników przenikania ciepła oraz wnioski. Informacja może być przydatna dla naukowców, projektantów, inżynierów przy podejmowaniu prawidłowych decyzji na etapie projektowania budynków ogrzewanych.

The influence of the insulation method of a single-family house without basement  on the temperature on the inner wall surface and on the linear heat transfer coefficient 

In the article on selected design aspects concerning the insulation of the building interior. Performed for five geographical zones, different building foundations and external temperature. The building is placed on a traditional foundation, made of latticework. The article presents information on the characteristic temperature on the external surface ϑimg in the critical location and the available linear heat transfer coefficient ψim of the permeable bridge. Based on calculations in the THERM program, a comparison of temperature, values of linear heat transfer coefficients and conclusions was made. The information may be for devices, designers, engineers in the event of a failure, if there are changes in the design of heating systems.

***

W miejscu styku podłogi na gruncie ze ścianą zewnętrzną powstaje mostek termiczny, czyli miejsce, w którym opór cieplny jest znacznie zmieniony ze względu na różnicę między wewnętrznymi a zewnętrznymi powierzchniami przegród. To tam występuje najniższa temperatura wewnętrzna połączenia tych przegród (RYS. 2). Bardzo ważne jest, aby były one w odpowiedni sposób zaprojektowane, ulokowane i wykonane ze szczególną starannością. W przeciwnym wypadku użytkownicy danego obiektu narażeni są na zwiększone koszty związane z eksploatacją budynku czy też na problemy zdrowotne związane z powstaniem zwiększonej wilgotności na powierzchni przegród wewnętrznych. Następstwem czego jest pojawienie się grzybów i pleśni.

W publikacji [3] autorzy przeanalizowali cztery zróżnicowane warianty ocieplenia połączenia podłogi na gruncie ze ścianą zewnętrzną pod względem temperaturowym. Budynek poddany analizie posadowiony został na płycie fundamentowej, a nie na fundamencie tradycyjnym, oprócz tego został rozpatrzony tylko w jednej strefie projektowej (strefa IV – Białystok). Jak wykazały badania, najwyższy wpływ na korzystną temperaturę w miejscu mostka termicznego miała lokalizacja izolacji termicznej (opaska przeciwwysadzinowa) pomimo mniejszej grubości izolacji termicznej części cokołowej budynku w odniesieniu do innych wariantów.

Opis obiektu badania

Badanie przeprowadzono dla węzła połączenia podłogi na gruncie ze ścianą zewnętrzną posadowioną na fundamencie tradycyjnym w budynku niepodpiwniczonym ogrzewanym. Przyjęte zastosowanie przedstawiono na RYS. 3–7. Ściana zewnętrzna wykonana z cegły kratówki o współczynniku λ = 0,58 W/(m·K), ocieplona styropianem gr. 16 cm o współczynniku λ = 0,038 W/(m·K), w wariancie II, III i IV część cokołowa (h_cokołu = 20 cm) ocieplona styropianem gr. 16 cm o współczynniku λ = 0,032 W/(m·K), – styropian hydrostyr lub λ = 0,038 W/(m·K) – styropian EPS 100. Ściana pokryta tynkiem elewacyjnym z zewnątrz i tynkiem cementowo-wapiennym od wewnątrz. Podłoga na gruncie ułożona na warstwie betonu wyrównawczego o grubości 10 cm, na której ułożona została warstwa izolacji termicznej – styropian EPS 100 gr. 10 cm o współczynniku λ = 0,037 W/(m·K). Podłoga wykończona szlichtą betonową o grubości 7 cm, na której ułożona została terakota. Przyjęto budynek o wymiarach 10x10 m. Badanie przeprowadzono dla pięciu stref klimatycznych, które charakteryzuje inna temperatura powietrza zewnętrznego oraz różna głębokość posadowienia budynku. Jako lokalizację budynku przyjęto następujące miasta: Szczecin, Poznań, Łódź, Białystok i Suwałki. W wariancie V przyjęto niezaizolowaną ścianę zewnętrzną w celu zobrazowania wpływu izolacji termicznej na temperaturę krytyczną w miejscu występowania mostka.

Tok postępowania

Do obliczeń węzła ściany zewnętrznej z podłogą na gruncie wykorzystano program THERM 7.6 [4], który bazuje na metodzie elementów skończonych. W celu poprawnego zamodelowania i obliczenia analizowanego obiektu w tym programie, wykorzystuje się następujący schemat pokazany na RYS. 8.

Warunki modelowania analizowanych detali i warunki brzegowe przyjęto według normy PN-EN ISO 10211 [1]. Przyjęto gęstość siatki podziałowej równą 1 mm oraz następujące warunki brzegowe:

• dla powierzchni zewnętrznej ściany – temperatura powietrza zewnętrznego:
  – t_e = –24°C – Suwałki
  – t_e = –22°C – Białystok
  – t_e = –20°C – Łódź
  – t_e = –18°C – Poznań
  – t_e = –16°C – Szczecin
  – R_se = 0,04 m²·K·W-1,
• dla powierzchni zewnętrznej gruntu – temperatura powietrza zewnętrznego t_e = –22°C, a R_se = 0,04 m²·K·W-1,
• dla wewnętrznej powierzchni ściany – temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C, a R_si = 0,13 m²·K·W-1,
• dla podłogi na gruncie wewnątrz budynku od góry – temperatura powietrza wewnętrznego t_i = 20°C, a R_si = 0,17 m²·K·W-1.

Liniowy współczynnik przenikania ciepła został obliczony na podstawie wzoru [6]:

gdzie:

L_2D – współczynnik sprzężenia cieplnego,
h_w – minimalna odległość od połączenia do płaszczyzny przekroju poprzecznego,
U_w – współczynnik przenikania ciepła ściany powyżej gruntu [W/(m2·K)],
U_g – współczynnik przenikania ciepła podłogi [W/(m2·K)],
B’ – wymiar charakterystyczny podłogi.

Procedurę obliczeniową parametrów fizycznych autor opisuje w swoich poprzednich pracach [5, 7].

Wyniki badania

W TABELI przedstawiono wyniki dla pięciu przyjętych wariantów obliczeniowych z podziałem na wyszczególnione miasta znajdujące się w różnych strefach projektowych. Wariant V  został przedstawiony w TABELI jedynie do przedstawienia wpływu izolacji termicznej na wartość temperatury ϑimg w miejscu mostka termicznego w porównaniu do wariantów I–IV z zaizolowaną ścianą zewnętrzną. Warianty ponumerowano zgodnie z RYS. 3–7.

Wnioski

W artykule przeanalizowano cztery warianty rozwiązań projektowych dotyczących ocieplenia ściany oraz jeden wariant ze ścianą nieocieploną istniejącego budynku, uwzględniając jego położenie w pięciu różnych strefach klimatycznych. Obliczono temperaturę wewnętrzną ϑ_img w miejscu krytycznym węzła połączenia podłogi na gruncie ze ścianą zewnętrzną posadowioną na fundamencie tradycyjnym w budynku ogrzewanym niepodpiwniczonym. W wariancie I ocieplono tylko ścianę zewnętrzną, pozostawiając część cokołową bez izolacji termicznej. W wariancie II i III ocieplona została ściana zewnętrzna i część cokołowa różnymi materiałami izolacyjnymi. Natomiast w wariancie IV dodatkowo ocieplona została ściana fundamentowa. Ściana w wariancie V została zaprojektowana bez ocieplenia i została wykorzystana do zobrazowania wpływu izolacji termicznej na budynek. Po wykonaniu analizy można dojść do następujących wniosków:

• Zakres temperatur ϑimg w miejscu mostka termicznego w wariantach I–IV wynosi 11,70–14,90°C, natomiast w wariancie V 10–11°C.
• Maksymalna wartość temperatury ϑ_img wynosi 14,90°C w wariancie IV w przypadku budynku zlokalizowanego w Szczecinie, gdzie wartość projektowanej temperatury zewnętrznej t_e wynosi –16°C, a głębokość posadowienia budynku jest równa 0,8 m.
• Minimalna wartość temperatury ϑ_img wynosi 11,70°C w wariancie I w przypadku budynku zlokalizowanego w Suwałkach, gdzie wartość projektowanej temperatury zewnętrznej t_e wynosi -24°C, a głębokość posadowienia budynku jest równa 1,4 m.
• Najniższa wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła ψ_im mostka termicznego wynosi 0,568 w budynku zlokalizowanym w Suwałkach w wariancie IV.
• Najwyższa wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła ψ_im mostka termicznego wynosi 0,878 w Szczecinie w wariancie I.
• Najkorzystniejszym pod względem temperaturowym okazał się wariant IV, w którym oprócz izolacji termicznej ściany zaizolowana jest także część cokołowa budynku wraz ze ścianą fundamentową. Wariant IV w każdej strefie projektowej okazał się najkorzystniejszy pod względem temperatury wewnętrznej ϑ_img w miejscu mostka termicznego.

Literatura

1. PN-EN ISO 10211-1:1998, „Mostki cieplne w budynkach. Strumień cieplny i temperatura powierzchni. Ogólne metody obliczania”.
2. PN-EN 12831:2006, „Instalacje grzewcze w budynkach – Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego”.
3. C. Leszczyński, K. Klimaszewski, „Ocieplenie płyty fundamentowej na gruncie – wybrane aspekty projektowe”, „IZOLACJE” 5/2024.
4. THERM 2.0: Program Description, A PC Program for Analyzing the Two-Dimensional Heat Transfer Through Building Products, Elizabeth Finlayson, Robin Mitchell, and Dariush Arasteh, Windows and Daylighting Group, Building Technologies Department Environmental Energy.
5. W. Jezierski, C. Leszczyński, „Określenie istotności wpływu parametrów węzła połączenia płyty balkonowej ze ścianą na pole temperatur”, „IZOLACJE” 7/8/2023.
6. P. Krause i in., „Cieplno-wilgotnościowe projektowanie ścian z betonu komórkowego”, Zeszyt 3, Część 2 „Mostki termiczne”.
7. W. Jezierski, C. Leszczyński, „Optymalizacja wybranych parametrów węzła połączenia płyty balkonowej ze ścianą na podstawie modelowania matematycznego przepływu ciepła”, „IZOLACJE” 2/2024.