Analiza parametrów cieplnych i wskaźników charakterystyki energetycznej budynku jednorodzinnego

W artykule:

• Charakterystyka współczesnych technologii wznoszenia budynków jednorodzinnych
• Parametry cieplne i wskaźniki charakterystyki energetycznej budynku jednorodzinnego w różnych technologiach wznoszenia
• Podsumowanie i wnioski

***
W artykule przedstawiono charakterystykę rozwiązań materiałowych budynku jednorodzinnego w technologii tradycyjnej i prefabrykowanej z keramzytobetonu. W części obliczeniowej przedstawiono obliczenia współczynników przenikania ciepła U dla przegród zewnętrznych oraz parametry charakterystyki energetycznej budynku (EU, EK, EP). Istnieje możliwość zaprojektowania budynku jednorodzinnego w standardzie niskoenergetycznym zarówno w technologii tradycyjnej murowanej, jak i w technologii prefabrykowanej z keramzytobetonu.

The article presents the characteristics of material solutions of a single-family building in traditional technology and prefabricated from expanded clay concrete. The calculation part presents calculations of heat transfer coefficients U for external partitions and parameters of the energy characteristics of the building (EU, EK, EP). It is possible to design a single-family building in the low-energy standard both in traditional brick technology and in prefabricated from expanded clay concrete.
***

Budowa współczesnych budynków wiąże się z koniecznością dopilnowania licznych wymagań, które wynikają bezpośrednio z przepisów. Szczególną uwagę zwraca się na ograniczenie emisji gazów cieplarnianych nie tylko na etapie użytkowania budynków, ale również podczas produkcji materiałów, projektowania oraz całego procesu budowlanego. W kontekście budynków jednorodzinnych wyzwanie stanowi zaprojektowanie obiektu w taki sposób, aby zapewnił użytkownikom komfort cieplny przy jak najniższym zużyciu energii, a dodatkowo, aby inwestycja była ekonomicznie i użytkowo opłacalna.

Kluczowe jest uwzględnienie takich elementów jak oszczędne gospodarowanie energią, stosowanie ekologicznych technologii, zmniejszanie zużycia wody, czy też wybór trwałych, a zarazem przyjaznych środowisku materiałów budowlanych. Budynek powinien być zaprojektowany w taki sposób, aby optymalnie wykorzystywać naturalne światło, minimalizować straty ciepła oraz integrować rozwiązania takie jak panele słoneczne czy systemy wentylacji z odzyskiem ciepła- rekuperacja. Materiały budowlane powinny być trwałe i pozyskiwane w sposób zrównoważony, aby ograniczać negatywne skutki dla środowiska. Nowoczesne podejście uwzględnia również zdrowie i wygodę mieszkańców, dbając o wysoką jakość powietrza w pomieszczeniach, redukcję hałasu oraz zapewnienie dostępu do terenów zielonych.

Czytaj także: Analiza parametrów cieplnych i wskaźników charakterystyki energetycznej budynku jednorodzinnego w różnych standardach energetycznych – studium przypadku

Charakterystyka współczesnych technologii wznoszenia budynków jednorodzinnych

Rozwój technologii jest kluczowy w kształtowaniu współczesnego budownictwa, także w aspekcie budynków mieszkalnych jednorodzinnych. Bardzo ważne jest skupienie się na energooszczędności, wytrzymałości oraz szybkości realizacji.

Technologia tradycyjna murowana jest najczęściej spotykaną we współczesnym budownictwie. Główną konstrukcję nośną tworzą ściany wykonane z cegieł, pustaków lub bloczków łączonych zaprawą murarską. Ich niepodważalną zaletą jest to, że tworzą bardzo trwałą i odporną na czynniki zewnętrzne konstrukcję, dzięki czemu mogą służyć użytkownikom przez wiele lat. W zależności od konstrukcji ścian można wyróżnić: ściany jednowarstwowe, ściany dwuwarstwowe oraz ściany trójwarstwowe.

Technologia prefabrykowana polegająca na wykorzystaniu gotowych elementów konstrukcyjnych, wytworzonych w fabryce, a następnie transportowanych i montowanych na terenie budowy. Prefabrykowane segmenty wytwarzane są z takich materiałów jak beton, drewno lub keramzytobeton. Ich zaletą niewątpliwie jest szybki czas wykonywanych robót oraz brak konieczności angażowania inwestora w inwestycje.

Prefabrykaty betonowe są formowane, a następnie dojrzewają poza miejscem wznoszenia danego obiektu. Powstają w halach produkcyjnych, a gdy są już gotowe, przewozi się je na plac budowy. Są to półprodukty, które po przywiezieniu na budowę, mogą być od razu montowane. Stosowanie prefabrykatów zdecydowanie skraca czas stawiania budowli i usprawnia wszystkie prace budowlane.

Prefabrykaty drewniane powstają w ściśle kontrolowanych warunkach fabrycznych, co zapewnia ich wysoką jakość oraz precyzję wykonania. Dzięki temu elementy można szybko montować na placu budowy, co znacząco przyspiesza proces realizacji inwestycji. Przemysłowa metoda produkcji prefabrykatów drewnianych eliminuje wiele problemów związanych z niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi, które często wpływają na opóźnienia w budownictwie tradycyjnym. Produkcja w fabryce odbywa się przez cały rok, niezależnie od warunków atmosferycznych, co jest szczególnie istotne w regionach o zmiennych warunkach klimatycznych. 

Precyzja procesu prefabrykacji sprawia, że wszystkie komponenty są dokładnie wykonane, co wpływa na wyższą jakość konstrukcji oraz lepsze parametry energetyczne budynku. Dodatkowo, wykorzystanie prefabrykatów drewnianych pozwala znacząco ograniczyć ilość odpadów generowanych na budowie, co ma pozytywny wpływ zarówno na środowisko, jak i na koszty związane z ich utylizacją. Mniejsze zużycie surowców i ograniczenie odpadów to korzyści ekologiczne i ekonomiczne.

Prefabrykaty keramzytobetonowe powstają na bazie keramzytu (lekkie kruszywo ceramiczne), który powstaje w wyniku wypalania gliny o zdolności do pęcznienia w temperaturze sięgającej 1200°C. Istotnym atutem tego materiału, już na etapie jego produkcji, jest brak dodatków szkodliwych substancji. Materiał ten cechuje się chemiczną obojętnością oraz odpornością na działanie kwasów, wilgoci i procesów gnilnych. 

Nie emituje żadnych substancji chemicznych ani gazów, co czyni go bezpiecznym w użytkowaniu. Keramzyt jest mrozoodporny, całkowicie niepalny i nie absorbuje wilgoci, a w przypadku kontaktu z nią szybko odprowadza ją na zewnątrz. Proces wypalania w wysokiej temperaturze eliminuje wszelkie organiczne zanieczyszczenia, zapewniając odporność na rozwój grzybów i pleśni. Ściana wykonana z keramzytobetonu zazwyczaj składa się w 75% z tego surowca, 15% z piasku oraz 10% z cementu, który pełni funkcję spoiwa (FOT.).

Elementy konstrukcyjne produkowane są w fabrykach wyposażonych w specjalne stoły produkcyjne. Proces rozpoczyna się od zbrojenia przyszłej ściany stalą. Następnie przygotowywane są wnęki na instalacje wodno-kanalizacyjne oraz miejsca na rurki PVC i puszki elektryczne, które będą stanowiły podstawę dla instalacji elektrycznej. Ostateczny etap produkcji obejmuje betonowanie, wibrowanie oraz szlifowanie ściany. Dzięki tym procesom uzyskuje się gładką powierzchnię, co eliminuje konieczność nakładania tynków wewnętrznych, przyspieszając i upraszczając prace wykończeniowe.

Zalety prefabrykatów keramzytobetonowych [2]:

• elementy prefabrykowane są przygotowywane z dużą precyzją i starannością; pozwala to uniknąć bardzo wielu błędów wykonawczych i wyeliminować powstawanie mostków termicznych,
• gotowe ściany przywiezione na plac budowy mają gotowe otwory okienne i drzwiowe, a nadproża i wieńce są integralną częścią prefabrykatu,
• ściany keramzytowe pozwalają na dowolne konstruowanie łuków, skosów, a także wykonywanie dodatkowych otworów o różnym przeznaczeniu,
• mikroklimat panujący w domu z keramzytu sprzyja alergikom i astmatykom,
• keramzyt jest odporny zarówno na działanie bardzo wysokiej, jak i bardzo niskiej temperatury.

Parametry cieplne i wskaźniki charakterystyki energetycznej budynku jednorodzinnego w różnych technologiach wznoszenia

Projektowany budynek mieszkalny jednorodzinny nie narusza istniejącego ładu przestrzennego okolicy, wpasowując się w formę architektoniczną budynków na działkach sąsiednich, a jego funkcja jest zgodna z przeznaczeniem terenów sąsiednich. Posiada typową bryłę, co znacznie ułatwia proces budowy, jest to budynek wolnostojący, dwukondygnacyjny z dachem o konstrukcji drewnianej, dwuspadowej (RYS.). Budynek zaprojektowano w standardzie niskoenergetycznym. Na parterze zaprojektowano pomieszczenia dla wspólnego użytkowania rodziny: wiatrołap, łazienkę, kuchnię, salon, kotłownię i biuro. Na piętrze zaprojektowano zaś strefę nocną: dwie sypialnie z garderobami, dwa pokoje oraz przestronną łazienkę.

Projektowana charakterystyka energetyczna to istotny element dokumentacji budowlanej, który umożliwia ocenę efektywności energetycznej budynku jeszcze na etapie projektowania. Określa roczne zapotrzebowanie budynku na energię w zakresie ogrzewania, wentylacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz ewentualnego chłodzenia, zgodnie z rozporządzeniem [4]. Jej opracowanie pozwala na sprawdzenie zgodności projektu z aktualnymi wymaganiami dotyczącymi efektywności energetycznej, a także na optymalizację rozwiązań technicznych mających wpływ na zużycie energii. W ramach artykułu rozpatrywano dwa warianty technologiczne budynków:

• technologia murowana tradycyjna, gdzie warstwę konstrukcyjną stanowi pustak ceramiczny gr. 25 cm, a izolacją termiczną jest styropian grafitowy gr. 20 cm,
• technologia prefabrykowana keramzytobetonowa, gdzie warstwę konstrukcyjną stanowi ściana prefabrykowana keramzytobetonowa gr. 15 cm, a izolacją termiczną jest styropian gr. 20 cm.

Obliczenia i analizy obejmują kluczowe aspekty związane z charakterystyką energetyczną budynku jednorodzinnego w dwóch technologiach, uwzględniając: właściwości cieplne przegród, zdolność akumulacji ciepła oraz wpływ zastosowanych materiałów na bilans energetyczny budynku. Dla obu wariantów założono zastosowanie pompy ciepła jako źródła ogrzewania oraz systemu wentylacji mechanicznej z rekuperacją, co pozwoli na ocenę ich efektywności energetycznej w zbliżonych warunkach eksploatacyjnych.

Obliczenia przeprowadzono przy zastosowaniu programu komputerowego ArCADia Termocad. Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

• lokalizacja: Bierzglinek, województwo wielkopolskie,
• rodzaj budynku: mieszkalny jednorodzinny,
• technologia wykonania budynku: wariant I – tradycyjna murowana, wariant II – prefabrykowana,
• rodzaj instalacji grzewczej oraz do podgrzania ciepłej wody użytkowej: pompa ciepła,
• wentylacja mechaniczna z rekuperacją,
• powierzchnia użytkowa budynku: 216,12 m²,
• kubatura budynku: 583,52 m³,
• współczynnik przenikania ciepła U dla następujących elementów:
  – ściana zewnętrzna w technologii murowanej tradycyjnej: 0,13 W/(m²·K),
  – ściana zewnętrzna w technologii prefabrykowanej: 0,15 W/(m²·K),
  – dach o konstrukcji drewnianej (dla obu technologii): 0,11 W/(m²·K),
  – podłoga na gruncie dla obu technologii: 0,20 W/(m²·K) wraz z pionową izolacją krawędziową,
  – stolarka okienna i drzwiowa dla obu technologii: 0,59−0,70 W/(m²·K).

Wyniki obliczeń wskaźników charakterystyki energetycznej budynku jednorodzinnego (EU_CO – wskaźnik rocznego zapotrzebowania na energię użytkową na cele ogrzewania, EU – wskaźnik rocznego zapotrzebowania na energię użytkową, EK – wskaźnik rocznego zapotrzebowania na energię końcową, EP – roczne zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną) zestawiono w TABELI.

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń można stwierdzić, że zaprojektowane przegrody zewnętrzne spełniają wymagania cieplne (U ≤ U_max) wg rozporządzenia [5] oraz stawiane dla standardu niskoenergetycznego. W ramach pracy dyplomowej [3] przeprowadzono także obliczenia parametrów fizykalnych wybranych złączy budowlanych (mostków cieplnych), które spełniają wymagania w zakresie minimalizacji dodatkowych strat ciepła w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ oraz ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej. Projektowany budynek jednorodzinny spełnia wymagania w zakresie oszczędności energii (EP ≤ EP_max = 70 kWh/(m²·rok)) wg rozporządzenia [5] oraz dodatkowego dla standardu niskoenergetycznego budynku (EU_CO ≤ EU_CO(max) = 40 kWh/(m²·rok)).

Podsumowanie i wnioski

Zastosowanie technologii tradycyjnej murowanej i prefabrykowanej z keramzytobetonu gwarantuje możliwość zaprojektowania i wznoszenia budynku jednorodzinnego spełniającego wymagania dla budynku o niskim zużyciu energii wg rozporządzenia [5] oraz dla budynku niskoenergetycznego. Oprócz wybranej technologii wznoszenia budynku istotne znaczenie ma także zaprojektowanie wysokosprawnych instalacji c.o., c.w.u, wentylacyjnej oraz zastosowanie odnawialnych źródeł energii (OZE).

Literatura

1. Strona internetowa: www.abakon.com
2. Strona internetowa: www.mihata.pl/sciany-z-prefabrykatow-keramzytowych
3. M. Melewska, „Analiza wskaźników charakterystyki energetycznej budynku jednorodzinnego projektowanego w różnych technologiach”, praca dyplomowa magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Pawłowskiego, Politechnika Bydgoska, Bydgoszcz 2025.
4. Rozporządzenie Ministra Rozwoju i Technologii w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU z 2015 r., poz. 376, z późniejszymi zmianami).
5. 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 2022 r., poz. 1225, z późniejszymi zmianami).