Analiza porównawcza parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową – studium przypadku

W artykule:

• Charakterystyka współczesnych balkonów
• Parametry fizykalne połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową
• Podsumowanie i wnioski

***
Kształtowanie układów materiałowych złączy budowlanych powinno opierać się na analizie wyników obliczeń parametrów fizykalnych przy zastosowaniu programu komputerowego. W artykule zaprezentowano obliczenia w zakresie wpływu połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową na parametry cieplno-wilgotnościowe. Przeprowadzono także ocenę analizowanych wariantów obliczeniowych w zakresie liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ oraz obniżenia temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody tsi,min. (występowania kondensacji powierzchniowej).

The design of material systems for building joints should be based on the analysis of the results of calculations of physical parameters using a computer program. This article presents calculations regarding the impact of the connection between the external wall and the balcony slab on thermal and humidity parameters. An assessment of the analyzed calculation variants was also conducted in terms of the linear heat transfer coefficient Ψ and the temperature reduction on the inner surface of the partition tsi,min (the occurrence of surface condensation).
***

Charakterystyka współczesnych balkonów

Współczesne balkony charakteryzują się różnorodnością form i funkcji, odzwierciedlając nowoczesne trendy w budownictwie, architekturze i designie. Popularne są minimalistyczne balustrady, często szklane lub metalowe, które nie przytłaczają przestrzeni i pozwalają na swobodny widok. Duże znaczenie ma także integracja z zielenią, tworząc małe ogrody na balkonach za pomocą donic i zróżnicowanej roślinności. Oświetlenie LED, lampiony czy girlandy świetlne podkreślają nowoczesny charakter i tworzą przyjemny klimat po zmroku.

Czytaj także: Hydroizolacja balkonów i tarasów – jak ją dobrze wykonać

Ważnym aspektem jest również funkcjonalność, z wykorzystaniem praktycznych rozwiązań, takich jak systemy nawadniania roślin, osłony przeciwsłoneczne czy schowki na poduszki i akcesoria. Ogólną charakterystykę współczesnych balkonów zestawiono w TABELI 1.

Na RYS. 1–2 i FOT. 1–2 przedstawiono wybrane rodzaje balkonów.

Parametry fizykalne połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową

Złącza budowlane (mostki cieplne) stanowią integralną część elementów obudowy budynku. Dobór ich warstw materiałowych nie powinien być przypadkowy, lecz oparty na obliczeniach analiz parametrów fizykalnych.

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.

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 kondensację 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.

Głównym problemem w konstruowaniu połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową jest zachowanie ciągłości izolacji termicznej. Minimalizację wpływu tego mostka cieplnego można osiągnąć poprzez następujące działania:

• oparcie płyty balkonowej na żelbetowych lub stalowych belkach (przerwa izolacji termicznej tylko w miejscach występowania belek kotwionych w wieńcu stropowym),
• zastosowanie balkonów dostawianych (konstrukcja balkonów samonośna – nie powoduje przerwania ciągłości izolacji termicznej – FOT. 2),
• zastosowanie łączników izotermicznych (służy do bezpiecznego połączenia płyty balkonowej ze ścianą zewnętrzną budynku; oddziela termicznie balkony, zadaszenia czy attyki od budynku; pełni funkcję bezpiecznego połączenia balkonu z płytą stropową – RYS. 3).

W artykule przedstawiono obliczenia parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową (RYS. 4–7). 

Dla czterech wariantów określono parametry fizykalne, przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO-KOBRU 86 [8] przyjmuje się następujące założenia:

• modelowanie złączy wykonano zgodnie z zasadami przedstawionymi w PN-EN ISO 10211:2017 [9],
• opory przejmowania ciepła (Rsi, Rse) przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2017 [10] przy obliczeniach strumieni cieplnych oraz wg PN-EN ISO 13788:2003 [11] przy obliczeniach rozkładu temperatur i czynnika temperaturowego fRsi(2D),
• temperatura powietrza wewnętrznego ti = 20ºC (pokój dzienny), temperatura powietrza zewnętrznego te= –20ºC (III strefa),
• wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie danych producenta,
• ściana zewnętrzna dwuwarstwowa: bloczek z betonu komórkowego gr. 24 cm, styropian grafitowy gr. 15 cm – współczynnik przenikania ciepła ściany zewnętrznej określony wg PN-EN ISO 6946:2017 [10] Uc = 0,162 W/(m²·K),
• drzwi balkonowe: rama okienna Uf = 0,855 W/(m2·K), zestaw szybowy dwukomorowy Ug = 0,503 W/(m2·K),
• łącznik izotermiczny o λ=0,10 W/(m·K).

Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych analizowanych złączy zestawiono w TABELI 2.

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń (TABELA 2) można stwierdzić, że analizowane złącze generuje dodatkowe straty ciepła w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψi = 0,084÷0,478 W/(m·K). Przykładową klasyfikację wpływu mostków cieplnych w zależności od wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ podano w TABELI 3.

W przypadku budynków projektowanych w standardzie niskoenergetycznym (NF 40) lub w standardzie pasywnym (NF 15) instytucja, która przyznawała dopłaty na realizację takich inwestycji, sformułowała wartości graniczne liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψmax:

•  standardu niskoenergetycznego: Ψmax = 0,20 W/(m·K) – dla płyt balkonowych, Ψmax = 0,10 W/(m·K) – dla pozostałych mostków cieplnych,
• dla standardu pasywnego: Ψmax = 0,01 W/(m·K).

Zgodnie z klasyfikacją mostków cieplnych wg [5] (TABELA 3), wpływ analizowanego mostka cieplnego dla wariantu II jest pomijalny, dla wariantu IV jest mały, a dla wariantu I i III jest duży.

W analizowanym złączu (dla wariantu I i III) występuje ryzyko kondensacji powierzchniowej, ponieważ wartość fRsi(2D) jest mniejsza od wartości granicznej fRsi.(kryt.) = 0,785. Należy zauważyć, że zastosowanie łącznika izotermicznego (wariant II i IV) powoduje obniżenie wartości dodatkowych strat ciepła w złączu w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ oraz podwyższenie temperatury minimalnej na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego w stosunku do typowego złącza (wariant I i III), w którym płyta balkonowa przebija izolację cieplną.

Podsumowanie i wnioski

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń i analiz w zakresie kształtowania układów materiałowych złączy budowlanych (m.in. połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową) można sformułować następujące wnioski końcowe:

• dobór warstw materiałowych (materiałów konstrukcyjnych i izolacyjnych) powinien opierać się na miarodajnych obliczeniach numerycznych i symulacyjnych z uwzględnieniem wymagań cieplno-wilgotnościowych,
• zastosowanie łącznika izotermicznego powoduje minimalizację mostka cieplnego:
  – obniżenie wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ, a w konsekwencji ograniczenie strat ciepła przez przenikanie, obniżenie zapotrzebowania budynku na energię użytkową i ograniczenie emisyjności budynku – wpisuje się w rozwiązanie materiałowe dla budynków niskoenergetycznych, pasywnych czy też zrównoważonych,
  – wyeliminowanie ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej,
• parametry fizykalne połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową zależą od wielu czynników i zmieniających się rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych; wyniki obliczeń i analiz zaprezentowano m.in. w pracach [12, 13, 14, 15, 16],
• zasadne staje się opracowanie katalogu złączy budowlanych (m.in. połączenie ścian zewnętrznych z płytą balkonową – nie tylko w technologii tradycyjnej murowanej, ale także prefabrykowanej), które pozwolą na aplikowanie w projektowaniu tylko poprawnych i sprawdzonych rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych.

Literatura

1. Strona internetowa: https://receptynadom.pl
2. Strona internetowa: https://balkontech.pl/
3. Strona internetowa: https://www.sklep.galakor.pl/
4. Strona internetowa: https://copal.com.pl/
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.  Strona internetowa: https://tipomega.eu/
8. Program komputerowy TRISCO-KOBRU86.
9. PN-EN ISO 10211:2017, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
10. PN-EN ISO 6946:2017 „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
11. 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”.
12. M. Dybowska, K. Pawłowski, „Balkony – analiza numeryczna parametrów cieplno-wilgotnościowych w świetle nowych wymagań cieplnych”, „IZOLACJE” 6/2014, s. 52–57.
13. M. Dybowska, K. Pawłowski, „Kształtowanie parametrów fizykalnych złączy ścian zewnętrznych z płytą balkonową”, „Materiały Budowlane” 5/2015, s. 97–99.
14. M. Dybowska-Józefiak, K. Pawłowski, M. Wesołowska, „Analiza numeryczna parametrów cieplno-wilgotnościowych złączy ścian zewnętrznych z płytą balkonową w świetle nowych wymagań cieplnych”, „Budownictwo i Inżynieria Środowiska”/„Civil and Environmental Engineering” 2/2016 (Vol. 7 No. 2), Politechnika Białostocka, Białystok 2016, s. 71–80.
15. K. Pawłowski, „Balkony – projektowanie numeryczne złączy z uwzględnieniem wymagań cieplno-wilgotnościowych od 1 stycznia 2021 r.”, „IZOLACJE” 4/2020, s. 28÷34.
16. K. Pawłowski, „The thermal quality of construction joints with the balcony slab”, „Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym” Vol. 10, 2/2021, s. 23–30.