Mostki cieplne we współczesnym budownictwie z perspektywy norm i przepisów prawa
Thermal bridges in modern buildings from the perspective of standards and law regulations
Mostki cieplne we współczesnym budownictwie z perspektywy norm i przepisów prawa. Rys.: autor
Naturalną cechą obiektów budowlanych jest istnienie połączeń elementów i wynikające stąd przenikanie się materiałów o różnych właściwościach. Efektem będzie zatem występowanie mostków cieplnych w tych miejscach.
Zobacz także
mgr inż. Ireneusz Stachura Jak eliminować mostki cieplne w budynku?
Planując budynek, czy to mieszkalny, czy o innej funkcji (np. biurowiec, hotel, szpital), projektant tworzy konkretną bryłę, która ma spełnić szereg funkcji – wizualną, funkcjonalną, ekonomiczną w fazie...
Planując budynek, czy to mieszkalny, czy o innej funkcji (np. biurowiec, hotel, szpital), projektant tworzy konkretną bryłę, która ma spełnić szereg funkcji – wizualną, funkcjonalną, ekonomiczną w fazie realizacji i eksploatacji – i zapewnić właściwe warunki do przebywania w tym budynku ludzi.
mgr inż. Daniel Tokarski, dr inż. Robert Tomaszewski, dr inż. Tomasz Grudniewski, prof. nzw. dr hab. inż. Irena Ickiewicz, prof. nzw. dr hab. Wioletta Żukiewicz-Sobczak Analiza termiczna przegrody ściennej z wbudowanymi elementami imitującymi mostki cieplne
W Polsce 34% zużywanej energii jest pochłaniane przez budynki mieszkalne, z czego aż 71% wykorzystywane jest do realizacji podstawowych założeń, jakie ma pełnić budynek (ogrzewanie), a następnie do jego...
W Polsce 34% zużywanej energii jest pochłaniane przez budynki mieszkalne, z czego aż 71% wykorzystywane jest do realizacji podstawowych założeń, jakie ma pełnić budynek (ogrzewanie), a następnie do jego eksploatacji. Szacuje się, że jedynie około 7% energii zużywanej podczas całego cyklu życia typowego budynku mieszkalnego wykorzystywane jest do jego wybudowania, natomiast pozostałe 93% pochłania eksploatacja.
Polskie Stowarzyszenie Producentów Styropianu Mit termosu i oddychania ścian
Wokół termomodernizacji i ocieplania budynków narosło wiele mitów. Najbardziej popularnymi są tzw. „termos” i „oddychanie ścian”. Zgodnie z nimi ocieplenie przegród zewnętrznych może ograniczać przepływ...
Wokół termomodernizacji i ocieplania budynków narosło wiele mitów. Najbardziej popularnymi są tzw. „termos” i „oddychanie ścian”. Zgodnie z nimi ocieplenie przegród zewnętrznych może ograniczać przepływ powietrza i wilgoci eksploatacyjnej z wnętrza budynku. W świadomości wielu osób „oddychające ściany” to synonim komfortowego domu i zdrowego mikroklimatu pomieszczeń. Wyjaśniamy dlaczego tak opisane funkcje żywego organizmu są nieuprawnionym skrótem myślowym i nie mają nic wspólnego z procesami zachodzącymi...
W artykule:
- Modele obliczeniowe ścian z mostkami
- Zastosowane metody numeryczne
- Ściana jedno- i dwuwarstwowa
- Łączniki mechaniczne
- Połączenie okna ze ścianą
- Pustak
- Wnioski końcowe
***
Detale konstrukcyjne występujące we współczesnym budownictwie poddano w artykule analizie pod kątem przenikania ciepła. Detale te dotyczą połączenia w ścianie jednowarstwowej, konsol w fasadzie wentylowanej, ciepłego montażu okien i masywnych pustaków z wkładkami izolacyjnymi. Pokazano, iż szacowanie zapotrzebowania na energię do ogrzewania obiektu o ścianach jedno- i wielowarstwowych, jedynie na podstawie współczynnika przenikania ciepła, może prowadzić do znacznego niedoszacowania wymaganej energii. Natomiast ocena strat ciepła przez konsole fasad wentylowanych wymaga obliczeń numerycznych przeprowadzanych z dużą starannością. Ciepły montaż okien nie wpływa na właściwości cieplne okna, ale zmniejsza ryzyko kondensacji pary wodnej (oprócz ograniczania strat ciepła na etapie obliczeń energii użytkowej). Natomiast rozpatrując właściwości cieplne elementów murowych o niesymetrycznej budowie, konieczne może być stosowanie analiz trójwymiarowych. Powyższe zagadnienia omówione są w artykule na przykładach obliczeniowych oraz z uwzględnieniem zapisów norm i przepisów prawa.
The construction details found in contemporary civil engineering were analysed in the article in terms of heat transfer. These details concern the connection in a single-layer wall, consoles in a ventilated facade, insulating mounting frames of windows and massive blocks with insulating inserts. It was shown that estimating the energy demand for heating a building with single- and multi-layer walls, based only on the heat transmittance coefficient, may lead to a significant underestimation of the required energy. On the other hand, the assessment of heat losses through consoles of ventilated facades requires numerical calculations carried out with great care. Insulating mounting frames of windows does not affect the thermal properties of the window, but reduces the risk of water vapour condensation (apart from reducing heat losses at the stage of calculating the usable energy). On the other hand, when considering the thermal properties of masonry elements with an asymmetrical structure, it may be necessary to use three-dimensional analyses. The above issues are discussed in the article using calculation examples and taking into account the requirements of standards and law regulations.
***
Ze względu na budowę najczęściej spotyka się przegrody jedno-, dwu- i trójwarstwowe. Warstwę wewnętrzną stanowi najczęściej część konstrukcyjna przenosząca obciążenia i odpowiedzialna za stateczność. Kolejną warstwę stanowi izolacja termiczna, która, jeśli pozostaje ciągła, w dużej mierze eliminuje mostki cieplne. W ścianie jednowarstwowej rolę tę może pełnić warstwa konstrukcyjna, jeśli posiada odpowiednie właściwości termiczne (np. bloczki z betonu komórkowego, pustaki drążone). Jednak każde połączenie z innym elementem konstrukcyjnym będzie potencjalnym mostkiem cieplnym, ze względu na zakłócenie izolacyjnej funkcji tej warstwy.
W trójwarstwowych ścianach występuje jeszcze warstwa osłonowa w postaci muru (np. mur klinkierowy na pół cegły) lub osłona cienkowarstwowa. Z tymi ostatnimi wiąże się najczęściej wykonywanie szczelin powietrznych wentylowanych w celu regulacji przepływu pary wodnej w przegrodzie. Szczeliny występować mogą również w przegrodach z murowanymi ścianami osłonowymi, na przykład w celu ochrony warstwy izolacyjnej i konstrukcyjnej przed zacinającymi deszczami. Realizacja ściany osłonowej oznacza zazwyczaj przebicie warstwy izolacyjnej przez łączniki mechaniczne, które zapewniają mocowanie warstwy osłonowej do warstwy konstrukcyjnej (punktowe mostki cieplne). Mocowanie służy przeniesieniu ciężaru (np. cienkie warstwy osłonowe w elewacjach wentylowanych) lub zapewnieniu stabilności (np. murowane ściany osłonowe).
Czytaj też: Zasady opracowania katalogu złączy budowlanych (mostków cieplnych)
Obecne uregulowania prawne w postaci rozporządzenia o warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], wymagają uwzględniania różnych mostków cieplnych (punktowych i liniowych) na różnym etapie obliczeń bilansu ciepła. Z tego powodu dwie przegrody o tych samych wartościach wymaganego przez Warunki Techniczne współczynnika przenikania ciepła, ze względu na typowe dla tych technologii połączenia, mogą mieć znacząco różny wpływ na wartość wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową i w konsekwencji wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną. Ten drugi, podobnie jak współczynnik przenikania ciepła, podlega ograniczeniom przez zapisy Warunków Technicznych. Natomiast wskaźnik zapotrzebowania na energię użytkową pojawia się w standardach cieplnych NF zaproponowanych przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej [2].
Niniejszy artykuł podaje na przykładach konsekwencje przyjętego systemu uwzględniania mostków i wskazuje na zastosowanie właściwych metod obliczeniowych w stosunku do rozwiązań powszechnych we współczesnym budownictwie. W przykładach nie zastosowano rozwiązań konkretnych producentów, lecz uogólnione schematy odpowiadające technologii danego typu. Przedstawiono potencjalne trudności obliczeniowe lub trudności osiągnięcia odpowiedniej efektywności energetycznej. W celu oceny efektywności energetycznej produktu należy wykonać obliczenia dla tego konkretnego produktu, uwzględniające właściwości materiałowe i budowę tego produktu, lub opierać się na danych deklarowanych przez producenta. Zatem negatywny lub pozytywny wynik liczbowy w prezentowanych przykładach nie przesądza wyniku produktów o podobnej budowie.
Modele obliczeniowe ścian z mostkami
Łączniki mechaniczne zazwyczaj wykonane są z metalu i stanowią miejsce występowania punktowych mostków termicznych. Natomiast połączenia przegród między sobą (np. ściany ze stropem, ściany z fundamentem, ściany z oknem) stanowią miejsce występowania mostków liniowych, czyli mostków, w których jeden z wymiarów jest rzędu wielkości wymiaru przegrody. Cechy termiczne przegrody zawierającej mostki punktowe i liniowe w sposób najbardziej uniwersalny można ująć za pomocą następującego wzoru na współczynnik przenikania ciepła:
gdzie:
U – współczynnik przenikania ciepła przegrody bez mostków,
A – pole powierzchni rozważanego fragmentu przegrody (o tym samym U),
Ψ – liniowy współczynnik przenikania ciepła, będący miarą właściwości termicznych danego połączenia (mostka liniowego),
L – długość połączenia,
χ – punktowy współczynnik przenikania ciepła.
W Warunkach Technicznych [1] wpływ mostków punktowych ujęto, podobnie jak we wzorze (1), przy obliczeniu skorygowanego współczynnika przenikania ciepła, odwołując się do normy PN-EN ISO 6946 [3]:
gdzie:
ΔU – całkowita poprawka do współczynnika przenikania ciepła,
ΔUf – poprawka ze względu na łączniki mechaniczne,
ΔUg – poprawka ze względu na niedokładności ułożenia izolacji (występowanie pustek powietrznych),
ΔUr – poprawka ze względu na „wypłukiwanie” ciepła przez wody opadowe w dachu o warstwach odwróconych.
Jeśli całkowita poprawka ΔU jest mniejsza niż 3% współczynnika U, czyli wartości bez poprawek, można jej nie uwzględniać, zgodnie z zapisami normy PN-EN ISO 6946 [3].
Wpływ typowych liniowych mostków termicznych, występujących na połączeniu przegród, w Warunkach Technicznych ujęty będzie natomiast dopiero przy wyznaczaniu wartości zapotrzebowania na energię użytkową i w konsekwencji wpływa na zapotrzebowanie na energię końcową i pierwotną. Występuje tam współczynnik strat ciepła H i opisany jest wzorem [4]:
Podejście to zgodne jest również z metodyką obliczania zapotrzebowania na moc i ciepło według norm PN-EN 12831 i PN-EN ISO 13790.
Zarówno wartość współczynnika przenikania ciepła UC, jak i wskaźnika EP podlegają w Warunkach Technicznych ograniczeniu od góry. Ten pierwszy głównie w zależności od funkcji przegrody i temperatury pomieszczeń, ten drugi – w zależności od funkcji budynku.
Wymaganiom w zakresie współczynnika przenikania ciepła U podlega również stolarka okienna. W ujęciu normy PN-EN ISO 10077-1 [5] współczynnik U wyznaczany jest na drodze badań laboratoryjnych lub obliczeń (zwanych również badaniami przez obliczenia) całego okna lub poszczególnych komponentów. W drugim przypadku wartość końcową Uw oblicza się, uwzględniając wpływ elementów nieprzeźroczystych (ramy, paneli) i pakietu szybowego proporcjonalnie do ich powierzchni oraz wpływ listwy dystansowej między taflami szkła, jako mostka liniowego, proporcjonalnie do długości tej listwy.
Normy podają również definicję miarodajnej szerokości elementów, które uwzględniane są przy jego wyznaczaniu współczynnika Uw (norma PN-EN ISO 10077-2 [6]). W szczególności będzie interesował nas tu zapis, który mówi, iż wszelkie elementy zachodzące na ścianę, czyli wychodzące poza powierzchnię ościeży, nie są uwzględniane przy wyznaczaniu współczynnika przenikania ciepła okna Uw.
Zastosowane metody numeryczne
Do wyznaczenia charakterystyki cieplnej mostków posłużono się symulacjami komputerowymi 2D i 3D. Symulacje wykonano programem metody elementów skończonych Elmer. Prowadzono je zgodnie z wymogami normy PN-EN ISO 10211 [7]. W przypadku obliczeń ramy okiennej zastosowano metodę przewodności równoważnej z normy PN-EN ISO 10077-2 [6]. Przydatność programu komputerowego do tego typu obliczeń została zweryfikowana pozytywnie i przedstawiona na przykład w raportach [8, 9].
Ściana jedno- i dwuwarstwowa
Pomimo surowych wymogów w stosunku do izolacyjności cieplnej przegród, co związane jest z wprowadzaniem standardu budynku o niemal zerowym zapotrzebowaniu na ciepło (ang. nearly Zero Energy Building, nZEB), wciąż możliwa jest realizacja przegród jednowarstwowych. Przegrody tego typu mają szereg zalet, np. cechują się prostotą wznoszenia i mają bardzo dobre właściwości mechaniczne (trwałość, stateczność, wytrzymałość).
Aby uzyskać odpowiednią izolacyjność termiczną, czyli odpowiedni poziom współczynnika przenikania ciepła UC, współczynnik przewodzenia ciepła elementów murowych λ musi być bardzo niski, zbliżony do 0,1 W/(m·K), a przegroda o stosunkowo dużej szerokości.
Z punktu widzenia bilansu energii w budynku słabym punktem takiej przegrody są mostki cieplne, pojawiające się najczęściej na skutek wnikania materiałów o wysokiej przewodności cieplnej (np. żelbetowych wieńców) w materiały pełniące funkcję izolacyjno-konstrukcyjną (np. bloczki gazobetonowe czy pustaki ceramiczne).
Dla zilustrowania problemu pokazano poniżej przykład wieńca żelbetowego opartego na ścianie jednowarstwowej i dwuwarstwowej z ciągłą izolacją termiczną (RYS. 1–4). Współczynnik przenikania ciepła UC obu ścian wynosił 0,203 W/(m2·K). W przypadku ściany jednowarstwowej mostek liniowy Ψ w miejscu połączenia stropu ze ścianą, wyznaczony za pomocą symulacji komputerowych, wynosi 0,051 W/(m·K), co oznacza zwiększenie wartości współczynnika przenikania ciepła o 8,4% dla ściany o wysokości 3 m (wyznaczono zgodnie z podejściem ogólnym według wzoru (1)).
RYS. 3–4 Rozkład temperatury i linie strumienia ciepła w ścianie dwuwarstwowej (3) i jednowarstwowej (4); rys.: autor
W tym samym stopniu wzrastają straty ciepła przez tę ścianę. W przypadku ściany dwuwarstwowej z ciągłą izolacją wzrost ten wynosi 0,8%, czyli jest dziesięciokrotnie mniejszy. W przypadku ściany jednowarstwowej znaczny wpływ mostka cieplnego na straty ciepła widoczny będzie dopiero na etapie obliczeń wskaźników EU, EK i EP (wzór (3)), natomiast mostki punktowe od łączników mechanicznych w przypadku ściany dwu- lub trójwarstwowej, na przykład wykonanej metodą lekką mokrą (ETICS) lub jako fasada wentylowana, uwzględniony zostanie już na etapie wyznaczania UC (wzór (2)).
Łączniki mechaniczne
W normie PN-EN ISO 6946 [3] podany jest następujący wzór na przybliżoną wartość poprawki ze względu na łączniki mechaniczne:
gdzie:
α – współczynnik uwzględniający zagłębienie łącznika w izolacji równy ,
d1 i d0 – odpowiednio długość łącznika w izolacji i grubość izolacji,
n – liczba łączników na metr kwadratowy,
λf – przewodność cieplna materiału łącznika,
Af – przekrój poprzeczny łącznika,
R1 i RT – opór cieplny odpowiednio warstwy izolacji i całej przegrody.
Dokładne oszacowanie poprawki otrzymać można z obliczeń zgodnych z normą PN-EN ISO 10211 [7].
Przekształcając wzór (4), określić można punktowy współczynnik przenikania ciepła z następującej formuły:
Zgodnie z zapisami normy wzór (4) ma zastosowanie, jeśli nie łączy powierzchni metalowych, co ma miejsce na przykład w płytach warstwowych z rdzeniem z materiałów izolacyjnych. W przypadku, gdy łącznik przebija szczelinę powietrzną, można pominąć uwzględnianie łączników (wartość uzyskiwana ze wzoru (4) jest w tym przypadku o rząd mniejsza od wartości ze szczeliną wypełnioną typowym materiałem izolacyjnym).
Uwzględnianie łączników pomija się również w przypadku, gdy przewodność cieplna łącznika λf jest mniejsza od 1 W/(m·K). Zwolnieniu temu podlega większość łączników wykonanych z tworzyw sztucznych (np. poliamidowe kołki elewacyjne do izolacji) oraz kotew z niemetalicznych (kompozytowych) prętów zbrojeniowych (ang. Fiber Reinforced Polymer, FRP) [10]. W porównaniu do tych pierwszych, FRP charakteryzują się znacznie lepszymi parametrami mechanicznymi.
Wzór (4) sprawdza się dość dobrze w przypadku kotew o przekroju okrągłym [11] lub wielobocznym o zbliżonych wymiarach boków (o ile kotwa nie łączy powierzchni metalowych). Nie należy go natomiast wykorzystywać w celu wyznaczenia charakterystyk elementów o przekroju prostokątnym, czyli na przykład konsoli mocujących okładziny w elewacjach wentylowanych [12].
W takich przypadkach powinno stosować się metody numeryczne w oparciu o normę PN-EN ISO 10211 [7]. Porównanie przybliżonej wartości punktowego współczynnika przenikania ciepła na podstawie wzoru (5) z wynikami metod numerycznych wskazuje, iż oszacowanie wartości wzorem może być o 34÷85% mniejsze niż wynik dokładny w zależności od materiału blachy konsoli (RYS. 5).
RYS. 5 Zależność punktowego współczynnika przenikania ciepła od przewodności cieplnej konsoli pełnej na podłożu żelbetowym. Cyfry przy znacznikach oznaczają ułamek wartości punktowego współczynnika przenikania ciepła uzyskanego ze wzoru normowego w stosunku do wartości uzyskanej z metod numerycznych (w procentach); rys.: autor
Wynik dotyczy konsoli wykonanej z nieperforowanej blachy i montowanej na podłożu żelbetowym. Wielkość błędu będzie zależała również od m.in. budowy konsoli (pełna, perforowana, z przekładkami termicznymi), rodzaju podłoża, grubości i właściwości izolacji przegrody, przekroju i położenia listwy montażowej [13].
RYS. 6 Elementy modelu obliczeniowego; rys.: autor; 1 – konsola, 2 – kotwa mocująca konsolę, 3 – listwa montażowa okładziny, 4 – okładzina, 5 – warstwa nośna przegrody, 6 – warstwa izolacyjna przegrody
Analizy metodami numerycznymi wymagają odpowiedniej staranności. Norma PN-EN ISO 10211 określa warunki prowadzenia takich analiz, w tym kryteria doboru siatki. Istotne jest również uwzględnienie wszystkich głównych elementów konstrukcji. W przypadku elewacji wentylowanej będą to: konsola, kotwa mocująca konsolę do warstwy nośnej przegrody, listwa montażowa do okładziny, okładzina oraz warstwy ściany (nośna, izolacyjna, wykończenia powierzchni etc.) – RYS. 6.
W przypadku analizowanej powyżej konsoli pełnej na podłożu żelbetowym, przyjmując, iż jest ona wykonana z aluminium, wpływ kotwy i okładziny jest pomijalny w stosunku do otrzymanej wielkości punktowego współczynnika przenikania ciepła – RYS. 7.
Natomiast nieuwzględnienie listwy montażowej okładziny powoduje zaniżenie wartości punktowego współczynnika przenikania χ ciepła o 45%, co przekłada się na większe o 13% straty ciepła przez tę przegrodę (przy założeniu montażu jednej konsoli na m2 przegrody) – RYS. 7.
RYS. 7 Wpływ braku poszczególnych elementów w modelu obliczeniowym na wartość punktowego współczynnika przenikania ciepła χ (lewe, niebieskie kolumny) oraz wpływ tak obliczonej wartości na współczynnik UC ściany przy założeniu liczby konsol 1 szt./m2 ściany; rys.: autor
W zależności od budowy przegrody i konstrukcji nośnej okładziny, wymienione wcześniej elementy konstrukcji mogą mieć różny wpływ na wartość punktowego współczynnika przenikania ciepła. Na przykład przy przegrodach z warstwą nośną wykonaną z bloczków z betonu komórkowego, czyli materiału o dobrych właściwościach izolacyjnych, nieuwzględnienie kotwy mocującej konsolę będzie skutkowało zaniżeniem wartości współczynnika χ nawet o kilkanaście procent.
Wychwycenie elementów wpływających na wartość mostka cieplnego bywa trudne i pracochłonne, jednak szereg negatywnych konsekwencji (w skrajnym przypadku również syndrom chorego budynku) pojawiających się na skutek błędnie wyznaczonych właściwości cieplno-wilgotnościowych wyrobów, brak możliwości rzetelnego porównania produktów i coraz łatwiejszy dostęp do analiz numerycznych powinny skłaniać producentów i inwestorów do większej staranności w przygotowywaniu modeli obliczeniowych.
Połączenie okna ze ścianą
Mostek cieplny na połączeniu okna ze ścianą w najprostszym rozwiązaniu ograniczany jest przez ułożenie izolacji na ościeży. Lepsze efekty osiągnąć można przez przesunięcie ramy okiennej do warstwy izolacyjnej, co, wraz z zapewnieniem odpowiedniej szczelności montażu, nazywane jest często ciepłym montażem [14]. Słabą stroną tego rozwiązania jest większa trudność w wykonaniu mocowania okna do warstwy nośnej przegrody. Realizuje się to przez profile stalowe (np. płaskowniki) mocowane do okna i warstwy nośnej, lub przez zastosowanie profili z materiałów o dobrej izolacyjności cieplnej, umieszczanych w warstwie izolacyjnej [14, 15]. Te ostatnie nazywane bywają ciepłymi belkami montażowymi [16].
RYS. 8–9 Rozkład temperatury w połączeniu okno–ściana w przypadku montażu okna bezpośrednio do warstwy nośnej (8) i montażu do warstwy nośnej przez profil o podwyższonej izolacyjności cieplnej (9); rys.: autor
Profile montażowe, o których mowa powyżej, przyczyniają się do ograniczenia strat ciepła, jednak, zgodnie z podaną we wstępie zasadą doboru obszaru obliczeniowego okien, nie są ich elementem i nie wpływają na wartość współczynnika Uw wymaganego przez Warunki Techniczne (nie są uwzględniane w modelu obliczeniowym). Ograniczenie strat ciepła przez zastosowanie profili montażowych uwzględnione zostanie jednak w bilansie ciepła budynku przy obliczaniu współczynnika strat ciepła (wzór (3)), w postaci mostka cieplnego o małej wartości współczynnika przenikania Ψ, zatem wpłynie korzystnie na wartość wymaganego przez Warunki Techniczne wskaźnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej EP.
Zgodnie z zapisami normy PN-EN ISO 10077-2 [6], profil powinien być natomiast uwzględniony przy wyznaczaniu ryzyka kondensacji. W porównaniu do montażu w warstwie nośnej przegrody można spodziewać się korzystnego wpływu, tj. podniesienia temperatury powierzchni i tym samym zmniejszenia ryzyka kondensacji pary wodnej.
Ciepły profil montażowy stosowany może być również w warstwie nośnej. W przypadku jednego z występujących na rynku rozwiązań zaobserwowano wzrost najniższej temperatury ościeży z Tmin = 13,4°C (montaż bez profilu) do Tmin = 15,4°C (montaż na profilu). W analizowanym przypadku montaż bez profilu wiązał się z realnym zagrożeniem wystąpienia kondensacji powierzchniowej pary wodnej, ponieważ otrzymana temperatura bliska była temperaturze punktu rosy dla przeciętnych warunków cieplno-wilgotnościowych w pomieszczeniach mieszkalnych. Straty ciepła na połączeniu okno–ściana, w wyniku zastosowania rozważanego profilu, uległy natomiast zmniejszeniu o 25,4%.
Pustak
Elementy murowe, takie jak cegły i pustaki, oceniane są na podstawie normy PN-EN 1745 [17]. Jedną z dopuszczanych metod oceny współczynnika przewodzenia ciepła elementu, a następnie współczynnika przenikania ciepła muru, są analizy numeryczne w postaci symulacji przepływu ciepła. Typowe cegły i pustaki nie wymagają skomplikowanych modeli i wykonywane są zazwyczaj w przestrzeni dwuwymiarowej (analizy 2D). W przypadku niektórych innowacyjnych rozwiązań metoda ta może być jednak nieodpowiednia.
Rozważmy pustak wykonany z betonu, który, w celu poprawy właściwości cieplnych, zawiera cienką warstwę izolacji z typowego materiału izolacyjnego, np. styropianu (RYS. 10).
Efektywny współczynnik przewodzenia ciepła pustaka wynosi λ = 0,248 W/(m·K), zatem mur wykonany z takich elementów ma współczynnik przenikania ciepła równy U = 0,79 W/(m2·K). Do obliczeń właściwości muru między pustakami przyjęto zaprawę cienkowarstwową (np. pianoklej), co ma znaczenie przy obliczaniu właściwości murów z elementów o niskiej przewodności cieplnej. Wartość współczynnika λ można było uzyskać z analiz 2D. Struktura jak na RYS. 10 wymaga jednak dodatkowych zabiegów, aby utrzymać jej integralność, czego można uniknąć, przez ukształtowanie izolacji jak na RYS. 11–12.
RYS. 11–12 Pustak o zmodyfikowanym kształcie wkładki izolacyjnej: widok całości (11) oraz widok wkładki izolacyjnej (12); rys.: autor
Rozwiązanie takie prowadzi jednak do intensywnego przenikania ciepła przez beton w miejscu rozdzielenia izolacji. Jednocześnie przepływ ciepła nabiera trójwymiarowego charakteru i do poprawnej oceny właściwości pustaka i muru konieczne są pracochłonne analizy numeryczne 3D. Z analiz tych uzyskano wartość efektywnego współczynnika przewodzenia ciepła równą λ = 0,554 W/(m·K), a współczynnika przenikania ciepła U = 1,41 W/(m2·K) (zakładając murowanie zapewniające powtarzalność wzoru wkładki izolacyjnej). Obserwuje się zatem prawie dwukrotny spadek izolacyjności cieplnej muru, pomimo zachowania warstwy izolacji cieplnej o tej samej grubości i właściwościach cieplnych. Rozkład temperatury w przypadku zmodyfikowanej wkładki jest bardziej równomierny, co jest następstwem intensywnego przenikania ciepła przez rozdzieloną izolację (RYS. 13–14).
RYS. 13–14 Rozkład temperatury w pustaku wyjściowym (13) i pustaku ze zmodyfikowaną wkładką izolacyjną (14); rys.: autor
Wnioski końcowe
Na podstawie omówionych zagadnień można sformułować następujące wnioski:
- Mostki punktowe typowe dla fasad wentylowanych czy systemów dociepleń ETICS uwzględniane są na etapie obliczania współczynnika ciepła, natomiast mostki liniowe, na przykład w ścianach jednowarstwowych, dopiero na etapie bilansu ciepła. Analizowane połączenie ściany i stropu w ścianie jednowarstwowej zwiększa zapotrzebowanie na ciepło o niemal 9% w stosunku do ściany dwuwarstwowej o tym samym współczynniku przenikania ciepła. Uwzględniając inne połączenia, np. ściana–okno, należy spodziewać się dalszego wzrostu zapotrzebowania na ciepło (energię użytkową) w budynku z jednowarstwowymi ścianami.
- Stosowanie uproszczonych formuł do obliczeń właściwości cieplnych konsol elewacji wentylowanych może prowadzić do znacznego niedoszacowania strat ciepła przez te konsole. W analizowanym przypadku konsoli pełnej na podłożu żelbetowym otrzymana z formuły uproszczonej wartość zaniża straty ciepła do 85% (w zależności od rodzaju materiału konsoli) w stosunku do wyniku uzyskanego z metod numerycznych. W przypadku analiz numerycznych istotny jest właściwy dobór elementów modelu. Na przykład nieuwzględnienie listwy montażowej, w opisanym wyżej przypadku, prowadzi do zaniżenia wartości punktowego współczynnika przenikania ciepła konsoli o 45%.
- Ciepły montaż okien realizowany za pomocą dedykowanych profili nie może być uwzględniany przy ocenie współczynnika przenikania ciepła zgodnie z normą wyrobu, lecz należy uwzględniać go przy określaniu temperatury powierzchni w połączeniu okno–ściana, gdyż może przyczyniać się do znacznego ograniczenia ryzyka kondensacji pary wodnej. W prezentowanym przykładzie wzrost temperatury powierzchni ramy okiennej na styku ze ścianą wynosił 2 K.
- Elementy murowe z izolacją o nieciągłej lub niesymetrycznej budowie wymagać mogą analiz trójwymiarowych w celu prawidłowego określenia ich właściwości cieplnych. W opisanym przypadku prostej wkładki izolacyjnej w betonowym pustaku, jednak wkładki o nieciągłej budowie, przewodność cieplna z modelu trójwymiarowego jest dwukrotnie wyższa niż z modelu dwuwymiarowego. Dalszego pogorszenia parametrów muru z tego typu elementów należy spodziewać się, gdy w murze nie będzie możliwe zachowanie ciągłości wkładki izolacyjnej między sąsiednimi elementami murowymi.
Literatura
- Obwieszczenie Ministra Rozwoju i Technologii z dnia 15 kwietnia 2022 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2022 r., poz. 1225 wraz z późniejszymi zmianami).
- „Określenie podstawowych wymogów, niezbędnych do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkaniowych oraz sposobu weryfikacji projektów i sprawdzenia wykonanych domów energooszczędnych”, NFOŚiGW, 23 sierpnia 2012 r. oraz 5 grudnia 2015 r.
- PN-EN ISO 6946:2017-10, „Komponenty budowlane i elementy budynku – Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła – Metody obliczania”.
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU z 2015 r., poz. 376 wraz z późniejszymi zmianami).
- PN-EN ISO 10077-1:2017-10, „Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji – Obliczanie współczynnika przenikania ciepła – Część 1: Postanowienia ogólne”.
- PN-EN ISO 10077-2:2017-10, „Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji – Obliczanie współczynnika przenikania ciepła – Część 2: Metoda komputerowa dla ram”.
- PN-EN ISO 10211:2017-09, „Mostki cieplne w konstrukcji budowlanej – Przepływy ciepła i temperatury powierzchni – Obliczenia szczegółowe”.
- Strona internetowa: https://www.fizykacieplna.pl/pdf/elmer10211.pdf
- Strona internetowa: https://www.fizykacieplna.pl/pdf/elmer10077rad.pdf
- U. Berardi, N. Dembsey, „Thermal and Fire Characteristics of FRP Composites for Architectural Applications”, „Polymers” 7, no. 11: 2015, 2276–2289.
- A. Ujma, „Analiza wpływu punktowych mostków cieplnych na izolacyjność cieplną systemu ETICS”, „Zeszyty Naukowe Politechniki Częstochowskiej. Budownictwo” 2011, 17 (167), s. 202–216.
- S. Kulczewska, W. Jezierski, „Analiza rozwiązań złożonych mostków termicznych pod względem udoskonalania ich parametrów cieplnych”, „Budownictwo i Architektura” 15(3) (2016) s. 99–106.
- K. Nowak, A. Byrdy, „Effect of mounting brackets on thermal performance of buildings with ventilated facades”, „Journal of Building Physics” 2019, Vol. 43(1) s. 46–56.
- J. Płoński, „Montaż okien bez błędów”, „Inżynier Budownictwa”, 2019.
- Strona internetowa: https://oknoserwis.pl/artykul-5635/czym-charakteryzuje-sie-cieply-montaz.html
- Strona internetowa: https://dobrymontaz.com/cieply-montaz-okien-prosty-sposob-na-duze-oszczednosci/
- PN-EN 1745:2020-12, „Mury i wyroby murowe – Metody określania właściwości cieplnych”.









