Jakość cieplna obudowy budynków

dr inż. Robert Geryło
Jakość cieplna obudowy budynków - doświadczenia z ekspertyz
Widocznym efektem występowania znaczących mostków cieplnych w obudowie budynku,
występującym na ogół przy niedostosowaniu intensywności wentylacji do emisji wilgoci w
pomieszczeniach, jest kondensacja pary wodnej i zagrzybienie na wewnętrznej powierzchni przegród.
Wyniki licznych ekspertyz w budynkach wzniesionych w ostatnich latach potwierdzają, że o ile zwykle
stwierdza się zadowalającą izolacyjność cieplną przegród zewnętrznych (ścian, stropów, dachów,
stropodachów), o tyle często występują błędy rozwiązań izolacji cieplnej w połączeniach przegród i
węzłach konstrukcyjnych.
Mostki cieplne można podzielić na:
- liniowe, dwuwymiarowe, np. w połączeniach ram okien i drzwi ze ścianą,
- punktowe, mające charakter osiowo-symetryczny, np. w miejscach zastosowania kotwi w ścianie
szczelinowej, kołków mocujących izolację cieplną lub innych łączników mechanicznych
przechodzących przez warstwę izolacji cieplnej,
- trójwymiarowe występujące w węzłach konstrukcyjnych, takich jak naroże ścian i stropu pokazane na
rys. 1.
Mostki cieplne stanowią miejsca w przegrodach budowlanych, w których występują: 1)
większe straty ciepła, 2) niższe wartości temperatury wewnętrznej powierzchni, niż w ich częściach
znajdujących się poza zasięgiem ich oddziaływania.
Są one spowodowane:
- występowaniem w przegrodzie budowlanej warstw niejednorodnych cieplnie zbudowanych z
materiałów różniących się przewodnością cieplną, np. żelbetowy słup w ścianie,
- różnicami geometrycznymi, np. większą powierzchnią zewnętrzną niż wewnętrzną ścian w narożu
wypukłym, mniejszą grubością ościeżnicy niż ościeży,
- dwiema ww. przyczynami, np. nadproże, wieniec, słup w narożu ścian, oparcie połaci dachowej.
Rys. 1. Rozkład izoterm w trójwymiarowym mostku cieplnym w wycinku obudowy z węzłem konstrukcyjnym
Można wyróżnić dwie grupy mostków cieplnych:
- strukturalne, w przegrodzie, wynikające z technologii jej wykonania,
- konstrukcyjne, w połączeniach przegród budynku.
Powodem występowania strukturalnych mostków cieplnych w ścianach są cieplne
niejednorodności materiałowe, np:
- drewniana lub metalowa konstrukcja ściany szkieletowej wypełniona izolacją cieplną,
- tworzywowe lub tworzywowo-metalowe kołki mocujące izolację cieplną do muru lub kotwie muru
szczelinowego przenikające przez warstwę izolacji cieplnej,
- spoiny w murze wykonane z zaprawy lepiej przewodzącej ciepło niż materiał, z którego wykonane są
elementy murowe.
Wpływ tego typu mostków uwzględnia się w obliczeniach współczynnika przenikania ciepła
U c wg poniżej podanego wzoru (3).
Konstrukcyjne mostki cieplne w ścianie występują w jej połączeniach z:
- stropami międzykondygnacyjnymi (w wieńcach),
- stropodachem lub połacią dachu stromego,
- stropem pod najniższą ogrzewaną kondygnacją budynku lub podłogą na gruncie,
- ścianami: zewnętrzną w narożu wypukłym i wklęsłym lub wewnętrzną, ścianą fundamentową,
- ościeżnicą okna lub drzwi, w przekroju poziomym oraz w pionowym przez nadproże lub podokiennik,
- płytą balkonu, logii lub tarasu, w przekroju przez i poza progiem drzwi.
Wpływ tego typu mostków uwzględnia się w ww. wzorach do obliczeń cieplnych w: członie
l
k k
k we wzorze (1) i członie

l
k k ,i
k ,i
Ai
we wzorze (3).
We współcześnie wznoszonych budynkach mieszkalnych w Polsce, przy zastosowaniu
poprawnych rozwiązań technicznych izolacji cieplnej węzłów konstrukcyjnych, udział mostków
cieplnych w obliczonej wg wzoru (2) średniej wartości współczynnika przenikania ciepła obudowy,
2
stanowi od około 0,05 do 0,10 W/(m ∙K), a w odniesieniu do wybranych ścian, wg obliczeń zgodnie ze
wzorem (3), może przekraczać podane wartości.
Szczegółowe dane na temat jakości cieplnej przegród z mostkami strukturalnymi i
konstrukcyjnymi zamieszczane są w katalogach wydawanych w postaci publikacji, a ostatnio
programów komputerowych (patrz www.eurokobra.org).
Wpływ mostków cieplnych na straty ciepła należy uwzględniać w obliczeniach współczynnika
strat ciepła przez przenikanie. W projektowaniu konieczne jest również sprawdzenie spełnienia
kryterium ochrony przed powierzchniową kondensacją pary wodnej i wystąpieniem zagrzybienia.
Projektowe obliczenia cieplne wykonuje się zgodnie z normami PN-EN (poniżej opis).
Obliczenie współczynnika strat ciepła przez przenikanie
Wartość współczynnika strat ciepła przez przenikanie (bezpośrednio z pomieszczeń do
środowiska zewnętrznego) w odniesieniu do obudowy lub jej części można określać wg wzoru:
H D  i Ai U i  k l k k   j  j
(1)
w którym:
AU
i
i
i
- suma iloczynów współczynników przenikania ciepła elementów obudowy i
powierzchni, do których mają one zastosowanie,
l
k k
k
- suma iloczynów liniowych współczynników przenikania ciepła połączeń elementów
obudowy i długości , do których mają one zastosowanie,

j
j
- suma punktowych mostków cieplnych występujących w obudowie, które w
większości przypadków uwzględnia się stosując odpowiednie poprawki
współczynników przenikania ciepła elementów obudowy ( U c  U  U  ).
do
Na podstawie wartości współczynnika strat ciepła przez przenikanie można określić średnią
wartość współczynnika przenikania ciepła obudowy (lub jej części), wg wzoru:
U k , śr 
HD
 Ai
(2)
i
W odniesieniu do wybranego („i-tego”) elementu obudowy np. jednej ze ścian, na podstawie
wymienionego wzoru, można określić wartość współczynnika przenikania ciepła z uwzględnieniem
występujących w nim mostków cieplnych:
U k ,i 
H D,i
Ai
 Ui 
l
k k ,i
Ai
k ,i


j
 j ,i
Ai
(3)
Występujące w powyższych wzorach współczynniki przenikania ciepła: U (wyrażony w
W/m ∙K), liniowe  (w W/m∙K) oraz punktowe  (w W/K) charakteryzują izolacyjność cieplną
2
przegrody budynku, w ustalonych (nie zmieniających się w czasie) warunkach cieplnych, przy
założeniu, że nie zachodzi przez nią intensywny przepływ powietrza i w warunkach bez oddziaływania
promieniowania słonecznego.
Współczynnik przenikania ciepła U z indeksem dolnym „c” uwzględnia dodatek U (patrz
wzór (4)), który w odniesieniu do ściany może np. uwzględniać wpływ punktowych mostków cieplnych
występujących w miejscu zastosowania mocowań (kotwi w murze szczelinowym, kołków mocujących
izolację cieplną do muru).
Wartość współczynnika przenikania ciepła U oblicza się na podstawie projektowych
(obliczeniowych) wartości współczynników przewodzenia ciepła  materiałów (lub wartości oporu
cieplnego R).
W przypadku przegród, w których występują warstwy niejednorodne cieplne, (np. warstwa, w
której konstrukcja drewniana lub metalowa jest wypełniona izolacją cieplną), wartość współczynnika
przenikania ciepła może być określona na podstawie współczynnika sprzężenia cieplnego (strumienia
ciepła przenikającego przez przegrodę w ustalonych warunkach, odniesionego do jednostkowej
różnicy temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego), którego wartość określa się na
podstawie wyników komputerowych obliczeń pola temperatury w przegrodzie budowlanej. W ten
sposób określa się także wartości liniowych Ψ i punktowych χ współczynników przenikania ciepła.
U c  U  U 
1
d
R si    R se
i 
 U 
L3 D
A
(4)
w którym:
Rsi , Rse - opory przejmowania ciepła na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej przegrody, w
odniesieniu do ściany przyjmuje się ich łączną wartość równą 0,17 m2∙K/W,
d ,  - grubość i współczynnik przewodzenia ciepła jednorodnej cieplnie warstwy materiałowej (lub
warstwy niejednorodnej traktowanej jako jednorodną np. mur składający się z elementów murowych i
zaprawy w spoinach),
L3 D , A - współczynnik sprzężenia cieplnego ściany z warstwami niejednorodne cieplnymi i
powierzchnia , do której ma on zastosowanie.
Normy dotyczące określania izolacyjności cieplnej przegród budowlanych, w tym ścian:
PN-EN ISO 13789:2001: Właściwości cieplne budynków - Współczynnik strat ciepła przez przenikanie - Metoda
obliczania
PN-EN ISO 6946:2004: Komponenty budowlane i elementy budynku - Opór cieplny i współczynnik przenikania
ciepła - Metoda obliczania
PN-EN ISO 10211-1:2005: Mostki cieplne w budynkach - Obliczanie strumieni cieplnych i temperatury
powierzchni -Część 1: Metody ogólne + Ap1:2006
PN-EN ISO 10211-2:2002: Mostki cieplne w budynkach - Obliczanie strumieni cieplnych i temperatury
powierzchni - Część 2: Liniowe mostki cieplne
PN-EN ISO 14683:2001: Mostki cieplne w budynkach - Liniowy współczynnik przenikania ciepła - Metody
uproszczone i wartości orientacyjne
PN-EN ISO 10456:2004: Materiały i wyroby budowlane - Procedury określania deklarowanych i obliczeniowych
wartości cieplnych
PN-EN 12524:2003: Materiały i wyroby budowlane - Właściwości cieplno-wilgotnościowe - Tabelaryczne wartości
obliczeniowe
Sprawdzenie spełnienia kryterium ochrony przed powierzchniową kondensacją pary wodnej i
zagrzybieniem
W przypadku przegród z mostkami cieplnymi i węzłów konstrukcyjnych (zwłaszcza naroży
zewnętrznych ścian i stropów lub połaci dachu) konieczne jest sprawdzenie, czy minimalna
temperatura wewnętrznej powierzchni obudowy spełnia wyżej opisane kryterium ochrony przed
występowaniem powierzchniowej kondensacji pary wodnej. Jeżeli nie spełnia – istnieje duże ryzyko
pojawienia się i rozwoju zagrzybienia i w konsekwencji nieestetycznego wyglądu oraz pogorszenia się
warunków higienicznych w pomieszczeniu.
Decydujący wpływ na izolacyjność cieplną lekkich ścian o konstrukcji szkieletowej i połączeń
wszystkich typów ścian z ościeżnicami okien i drzwi (lub połączeń z innymi lekkimi przegrodami) może
mieć ich szczelności powietrzna. Na rys. 2 przedstawiono wyniki symulacji komputerowej rozkładu
wartości temperatury w przekroju przez podokiennik, w dwóch przypadkach:
- po lewej - ze szczelnym wypełnieniem izolacją cieplną przestrzeni pod zewnętrznym parapetem i
progiem okna (opartego punktowo w miejscach poza rozpatrywanym przekrojem),
- po prawej – przyjmując, że przestrzeń ta jest dobrze wentylowana powietrzem zewnętrznym.
Jak widać z porównania rozkładu izoterm na rysunkach, w rozwiązaniu pokazanym po prawej,
w górnej części podokiennika i w progu występuje zwiększony strumień ciepła i małe wartości
temperatury. Wartość współczynnika temperaturowego, charakteryzującego temperaturę wewnętrznej
powierzchni przegród pogarsza się od wartości około 0,8 do około 0,5, czyli osiąga wartość znacznie
niższą od powyższej podanych wartości dopuszczalnych.
wartość fRsi,min w styku ramy i obudowy równa około 0,8
wartość fRsi,min w styku ramy i obudowy równa około 0,5
Rys. 2
Od wartości temperatury wewnętrznej powierzchni przegród istotnie zależy ryzyko
występowania powierzchniowej kondensacji pary wodnej i rozwoju zagrzybienia oraz odczucia
komfortu cieplnego w pomieszczeniach. Zależy ona od izolacyjności cieplnej przegrody, warunków
przejmowania ciepła na jej powierzchni oraz temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego.
W celu scharakteryzowania jakości cieplnej z uwagi na temperaturę powierzchni w sposób
niezależny od wartości temperatury środowisk, stosuje się współczynnik temperaturowy fRsi. Jego
wartość jest równa różnicy temperatury powierzchni i temperatury środowiska zewnętrznego,
podzielonej przez różnicę temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego, określoną przy
przyjęciu wartości oporu przejmowania ciepła Rsi na wewnętrznej powierzchni obudowy.
f R si 
 si   e
i e
(5)
W odniesieniu dowolnego zestawu wartości temperatury środowiska wewnętrznego i
zewnętrznego wartość temperatury powierzchni może być obliczona wg poniższego wzoru (przykłady
graficzne zamieszczono na rys. 4):
 si  f R si   i  1  f R si    e (6)
Rys. 3.
Normowe kryterium ochrony przed powierzchniową kondensacją pary wodnej jest podane w
postaci:
f R si,min  f R si,dop
(7)
Wewnętrzna powierzchnia obudowy jest zabezpieczona przed kondensacją pary wodnej jeżeli
jej temperatura jest wyższa od punktu rosy powietrza. Punkt rosy jest wartością temperatury, w której
powietrze zawierające określoną ilość pary wodnej osiąga stan nasycenia. W powyższym kryterium
maksymalną dopuszczalną wilgotność względną w odniesieniu do temperatury powietrza równej
temperaturze powierzchni jest stan nasycenia, czyli:
- f R si,dop = 1,0 (100%),
- f R si,dop = 0,8 (80%) - w odniesieniu do powierzchni obudowy wykonanej z materiałów o budowie
kapilarno-porowatej np. wyrobów ceramicznych, wapienno-piaskowych, betonów kruszywowych i
komórkowych, gipsów i zapraw, ze względu na zjawisko tzw. kondensacji kapilarnej.
Wartość dopuszczalną współczynnika temperaturowego określa się z uwzględnieniem
intensywności wentylacji i emisji wilgoci w pomieszczeniu. W odniesieniu do typowych warunków
eksploatacji w Polsce wartość dopuszczalną, w odniesieniu do przegród o dużej bezwładności
cieplnej, można przyjmować równa około 0,7.
Wartości dopuszczalne w odniesieniu przegród o małej bezwładności cieplnej (np. lekkich
konstrukcji szkieletowych), w zależności od wilgotności pomieszczenia i wartości temperatury
środowiska zewnętrznego, podano na rys. 4.
0,84
0,83
0,7
0,83
0,71
0,83
0,72
1
0,8
0,74
0,6
fRsi,dop
0,4
0,58
0,59
0,43
0,61
0,45
0,64
0,48
0,52
0,2
0
-20
-15
-15
1350
1080
-20
810
540
p, Pa
Rys. 4.
-10
-5
-10
-5
e, deg C
Przykłady z ekspertyz
Przykładowe błędy polegające na pozostawieniu bez izolacji cieplnej zewnętrznych powierzchni
żelbetowych elementów obudowy budynku (wykonanych z materiału dobrze przewodzącego ciepło),
pokazano schematycznie na rys. 5.
Rys. 5
Poniżej zamieszczono przykłady z ekspertyz zachowania się przegród w rzeczywistych warunkach
eksploatacji.
Przykład 1. Wg projektu budynku, w węźle konstrukcyjnym zastosowano następujące rozwiązania:
- ściany zewnętrzne wykonane jako mur szczelinowy z pustaków ceramicznych z całkowitym
wypełnieniem szczeliny izolacją cieplną o grubości 10 cm,
- płyta stropodachu żelbetowa z izolacją cieplną o grubości 22 cm,
- w narożu słup żelbetowy,
- izolacja cieplna powierzchni czołowej stropu i bocznych słupa o grubości 4 cm.
70,0
65,0
%
60,0
55,0
min
50,0
śr
45,0
max
40,0
35,0
30,0
IX
X
XI
XII
I
II
III
IV
Rys. 6. Dopuszczalne wartości wilgotności względnej powietrza o obliczeniowej wartości temperatury z uwagi na jakość cieplną
rozwiązania technicznego węzła konstrukcyjnego pokazanego powyżej
Przykład 2. Wg projektu architektoniczno-budowlanego, w węźle konstrukcyjnym zastosowano
następujące rozwiązania:
- ściana zewnętrzna konstrukcyjna wykonana jako ściana szczelinowa z żelbetową warstwą
wewnętrzną (15 cm) i zewnętrzną (12 cm) z betonu komórkowego z całkowitym wypełnieniem
szczeliny izolacją cieplną o grubości 7 cm,
- żelbetowa płyta stropowa (20 cm) z izolacją cieplną na dolnej powierzchni o grubości 20 cm,
- izolacja cieplna powierzchni bocznych podciągów: zewnętrznej 5 cm, wewnętrznej 2 cm
- powierzchnia dolna podciągu i boczne słupa w narożu bez izolacji.
70,0
65,0
60,0
55,0
50,0
45,0
40,0
35,0
30,0
min
śr
max
IX
X
XI
XII
I
II
III
IV
Rys. 7. Dopuszczalne wartości wilgotności względnej powietrza o obliczeniowej wartości temperatury z uwagi na jakość cieplną
rozwiązania technicznego węzła konstrukcyjnego pokazanego powyżej
Przykład 3. Wg projektu architektoniczno-budowlanego, w węźle konstrukcyjnym zastosowano
następujące rozwiązania:
- ściana zewnętrzna konstrukcyjna wykonana jako ściana szczelinowa z żelbetową warstwą
wewnętrzną (15 cm) i zewnętrzną (12 cm) z betonu komórkowego z całkowitym wypełnieniem
szczeliny izolacją cieplną o grubości 7 cm,
- żelbetowa płyta stropowa (20 cm),
- płyta balkonowa bez izolacji cieplnej.
75
70
65
%
60
min
55
śr
50
max
45
40
35
30
IX
X
XI
XII
I
II
III
IV
Rys. 8. Dopuszczalne wartości wilgotności względnej powietrza o obliczeniowej wartości temperatury z uwagi na jakość cieplną
rozwiązania technicznego węzła konstrukcyjnego pokazanego powyżej
Przykład 4. W budynku wykonano ściany zewnętrzne w postaci muru szczelinowego z cegły
ceramicznej z izolacją cieplną o grubości 8 cm. Ponieważ ze względów konstrukcyjnych ogranicza się
wysokość muru zewnętrznego ściany szczelinowej, wykonanego z cegły ceramicznej, do 12 m, w
budynkach wielokondygnacyjnych zwykle stosuje się oparcie co kondygnację na wspornikach
wyprowadzonych z wieńców.
Rys. 8. Rozkład izoterm w węźle wg projektu
Rys. 9. Rozkład izoterm w węźle wg wykonania
Rys. 10. Wieniec ze wspornikiem: wg projektu i rzeczywiste wykonanie
Rys. 11. Wieniec ze wspornikiem w ścianie szczytowej: wg projektu i rzeczywiste wykonanie
Rys. 12. Wieniec ze wspornikiem: wg projektu i rzeczywiste wykonanie
Rys. 13. Wieniec ze wspornikiem w ścianie szczytowej: wg projektu i rzeczywiste wykonanie
Energooszczędne rozwiązania węzłów konstrukcyjnych
Łączniki zbrojeniowe z izolacją cieplną
Łączniki zbrojeniowe z izolacją cieplną są przeznaczone do wykonywania konstrukcyjnych
połączeń elementów żelbetowych (lub metalowych): płyt, ścian lub belek, w których:
- łączone elementy żelbetowe są rozdzielone izolacją cieplną ze styropianu lub wełny mineralnej,
- przez izolację cieplną przechodzą pręty zbrojenia (lub łączniki mechaniczne) wykonane ze stali
nierdzewnej lub „zwykłej” stali w tulejach ze stali nierdzewnej.
Przykładowo są one alternatywą dla stosowania izolacji cieplnej na powierzchniach
żelbetowych elementów przechodzących przez obudowę (np. płyt balkonów, ścianek attykowych).
Układy zbrojenia są prefabrykowane w postaci pojedynczych zestawów prętów zbrojenia (np.
pręt górnego i pręt dolnego zbrojenia płyty wraz z prętem odgiętym), które mogą być rozmieszczane w
dowolnym rozstawie lub w postaci liniowych układów, np. o długości jednego metra bieżącego,
przewidzianych do danego rodzaju połączenia, wymiarów łączonych elementów i wartości
uogólnionych sił wewnętrznych w przekroju połączenia.
Główną korzyść z zastosowania tego rozwiązania stanowi możliwość poprowadzenia izolacji
cieplnej „najkrótszą” drogą po powierzchni obudowy. Przykładowo, dzięki temu w porównaniu do
rozwiązania z izolacją cieplną na powierzchniach wspornikowej płyty balkonowej istnieje możliwość
uzyskania:
- mniejszych strat ciepła (w ścianie z płytami balkonowymi jw. udział strat ciepła w węzłach
konstrukcyjnych stanowi około 40 % wartości współczynnika strat ciepła przez przenikanie tej
przegrody [1]),
- wymaganych wartości f Rsi,min z uwagi na ochronę przed zagrzybieniem wewnętrznej powierzchni
przegród np. w narożnych węzłach konstrukcyjnych z wspornikową płytą balkonową, co w wybranych
przypadkach nie jest możliwe w rozwiązaniu z izolacją cieplną na powierzchniach płyty [2].
Rys. 14. Zdjęcie łączników zbrojarskich z izolacją cieplną różnych typów i szkic ich zastosowania
Rys. 15. Przykładowy rozkład izoterm w wycinku modelu wspornikowej płyty balkonowej z łącznikiem zbrojeniowym z izolacją
cieplną, w przekroju przez nadproże i próg drzwi
Wsporniki do muru szczelinowego
Rozwiązaniem umożliwiającym w najmniejszy sposób naruszenie ciągłości warstwy izolacji cieplnej
muru szczelinowego jest zastosowanie wsporników ze stali nierdzewnej.
Rys. 16. Przykład zastosowania wsporników do muru szczelinowego firmy HALFEN, wg www.halfen.pl
Literatura
[1] G e r y ł o R ., Określanie współczynnika strat ciepła przez przenikanie odnośnie do przegród budowlanych i ich połączeń,
Kwartalnik Prace ITB Nr1/2005
[2] G e r y ł o R ., Diagnostyka cieplna przegród zewnętrznych budynku przy wykorzystaniu analizy pola temperatury, praca
doktorska, Biblioteka ITB, Warszawa 2006
[3] ISO DIS 10211:2005, Thermal bridges in building construction - Heat flows and surface temperatures Detailed calculations