Ocieplenie bez błędów. Jak minimalizować wpływ mostków termicznych?

Osiągnięcie odpowiedniego standardu energooszczędnego budynku jest możliwe przy poprawnie zaprojektowanym i wykonanym ociepleniu przegród zewnętrznych. Kompleksowe działania w tym zakresie powinny dotyczyć pełnych przegród (m.in. ścian zewnętrznych, stropodachów), ale także ich złączy. W celu ograniczenia negatywnego wpływu mostków termicznych należy poprawnie ukształtować strukturę materiałową w analizowanym złączu przegród zewnętrznych.

Wymagania w zakresie ochrony cieplnej budynków i ich przegród zewnętrznych określono w postaci dwóch jednocześnie stosowanych metod (§ 328 Rozporządzenia [1]):
■  zaprojektowanie przegród w budynku tak, aby wartości współczynników przenikania ciepła U_c [W/(m²K)] przegród zewnętrznych, okien, drzwi oraz technika instalacyjna odpowiadały wymaganiom izolacyjności cieplnej
■  zaprojektowanie budynku pod kątem zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną na jednostkę powierzchni pomieszczeń o regulowanej temperaturze powietrza w budynku, lokalu mieszkalnym lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową - EP [kWh/(m²rok)].
W praktyce projektowej i wykonawczej budynków niskoenergetycznych pojawiają się także określenia: budynek w standardzie NF40 lub NF15. Dotyczą one energooszczędnych budynków mieszkalnych, na których budowę lub zakup NFOŚiGW [2] uruchamia system dopłat do kredytów. W tablicy 1 zestawiono wybrane wymagania cieplne dla przegród zewnętrznych budynku wg Rozporządzenia WT2013 oraz NFOŚiGW.

Tablica 1. Zestawienie wymagań cieplnych wg Rozporządzenia WT [1] oraz wytycznych NFOŚiGW [2] dla budynków w standardzie NF15 i NF 40

W związku z wprowadzeniem nowych wymagań izolacyjności cieplnej niezwykle ważne staje się w procesie projektowym poprawne wykonywanie szczegółowych obliczeń i analiz, które powinny być podstawą w trakcie wyboru rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych przegród zewnętrznych i złączy.

Pojęcia i przykłady mostków cieplnych

W literaturze można spotkać wiele definicji mostków termicznych. W pierwszej polskiej publikacji szerzej podejmującej problematykę fizyki budowli, Kołodziejczyk [3], używa terminu pomost cieplny na oznaczenie mostka termicznego całkowitego.
Według A. Dylli mostek termiczny powstaje w wyniku naruszenia ciągłości struktury wewnętrznej przegrody, w związku z występowaniem materiałów budowlanych różniących się, najczęściej znacznie, wielkością współczynników przewodności cieplnej λ [4], [5].
Mostki termiczne można podzielić na trzy grupy [4], [5]:
■  mostki pierwszego rzędu (płaskie w obrysie przegrody zewnętrznej) - 1D
■  mostki drugiego rzędu (w miejscu połączenia przegród - w stykach, złączach, narożnikach) - 2D
■  mostki trzeciego rzędu (przestrzenne mostki cieplne zarówno w samej przegrodzie zewnętrznej, jak i w ewentualnym złączu przestrzennym tej przegrody z dowiązującymi lub przebijającymi ją ścianami lub stropami) - 3D.

Rys. 1. Przykładowe mostki cieplne

Typowymi przykładami mostków termicznych są: spoiny wypełnione zaprawą w ścianach murowanych z elementów drobnowymiarowych, słupy i rygle w ścianach, żebra w ścianach warstwowych, nadproża, złącza elementów prefabrykowanych, naroża ścian, połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową, ościeża okienne.

Konsekwencje występowania mostków cieplnych

Występujące w rzeczywistości pole dwu- i trójwymiarowe powinno zostać każdorazowo określone dla konkretnych warunków brzegowych, a uzyskane wyniki determinują jakość cieplną badanych przegród zewnętrznych z należytą dokładnością. Do podstawowych parametrów charakteryzujących mostki cieplne można zaliczyć:
■  liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ [W/(mK)], określający dodatkowe straty ciepła wynikające z występowania liniowych mostków cieplnych; jego wartość może być określana wg wymiarów wewnętrznych (Ψ_i), wg wymiarów zewnętrznych (Ψ_e) lub wg wymiarów całkowitych wewnętrznych – osiowych (Ψ_oi)
■  punktowy współczynnik przenikania ciepła χ [W/K], określający dodatkowe straty ciepła wynikające z występowania punktowych mostków cieplnych
■  gałęziowy współczynnik przenikania dotyczący strat ciepła dla pojedynczej części złącza budowlanego np. dla dolnej części złącza (tablica 4)
■  minimalną temperaturę na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego t_min. [^oC] (ϑ_{si min.} [^oC]) oraz czynnik temperaturowy f_Rsi [-] zależny tmin [^oC] (ϑ_{si min.} [^oC]) .

W tzw. „słabych miejscach” występuje zwiększony przepływ ciepła - opisany przy wykonaniu pomiarów kamerą termowizyjną (fot. 1), a na ich wewnętrznej powierzchni utrzymuje się niższa temperatura w porównaniu z temperaturą pozostałej części przegrody. Wskutek tego często następuje wykraplanie się pary wodnej na powierzchni mostków i powstają mokre plamy, a nawet pleśń (fot. 2).

Fot. 1. Termografia budynku – obraz dodatkowych strat ciepła [6], [7]	Fot. 2. Zjawisko obniżonej temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody – ryzyko rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych

Opisując zagadnienia związane z mostkami termicznymi można przywołać następujące postulaty:
■  należy dążyć do ograniczenia wartości niekorzystnego wpływu na straty ciepła i ryzyko kondensacji wszystkich występujących mostków cieplnych
■  wszystkie mostki termiczne, których można uniknąć, należy wyeliminować na etapie projektowania lub realizacji budynku
■  wszystkie mostki, które nie mogą być usunięte powinny być skonstruowane lub ocieplone tak, aby ich wpływ na straty ciepła był minimalny, a także ryzyko kondensacji było minimalne.

Mostki cieplne a wymagania prawne, obligatoryjne

Według znowelizowanego rozporządzenia [1], mostki cieplne należy uwzględniać w zakresie sprawdzenia ryzyka występowania kondensacji wilgoci na wewnętrznej powierzchni przegrody (określenie temperatury min. oraz czynnika temperaturowego f_Rsi). Natomiast obliczona wartość współczynnika przenikania ciepła U_c [W/(m²K)], wg PN-EN ISO 6946:2008 [8], dla pojedynczej przegrody nie uwzględnia dodatkowych strat ciepła wynikających z występowania mostków cieplnych. Na podstawie przeprowadzonych badań własnych opracowano własne algorytmy obliczeniowe w formie metod inżynierskich, prezentowane w pracy [9], [10], [11]. Zgodnie z rozporządzeniem w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku [12], w celu określenia wartości całkowitego współczynnika strat ciepła przez przenikanie H_tr [W/K] należy przeprowadzić obliczenia zgodnie z PN-EN 12831:2006 [13]. Wpływ liniowych mostków cieplnych uwzględnia się przy zastosowaniu liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/(mK)], którego wartości wg PN-EN 12831:2006 [13] należy przyjmować na podstawie PN-EN ISO 14683:2008 [14] (ocena przybliżona) lub na podstawie obliczeń numerycznych w oparciu o PN-EN ISO 10211:2008 [15] (ocena dokładna). Należy zwrócić także uwagę, że wg PN-EN 12831:2006 [13] wpływ liniowych mostków cieplnych można określić metodą uproszczoną, obliczając współczynnik przenikania ciepła z uwzględnieniem mostków cieplnych U_kc [W/(m²K)] wg wzoru U_kc = U_k + ΔU_Tb. Wartości współczynnika korekcyjnego ΔU_Tb przyjmuje się wg załącznika D.4.1 normy [13] w zależności od typu elementu budynku (poziomy czy pionowy) oraz występujących otworów okiennych i drzwiowych. Jednak taki sposób budzi wiele niejasności i wątpliwości, ponieważ przyjmowanie stałych (zryczałtowanych) współczynników ΔU_Tb nie prowadzi do uzyskania miarodajnych wyników obliczeń w zakresie strat ciepła.

Przykładowe sposoby minimalizowania wpływu mostków cieplnych

W celu ograniczenia dodatkowych strat ciepła oraz możliwości obniżenia temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego należy odpowiednio kształtować układy materiałowe w danym złączu przegród zewnętrznych budynku.
W artykule przedstawiono szczegółową analizę parametrów wybranych mostków cieplnych: połączenie ściany zewnętrznej dwuwarstwowej z oknem w przekroju przez ościeżnicę (przykład 1) oraz połączenie ściany zewnętrznej dwuwarstwowej z płytą balkonową (przykład 2). Do obliczeń przyjęto następujące założenia:
■  budynek zlokalizowany w III strefie - temp. powietrza zewnętrznego t_e = -20^oC, temp. powietrza wewnętrznego t_i = +20^oC
■  wartości wspót. przewodności cieplnej materiałów budowlanych λ [W/(mK)] przyjęto na podstawie tablic zamieszczonych w publikacji [10], [11]
■  wspót. przenikania ciepła U_c [W/(m²K)] obliczono zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [8]
■  warunki przejmowania ciepła na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni przegrody przyjęto zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008 [8] dla obliczenia wielkości strumieni cieplnych oraz zgodnie z PN-EN ISO 13788:2003 [16] przy obliczaniu temperatur i czynnika temperaturowego f_Rsi [-]
■  modelowanie analizowanych złączy wykonano zgodnie z zasadami sformułowanymi w PN-EN ISO 10211:2008 [15].

Przykład 1
W przykładzie tym przedstawiono wpływ poprawnego osadzenia stolarki okiennej na parametry cieplne połączenia ściany zewnętrznej dwuwarstwowej z oknem w przekroju przez ościeżnicę. W tablicy 2 przedstawiono wyniki obliczeń parametrów fizycznych analizowanych złączy w dwóch wariantach:
■  wariant I - brak ocieplenia na ościeżnicy okiennej
■  wariant II - ocieplenie zachodzi (3 cm) na ościeżnicę.
Poprawne osadzenie stolarki okiennej w ścianie zewnętrznej dwuwarstwowej (wariant II) powoduje, że starty ciepła przez dane złącze są dużo mniejsze, a temperatura na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego jest wyższa niż w wariancie I. Wymagania programu NFOŚiGW [2] dotyczące maks. wartości współczynnika Ψmaks. [W/(mK)] mają pomóc w zmniejszeniu strat ciepła przez złącza przegród. Jednak przy ocenie strat ciepła należy dodatkowo przeanalizować także parametry: wielkość strumienia cieplnego przepływającego przez złącze Φ [W] lub współczynnik sprężenia cieplnego L^2D [W/(mK)], odzwierciedlające straty ciepła przez złącze. Analiza wyłącznie współczynnika Ψ [W/(mK)] nie potwierdza zasadności konkretnego rozwiązania. W analizowanych przykładach zwiększenie grubości izolacji cieplnej do 18 cm powoduje, że wartość Ψ wynosi 0,073 W/(mK), a przy grubości 12 cm Ψ wynosi 0,065 W/(mK). Wynika to z metodyki obliczeń. Warto jednak zauważyć, że analiza wielkości Φ [W] potwierdza ograniczenie strat ciepła przez złącze (tablica 2).

Tablica 2. Wyniki obliczeń parametrów cieplnych złącza połączenia ściany zewnętrznej z oknem w przekroju przez ościeżnicę [17]

Tablica 3. Analiza cieplno-wilgotnościowa złącza budowlanego – połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową [18]

Przykład 2
W przykładzie tym przedstawiono wpływ ukształtowania połączenia ściany zewnętrznej dwuwarstwowej z płytą balkonową. W tablicach 3 i 4 przedstawiono wyniki obliczeń parametrów fizycznych, dla dwóch wariantów obliczeniowych:
■  wariant I - płyta balkonowa przebija warstwę izolacji cieplnej
■  wariant II - połączenie płyty balkonowej ze ścianą zewnętrzną za pomocą łącznika izotermicznego.
Złącze z typowym rozwiązaniem, wskutek przebicia izolacji cieplnej płytą balkonową, generuje znacznie większe straty ciepła niż złącze z zastosowaniem łącznika izotermicznego. Praktyczne zastosowanie wariantu II powoduje, że na stykach wewnętrznych przegród występują temperatury (t₁, t₂) wyższe niż w wariancie I (tablica 3, 4). W związku z tym
nie występuje ryzyko kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego.

Tablica 4. Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych połączenia ściany zewnętrznej z płytą balkonową [18]

Podsumowanie

Kompleksowa ocena przegród zewnętrznych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym powinna dotyczyć przegród, ale także ich złączy. Dobór materiałów konstrukcyjnych i izolacyjnych nie powinien być przypadkowy, ale oparty na podstawie szczegółowych obliczeń i analiz. Określenie szczegółowe parametrów fizycznych złączy budowlanych (mostków cieplnych), przy zastosowaniu programu komputerowego, umożliwia miarodajne oszacowanie strat ciepła i rozkładu temperatur oraz uniknięcie błędów na etapie projektowania, wykonywania i eksploatacji budynków. Istnieje potrzeba prowadzenia szczegółowych dalszych obliczeń, w celu opracowania profesjonalnego katalogu mostków cieplnych budynków w standardzie niskoenergetycznym.

dr inż. Krzysztof Pawłowski
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
2. Wytyczne określające podstawowe wymogi niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkalnych oraz sposób weryfikacji projektów i sprawdzania wykonanych domów energooszczędnych www.nfosigw.gov.pl
3. Kołodziejczyk S., Fizyka konstrukcji budowlanych. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Łódź 1962.
4. Dylla A., Fizyka budowli, Wydawnictwa Uczelniane ATR, Bydgoszcz 1985.
5. Dylla A., Ochrona cieplna słabych miejsc w przegrodach budowlanych, Wydawnictwo ART Olsztyn 1988.
6. http://www.ladnydom.pl/budowa/L106570, 5498166,Balkon_bez_przemarzania.html
7. http://www.budowlany.pl/pl/tynki/cieply_ dom_to_oszczednosc_pieniedzy
8. PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.
9. Pawłowski K., Efektywność zewnętrznych przegród budowlanych i ich złączy w aspekcie cieplno-wilgotnościowym, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, rozprawa doktorska, 2008.
10. Dylla A., Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych, Wydawnictwo Uczelniane UTP w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2009.
11. Pawłowski K., Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle nowych warunków technicznych dotyczących budynków WT2013, Wydawnictwo MEDIUM, Warszawa 2013.
12. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw charakterystyki energetycznej (DzU z 2014 r., poz. 888).
13. PN-EN 12831:2006 Instalacje grzewcze w budynkach. Metoda obliczania obciążenia cieplnego.
14. PN-EN ISO 14683:2008 Mostki cieplne w budynkach, Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne.
15. PN-EN ISO 10211:2008 Mostki cieplne w budynkach, Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe.
16. 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.
17. Józefiak K., Analiza numeryczna wybranych złączy budowlanych w zakresie wymagań wilgotnościowych, praca dyplomowa magisterska, napisana pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Pawłowskiego w Katedrze Budownictwa Ogólnego i Fizyki Budowli, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2012.
18. Pawłowski K., Dybowska M., Józefiak K., Przykłady minimalizacji wpływu mostków cieplnych na izolacyjność przegrody, Izolacje 3/21014.