Docieplenie budynku z pominięciem ścian nasłonecznionych

Teren Polski leży w strefie klimatów umiarkowanych ciepłych, tzn. temperatura  średnia powietrza trzech miesięcy letnich wynosi min. 15oC, a w zimie występują długie okresy mrozu. Zwłaszcza w okresie zimowym temperatura powietrza zewnętrznego jest czynnikiem klimatu o zasadniczym znaczeniu dla energooszczędności budynku. Innym istotnym parametrem klimatu wykorzystywanym w obliczeniach cieplno-wilgotnościowych budynku  jest promieniowanie słoneczne. Promieniowanie słoneczne docierające do przegród budowlanych jest absorbowane w górnych warstwach atmosfery ziemskiej przez parę wodną, dwutlenek węgla i ozon. Istotnym elementem wpływającym na ten parametr jest także zachmurzenie. W wyniku pokrycia nieba chmurami może następować całkowity zanik promieniowania bezpośredniego. Na obszarze Polski dla okresu letniego usłonecznienie wg wieloletnich notowań stacji klimatologicznych wynosi 50-60% (w Atenach 85%). Promieniowanie słoneczne padające na powierzchnię przegrody ulega częściowo odbiciu, częściowo absorpcji i częściowo jest przepuszczalne przez przegrodę. Jest ono istotne  przede wszystkim w przegrodach przeźroczystych wpływa ono na zyski ciepła w obliczeniach sezonowego zapotrzebowania na ciepło. W obliczeniach cieplnych materiałów nieprzezroczystych nie uwzględnia się efektu krótkotrwałego promieniowania słonecznego.

Natężenie słoneczne cechuje znaczna zmienność dobowa jak i roczna (Rys. 1). W okresie letnim następuje nagrzanie przegród budowlanych i tym samym obniżenie komfortu cieplnego pomieszczeń. Zadaniem izolacji jest niedopuszczenie do nadmiernego nagrzewania komponentów a tym samym do zmiany mikroklimatu wnętrza. W okresie zimowym promieniowanie słoneczne docierające do pionowej powierzchni budowli jest znacznie mniejsze a istotnym problemem jest zabezpieczenie przegrody przed wystąpieniem nadmiernej wilgoci. Wilgotne materiały, wskutek schnięcia oddają cześć wilgoci do wnętrza pomieszczeń.  Powietrze wchłania wydzielaną wilgoć, jeżeli w jakimś przekroju przegrody utrzymuje się temperatura niższa od punktu rosy, może zachodzić kondesacja pary wodnej. Jeżeli temperatura na powierzchni przegrody spadnie poniżej punktu rosy, to stykające się z nią powietrze ochładza się również poniżej punktu rosy i wskutek tego wykrapla się z niego para wodna osiadająca w postaci rosy na tej powierzchni (Rys. 7).

Jeżeli kondesacja pary wodnej trwa dłużej, powierzchnia przegrody ulega zawilgoceniu i jednocześnie wilgoć ta wnika w materiał, z którego wykonana jest przegroda, zwiększając tym samym wilgotność tej przegrody. W pomieszczeniach, w których występuje duża wilgotność względna występuje rozwój różnych gatunków grzybów strzępkowych, popularnie zwanych grzybami pleśniowymi. Wraz ze wzrostem zawartości wody w materiałach maleje ich trwałość, w materiałach pochodzenia roślinnego wzrost zawilgocenia sprzyja korozji biologicznej, prowadzącej do całkowitego zniszczenia materiału. W przypadku materiałów porowatych prowadzi do zniszczenia struktury.

Pierwsze kompletne wymagania techniczno-użytkowe odnośnie zasobów budowlanych, pojawiły się w Polsce w 1928 roku. W kolejnych latach parametry zmieniały się, a wymagania dotyczące właściwości termoizolacyjnych przegród budowlanych zaostrzono (Tab. 1).

Tablica 1 Zestawienie współczynnika przenikania ciepła U dla wybranych przegród budowlanych na przełomie lat. [2]

1 qi = 18°C, 2 qi = 20°C, 3 w zależności od strefy klimatycznej, 4 w zależności od rodzaju ściany (z otworami lub bez), 5 w zależności od rodzaju i konstrukcji ściany

W związku z ogólnym trendem do oszczędzania energii, w roku 1998 opracowano i wprowadzono metodę (PN-98/B-02025) obliczania wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło E do ogrzewania budynków, natomiast wartości graniczne tego wskaźnika podano w Rozporządzeniu Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji. Kolejne zaostrzenia wymagań dotyczących ochrony cieplnej pojawiły się w Rozporządzeniu ministra infrastruktury w 2002 roku. Wprowadzona została norma PN-EN ISO 6946. Wartości graniczne E0 ustalane zostały na podstawie analizy ekonomicznej opłacalności stosowania materiałów budowlanych o dobrych właściwościach termoizolacyjnych.

Zmiany wymogów izolacyjności cieplnej budynków sprawiły, że budynki wybudowane w poprzednich latach nie spełniają aktualnych parametrów normowych i wymagają docieplenia.

W Polsce opracowano kilka metod termorenowacji, w zależności od rodzaju budynku, jego konstrukcji i przeznaczenia. Stosowane sposoby zewnętrznego ocieplania ścian można podzielić na trzy podstawowe grupy:
– sposoby z zastosowaniem płyt izolacyjnych,
– sposoby wykorzystujące materiały sypkie,
– sposoby z użyciem tynków ocieplających.

Z różnych metod ocieplania ścian domu od zewnątrz największą popularnością cieszą się metody ocieplania ścian przy użyciu płyt izolacyjnych. Metody te dzieli się na:
-metody lekkie mokre, polegają na mocowaniu materiału termoizolacyjnego do powierzchni ściany przy pomocy kleju,
-metody lekkie suche, polegają na wykonaniu na powierzchni ściany zewnętrznej warstwy elewacyjnej osłoniętej okładziną elewacyjną (wykonaną najczęściej z paneli winylowych tzw. siding),
-metody ciężkie mokre, polegają na ociepleniu płytami izolacyjnymi i pokryciu ich tradycyjnym tynkiem na siatce metalowej, bądź ociepleniu płytami z osłonięciem ich przymurówką z cegieł.
Wymagania w zakresie izolacji termicznej budynków ujęte są w obowiązujących normach i Rozporządzeniu Rady Ministrów.

Dla budynków jednorodzinnych oblicza się alternatywnie współczynnik przenikania ciepła dla ścian U (W/m2K), lub wskaźnik sezonowego zapotrzebowania na ciepło E.
Współczynnik U jest uniwersalny i stosuje się go do każdego budynku. Wskaźnik E uwzględnia zaś indywidualny charakter budynku, określając szczegółowy bilans zysków i strat ciepła dla każdego pomieszczenia. Zaletą wskaźnika E jest możliwość opracowania szczegółowego bilansu energetycznego danego budynku i określenia jego wartości pod kątem energooszczędności (koszt ogrzewania).
Przy projektowaniu termomedernizacji istotnym parametrem jest wskaźnik utrzymania ciepła przegród budowlanych. Zmiany temperatur w pomieszczeniach mają charakter wahań harmonicznych.

Wskaźnik utrzymania ciepła przegrody zależy od jej oporu cieplnego oraz pojemności cieplnej warstw. Ściana jednowarstwowa z betonu komórkowego o współczynniku przenikania ciepła 1,05 W/m2K utrzymuje ciepło przez 13,5 godziny. Po dociepleniu tej ściany warstwą styropianu grubości 10 cm otrzymuje się współczynnik przenikania ciepła 0,25 W/m2K, a wskaźnik utrzymania ciepła wzrasta do 134,5 godzin. Układ ściany warstwowej ocieplonej jest dziesięciokrotnie bardziej korzystny ze względu na większe wykorzystanie ciepła wewnątrz budynku i ograniczenie strat przez przenikanie przez przegrody zewnętrzne. Dzięki ociepleniu ściany ogranicza się również wahania temperatury wewnątrz budynku przy przerwach w dopływie ciepła [1].
Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie dla budynków jednorodzinnych wymaga się, aby przegrody budowlane spełniały wymagania izolacyjności cieplnej lub wartość wskaźnika E nie przekraczała wartości granicznej E0 określonej w Rozporządzeniu.

Wskaźnik E oblicza się sumując straty ciepła przez przenikanie przez przegrody zewnętrzne oraz straty na podgrzanie powietrza wentylacyjnego. Od strat ciepła odejmuje się 90% zysków ciepła spowodowanych promieniowaniem słonecznym przez okna oraz użytkowaniem budynku. Całkowite straty ciepła w stosunku do kubatury ogrzewanej dają wskaźnik E.

Wykonano obliczenia wskaźnika E dla połowy domu jednorodzinnego w zabudowie bliźniaczej. Budynek ma dwie kondygnacje nadziemne ogrzewane, piwnicę nieogrzewaną, stropodach wentylowany dwudzielny. Ściany zewnętrzne wykonane z betonu komórkowego 24 cm na zaprawie zwykłej, stropy z płyt kanałowych. Główne wymiary budynku przedstawiono na rysunku 2.

Przyjęto następujące układy warstw poszczególnych przegród otaczających przestrzeń ogrzewaną oraz współczynniki przenikania ciepła obliczone zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:1999:

•  ściana stykająca się z powietrzem zewnętrznym

– w wariancie przed termorenowacją obliczeń przyjęto ścianę jednowarstwową z betonu komórkowego (r=600 kg/m3) o grubości 24 cm; współczynnik przenikania ciepła dla ściany pełnej wynosi Uk = 1,05 W/m2K (nie jest spełnione wymaganie dla ścian jednowarstwowych Uk,max = 0,5 W/m2K),
– w wariancie po termorenowacji przyjęto tę samą ścianę ocieploną styropianem o grubości 10 cm (r = 20 kg/m3); współczynnik Uk = 0,25 W/m2K (warunek dla ścian warstwowych Uk,max = 0,3 W/m2K jest spełniony również po dodaniu poprawki na liniowe mostki cieplne – dla ściany z otworami okiennymi i drzwiowymi DU = 0,05 W/m2K),

•  stropodach wentylowany dwudzielny wykonany z płyt kanałowych z ociepleniem o współczynniku przenikania ciepła Uk = 0,17 W/m2K,
•  strop nad nieogrzewaną piwnicą wykonany z płyt kanałowych, warstwy izolacji akustycznej, zaprawy cementowej oraz parkietu; współczynnik przenikania ciepła wynosił Uk = 0,58 W/m2K.

Obliczenia przeprowadzono dla trzech wariantów:
– wariant 1: ściany jednowarstwowe nieocieplone, stropodach ocieplony, stolarka PCV o współczynniku Uk = 1,30 W/m2K,
– wariant 2: ocieplone tylko dwie ściany od strony północnej i wschodniej, ściany nasłonecznione jednowarstwowe nieocieplone, stropodach ocieplony, stolarka PCV o współczynniku Uk = 1,30 W/m2K, (Rys. 3) – wariant 3: ocieplone wszystkie ściany, stropodach ocieplony, stolarka PCV o współczynniku Uk = 1,30 W/m2K.
Obliczenia wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków przeprowadzono według metody uproszczonej zgodnie z załącznikiem do normy PN-B-02025:2001.

Docieplenie ścian od strony północnej i wschodniej powoduje obniżenie strat ciepła przenikającego przez ściany zewnętrzne o 57% (Rys. 4), a ocieplenie wszystkich ścian zmniejsza straty aż o 76%. Ocieplając wszystkie ściany uzyskać można oszczędność energii na poziomie 8500 kWh/rok. W budynku ogrzewanym energią elektryczną daje to zmniejszenie kosztów ogrzewania prawie o 3000 zł rocznie.

W pierwszym wariancie, gdy ściany zewnętrzne są nieocieplone, straty ciepła stanowią prawie 50% wszystkich strat przez przenikanie przez przegrody zewnętrzne. Ocieplenie dwóch ścian powoduje wyrównanie poziomu strat przez ściany i strop nad nieogrzewaną piwnicą. Docieplenie wszystkich ścian zmniejsza udział strat ciepła do poziomu 19% porównywalnego ze stratami przez okna i na wentylację. Porównanie wartości wskaźnika przedstawiono na rysunku 5.

W pierwszym wariancie obliczeniowym wskaźnik E przekracza wartości dopuszczalne. Straty ciepła przez ściany wynoszą ponad 11000 kWh/a. W przypadku poprawy izolacyjności tylko ścian nienasłonecznionych uzyskuje się spełnienie warunku E < E0 zaledwie o 3 % (Rys. 6). Straty ciepła zmniejszają się o 57% jednak nadal część ścian nie spełnia wymagania Uk < Uk,max. Tymsamym, jak przedstwaiono na wykresach, będzie występowała kondensacja międzywarstwowa. Docieplając wszystkie ściany zewnętrzne (wariant 3) uzyskujemy zmniejszenie strat ciepła przez ściany o 76% w stosunku do sytuacji przed termorenowacją. Całkowita energia (Qh) potrzebna do ogrzania budynku w sezonie grzewczym zmniejsza się o 45% oraz likwiduje się możliwość penetracji wilgoci wewnątrz przegrody.

W przegrodzie nieocieplonej kondensacja pary wodnej występuje na styku tynku oraz warstwy nośnej ściany. Gdy temperatura zewnętrzna wynosi -10°C około 5 cm betonu komórkowego znajduje się w strefie temperatur niższych od zera. Zamarzanie wody w porach materiału konstrukcyjnego może spowodować jego zniszczenie, a w efekcie osłabienie nośności ściany. Ocieplenie ściany styropianem daje warstwę ochronną – część nośna ściany znajduje się w strefie temperatur dodatnich, a kondensacja występuje w zewnętrznych warstwach tynku i nie przyczynia się ona do destrukcji ściany nośnej.

Podsumowanie

Po dogłębnej analizie można z całą odpowiedzialnością stwierdzić, że nie ocieplenie ścian nasłonecznionych jest błędnym rozwiązaniem. Świadczą o tym przede wszystkim narastające problemy z nadmierną wilgocią występującą w tych przegrodach szczególnie w okresach niskich temperatur. Nie ocieplenie ścian nasłonecznionych wpływa na pogorszenie mikroklimatu pomieszczeń, szczególnie w okresie wysokich temperatur. Przegroda o tradycyjnej budowie nie jest w stanie zakumulować wystarczającej porcji energii by ją oddać w niekorzystniejszych warunkach otaczającym pomieszczeniom. Niekorzystnie przedstawia się także wskaźnik utrzymania ciepła w przegrodzie jednowarstwowej o niewielkich wymiarach.
Ponadto przeprowadzone analizy wskazują, że oszczędzanie na grubości i jakości warstwy izolacyjnej jest błędem, gdyż ma to niewielki wpływ na koszt wykonania ocieplenia, a znacząco podnosi  koszty ogrzewania danego obiektu.
Racjonalna grubość izolacji cieplnej głównych przegród budowlanych powinna być poprzedzona obliczeniami. Maksymalne ograniczenie strat ciepła i zużycia energii, można uzyskać przez kilka parametrów (np.: usprawnienia w węźle cieplnym, modernizacja instalacji itd.) a także, przez zwiększenie izolacyjności wszystkich przegród zewnętrznych budynku.

Literatura

•  Budownictwo ogólne. Tom 2. Fizyka budowli., praca zbiorowa, Arkady, Warszawa 2005
•  B. Ksit, M. Siewczyńska, B. Siewczyński, „Renowacja termiczna budynków mieszkalnych wzniesionych w latach 70-tych z wariantowaniem wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło”, Konferencja Techniczna “Rewitalizacja obszarów zurbanizowanych”, Wałcz 2007 r.
•  PN-B-2025:2001 Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej
•  PN-EN ISO 6946:1999 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania
•  Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. (Dz. U. nr 75 z 15 czerwca 2002 r., poz.690 oraz z 2003 r. Nr 33, poz. 270 z późniejszymi zmianami)
•  www.ursa.pl

mgr inż. Monika Siewczyńska
dr inż. Barbara Ksit
Politechnika Poznańska

WARSTWY – DACHY i ŚCIANY 3’2008