Ocieplenia stropodachów niewentylowanych w budynkach energooszczędnych

Transkrypt

1 strona 1 Ocieplenia stropodachów niewentylowanych w budynkach energooszczędnych Świat budownictwa w Polsce staje obecnie przed nowym podejściem do projektowania, wznoszenia i użytkowania budynków. Dyrektywa EPBD 2002/91/EC Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Europejskiej z r. wprowadziła konieczność uzyskiwania certyfikatów energetycznych budynków od 1 stycznia 2009 r. Już obowiązuje nowelizacja Dyrektywą EPBD 2010/31/UE z 15 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków oraz przepisy wykonawcze obowiązujące od r., r. oraz r. rewolucjonizujące dotychczasowy rynek budowlany w całej Europie - a szczególnie w Polsce [1]. Dyrektywy te wynikają z dwóch ważnych aspektów współczesnego świata: powstrzymanie efektu cieplarnianego wokół naszej planety oraz oszczędności zużycia energii z powodu wyraźnie kurczących się naturalnych zasobów energetycznych Ziemi. W dotychczasowej praktyce projektowej stosowało się zbyt dużo uproszczeń w zakresie ochrony cieplnej budynków. Przykładowo, grubość warstw termoizolacyjnych określało się jedynie według granicznych wartości współczynników przenikania ciepła U zawartych w wytycznych, a nie całościowego zapotrzebowania budynku na energię. Zagadnienia dyfuzji pary wodnej niemal się pomijało. W rezultacie, powstawały budynki bez jasno określonych charakterystyk cieplnych oraz z losowym stanem wilgotnościowym przegród tracących ciepło. Wchodzimy w erę wznoszenia wyłącznie budynków o niskim i najniższym zapotrzebowaniu na energię, co wymusza przestawienie się projektantów na zupełnie nową metodykę projektowania. Nastaje też czas mocno ograniczonej swobody wykonawców i inwestorów w wyborze technologii i materiałów budowlanych. Nową i bogatszą formę muszą mieć projekty wykonawcze, bowiem budynek, żeby uzyskać charakterystykę energetyczną zgodną z zawartą w projekcie, będzie musiał być zbudowany z materiałów tam przewidzianych i z rysunkami detali. Przed oddaniem budynku do eksploatacji, inwestor czy kupujący mieszkanie otrzyma do rąk świadectwo charakterystyki energetycznej i do niej będzie mógł się krytycznie odnieść podczas eksploatacji. Nowa metodyka projektowania Projektowanie współczesnych budynków energooszczędnych wymaga szerokiej współpracy architekta ze specjalistą fizyki budowli, bowiem wymagane jest wspieranie się szeregiem analiz dotąd nie stosowanych i wręcz nie znanych. Podstawową analizą, jest określająca ekonomicznie uzasadnione wartości współczynników przenikania ciepła U poszczególnych przegród budynku. Analizę taką wykonuje się po sporządzeniu wstępnego projektu architektonicznego. Model strat ciepła przez przenikanie budynku energooszczędnego przedstawia rysunek obok. Podstawowym celem projektanta jest teraz minimalizacja sumarycznego zapotrzebowania ciepła, tj. znalezienie ekonomicznie uzasadnionego minimum sumy Qs + Qo + Qd + Qf + Qp + Qw + Qcwu oraz ekonomicznie uzasadnione wartości współczynników przenikania ciepła Uek poszczególnych przegród tracących ciepło. Człon Qw oraz Qcwu (mający największy udział

2 strona 2 bilansie energetycznym domów energooszczędnych) wymaga oddzielnego omówienia. Konieczne są analizy cieplno-wilgotnościowej wszystkich przegród w aspekcie uniknięcia kondensacji pary wodnej i wykluczenia korozji biologicznej oraz zawilgoceń termoizolacji. Dobiera się systemy grzewczo-wentylacyjne i ciepłej wody użytkowej - w aspekcie najniższych kosztów inwestycyjnych ale i najniższych kosztów eksploatacyjnych, co daje rozwiązania optymalne dla danego budynku. Następnie przystępuje do fazy właściwego projektu budowlanego i wykonawczego. To niewątpliwie nowość w Polsce, choć na korzyść zarówno inwestorów, jak i kupujących mieszkania czy domy. Jedną z ważnych i mających znaczny udział w stratach ciepła przegród, jest stropodach niewentylowany - stosowany często w budynkach wielorodzinnych, ale ostatnio także coraz częściej spotykany w domach jednorodzinnych. Układy stropodachów niewentylowanych Stosuje się dwa rodzaje stropodachów niewentylowanych, pracujących w: układzie klasycznym (termoizolacja po stronie suchej), układzie tzw. odwróconym (termoizolacja po stronie mokrej). Cechą charakterystyczną stropodachu w układzie klasycznym jest lokowanie warstwy termoizolacyjnej pomiędzy paroizolacją leżącą na stropie, a hydroizolacją przykrywającą stropodach. W ten sposób uniezależnia się pomieszczenia najwyższej kondygnacji od warunków zewnętrznych. Biorąc pod uwagę fakt, iż zarówno warstwa paroizolacyjna, jak też hydroizolacyjna mają za zadanie nie przepuszczać wilgoci, oczekuje się że termoizolacja będzie eksploatowana w warunkach powietrzno-suchych. Założenie to jest niewątpliwie zaletą tego układu, ale jest możliwe do uzyskania wyłącznie przy spełnieniu dwóch warunków: 1. Podczas prac dachowych termoizolacja nie zostanie zamoczona. 2. Podczas eksploatacji obiektu nie dojdzie do kondensacji pary wodnej w warstwie termoizolacyjnej leżącej pomiędzy paroizolacją a hydroizolacją. Warunek pierwszy wymusza od wykonawcy zachowanie szczególnej staranności podczas prac dachowych i przestrzegania harmonogramu robót. Niewłaściwe składowanie termoizolacji lub dopuszczenie do jej zamoczenia opadami atmosferycznymi, zniweczy oczekiwania pracy termoizolacji jako suchej. Zostanie też zakłócona zawarta w projekcie charakterystyka energetyczna budynku, gdyż wzrosną straty ciepła przez przenikanie przez stropodach. Uwięziona w warstwie termoizolacyjnej nadwyżka wilgoci, będzie latem przechodzić ze stanu ciekłego w parę wodną, zaś zimą będzie kondensować - i tak niezmiennie co sezon. W rezultacie zwiększonych strat ciepła stropodachu będzie albo niemożliwość zapewnienia wymaganych temperatur powietrza w pomieszczeniach pod nim, albo je się uzyska, ale kosztem wzrostu wydatków na cele grzewcze - czyli kosztem użytkowników. Warunek drugi wymusza od projektanta wykonanie stosownych obliczeń cieplnowilgotnościowych celem znalezienia rozwiązań materiałowych eliminujących kondensację pary wodnej w warstwie termoizolacyjnej. Jeśli nie będzie to możliwe, to należy znaleźć rozwiązanie zapewniające minimalizację kondensacji pary na tyle, że nie wystąpi jej kumulacja w skali pełnego roku. W przypadku dopuszczenia do zawilgocenia termoizolacji ponad wilgotność sorpcyjną, wystąpi nie tylko wzrost jej przewodności cieplnej, ale także zagrożenie korozją biologiczną - zarówno samej warstwy termoizolacyjnej, jak i warstw ją otaczających. Na uwagę zasługuje też fakt, iż w układzie klasycznym stropodachu, mamy do czynienia z największą amplitudą temperatur warstwy hydroizolacyjnej: od -20 o C i niższej zimą do ponad +70 o C latem (przy +34 o C w cieniu). Obrazuje to poniższy rysunek przedstawiający rozkład temperatur w przekroju typowego stropodachu niewentylowanego.

3 strona 3 Tak duże wahania temperatur warstwy hydroizolacji wymuszają od projektanta dużej staranności w doborze materiałów oraz w opracowaniu detali rozwiązań dylatacji hydroizolacji stropodachu, attyk, świetlików oraz odpływów wody opadowej. Cechą charakterystyczną stropodachu pracującego w układzie odwróconym jest umieszczenie hydroizolacji bezpośrednio na stropie. Rozkład temperatur w przekroju takiego stropodachu przedstawia kolejny rysunek. Siłą rzeczy, warstwa termoizolacji znajduje się po stronie mokrej. Jest to wada rozwiązania i wymusza zastosowanie termoizolacji o najmniejszej nasiąkliwości - celem jak najmniejszego pogorszenia jej współczynnika przenikania ciepła l.. Warstwa hydroizolacji podlega mniejszym wahaniom temperatury, ale wobec dłuższego jej kontaktu z wodą i mikroorganizmami zalegającymi pod termoizolacją, musi ona cechować się podwyższoną odpornością na korozję biologiczną. Warstwa zaś termoizolacji, podlega tym razem większym ruchom termicznym niż w rozwiązaniu poprzednim. Generalnie, można stwierdzić, że w każdym z omawianych układów stropodachów, poszczególne warstwy będą uzyskiwać różne wartości zmian wymiarów liniowych - na skutek zmian temperatur tych warstw. Przykładowo, papa bitumiczna lub membrana dachowa PCV mając wsp. rozszerzalności termicznej k = 0,16 mm/mk przy wzroście temperatury o 40 o C na długości 100 m rozszerzy się aż o 640 mm. Styropian mając wsp. rozszerzalności termicznej ok. 0,07 mm/mk, w tych samych warunkach rozszerzy się o 280 mm, zaś beton tylko o 50 mm. Fakt ten musi być uwzględniony w każdym projekcie wykonawczym: przez odpowiednie mocowanie płyt termoizolacji oraz rozwiązując detale wszystkich dylatacji konstrukcyjnych oraz wewnętrznych Dobór materiału termoizolacji Materiał stosowany do ociepleń stropodachów niewentylowanych musi charakteryzować się znacznie większymi wymaganiami, tj.: niska wartość wsp. przewodzenia ciepła λ, najmniejsza zależność przewodności cieplnej od wilgotności, najmniejsza nasiąkliwość, wysoka wytrzymałość na ściskanie, wysoka odporność na procesy biologiczne, niepalność.

4 strona 4 Potrzeba jak najniższej przewodności cieplnej termoizolacji wynika z chęci uzyskania możliwie najmniejszej grubości tej warstwy, co nie tylko obniża koszty inwestycyjne, ale także mniej komplikuje rozwiązania konstrukcyjne stropodachu oraz wyjścia z pomieszczeń na dach zielony czy użytkowy. Dobre materiały termoizolacyjne mają wsp. przewodności cieplnej λ poniżej 0,04 W/mK. Jak największe uniezależnienie się przewodności cieplnej od wilgotności termoizolacji wynika z chęci uzyskiwania w eksploatacji budynków strat ciepła przez przenikanie zgodnych z obliczeniowymi. Taki komfort zapewniają wyłącznie materiały, które mają nasiąkliwość ograniczoną do minimum. Wysoka wytrzymałość termoizolacji na ściskanie wynika z konieczności stosowania jeśli nie łączników dociskających termoizolację do podłoża, to warstw ją dociskających (balastowych). Wymagana wielkość docisku jest tym większa, im wyżej nad poziomem terenu stropodach jest wyniesiony, bowiem podstawowym zagrożeniem jest wiatr, a konkretniej siły ssące nim powodowane. Siła ssania wywołana przez wiatru osiąga wartość nawet 170 kg/m 2 na wysokości 55 m nad poziomem terenu. Obciążenie ściskające termoizolację pochodzące od ciężaru warstwy dociskowej, wynosi nawet do 300 kg/m 2, a wraz zalegającym śniegiem i więcej. Odporność termoizolacji na procesy biologiczne jest szczególnie ważna w przypadku stropodachów w układzie odwróconym lub dachów zielonych. W tych przypadkach mamy do czynienia z długim czasem zalegania sączącej się pod ociepleniem wody w kierunku odpływów. Są to wody opadowe przepłukujące warstwę balastową lub substraty zieleni, a więc zawierające ogromne ilości mikroorganizmów i związków mineralnych. Korozja biologiczna niszczy własności fizyczne termoizolacji i rozszerza się na sąsiadujące warstwy: hydroizolację, paroizolację lub podłoże. Niepalność, a przynajmniej nierozprzestrzenianie ognia i brak toksyczności na wypadek pożaru, wynika z potrzeby ochrony pożarowej budynków. Materiałami spełniającymi wymienione wymagania są zwykle styropiany XPS mające wysokie parametry wytrzymałości na ściskanie. Wskazane jest też, aby miały one niską wartość współczynnika oporu dyfuzyjnego μ dla ułatwienia dyfuzji parze wodnej przez stropodach do atmosfery. Rola paroizolacji w układzie klasycznym Paroizolacja leżąca bezpośrednio na stropie ma za zadanie jeśli nie wyeliminować, to maksymalnie zmniejszyć przenikanie pary wodnej z pomieszczeń leżących pod stropodachem do warstwy termoizolacyjnej. Wynika to z potrzeby wyeliminowania lub zmniejszenia do minimum kondensacji pary wodnej w izolacji. W krajowej praktyce projektowej i wykonawczej spotykało się dotąd wiele przypadków szukania na siłę oszczędności na kosztach materiałowych, co skutkowało kondensacją pary w termoizolacji i poważnymi kosztami usuwania błędów. Obecnie, użytkownik lub nabywca lokalu czy całego budynku będzie miał prawo żądać przywrócenia projektowanej charakterystyki cieplnej albo rekompensaty w poniesionych kosztach eksploatacyjnych na czas żywotności budynku. Certyfikat energetyczny już nie jest tylko kawałkiem papieru i narzucanym niepotrzebnym wymogiem, a podstawowym dokumentem wartości obiektu. Na konkretnym przykładzie stropodachu zlokalizowanego w Warszawie składającego się z stropu żelbetowego grubości 20 cm, termoizolacji ze styropianu XPS grubości 20 cm i hydroizolacji z papy bitumicznej, przeanalizujmy warianty rozwiązań. Jeśli nie zastosuje się paroizolacji na stropie (wcale nie tak rzadki przypadek), uzyska się następujące parametry w warunkach stacjonarnych: wsp. przenikania ciepła U = 0,16 W/m 2 K gęstość przenikającego strumienia cieplnego q = 6,477 W/m 2 gęstość strumienia dyfuzji pary wodnej qv = 0,0067 g/m 2 h sumaryczny opór dyfuzyjny stropodachu Rv = m 2 hpa/g

5 strona 5 Rozkład temperatur oraz rozkład ciśnień cząstkowych pary wodnej w stropodachu przedstawia rysunek obok. Ciśnienie cząstkowe pary przy braku paroizolacji oznaczone jest linią kropkowaną brązową. Widać negatywne skutki pominięcia paroizolacji, bowiem w niemal całej grubości termoizolacji powstaje strefa kondensacji pary wodnej SK1 = 161 mm. Inny przypadek często spotykany w krajowych projektach budowlanych, to folia PE 0,2 mm jako paroizolacja. Gęstość strumienia dyfuzji pary wodnej wynosi qv = 0,0064 g/m 2 h i jest mniejsza zaledwie o 4%, zaś strefa kondensacji wynosi SK2 = 154 mm (zmalała tylko o 7 mm). Wniosek stąd, że zwykła folia PE grubości 0,2 mm nie stanowi paroizolacji! Jeśli zastosuje się systemową folię paroizolacyjną o oporze dyfuzji Sd = 80 m, uzyskuje się spadek gęstości strumienia dyfuzji pary wodnej do wartości qv = 0,0039 g/m 2 h - czyli aż o 42%, zaś strefa kondensacji wynosi SK3 = 118 mm (zmalała o 43 mm). Jest to znacząca poprawa, ale wynik niestety nadal nie satysfakcjonujący z punktu widzenia fizyki budowli. Dopiero zastosowanie na stropie papy bitumicznej paroizolacyjnej z wkładką aluminiową, np. o oporze Sd = 1500 m, pozwala uzyskać spadek gęstości strumienia dyfuzji pary wodnej do wartości qv = 0,00046 g/m 2 h - czyli aż o 93 %, zaś strefa kondensacji maleje do SK4 = 15 mm (zmalała aż o 146 mm). Jest to rozwiązanie wręcz odmienne od poprzednich. Trzeba zaznaczyć, że wnioski z analizy pracy stropodachu w cieplnowilgotnościowych warunkach stacjonarnych, są tylko podstawą do doboru materiałów poszczególnych warstw. Ostateczną ocenę określać należy na podstawie symulacji c-w zachowania się stropodachu w warunkach rzeczywistych występujących w danej lokalizacji budynku. Na dzień dzisiejszy tego dokonać można korzystając z niemieckiego programu WUFI. Wyniki obliczeń tym narzędziem dla każdej warstwy stropodachu, mimo iż są

6 strona 6 najbardziej wiarygodne i niezwykle ciekawe, są zbyt obszerne do przedstawienia tutaj. Przyjrzyjmy się jedynie rzeczywistej zawartości wilgoci w warstwie termoizolacyjnej, której przebieg w omawianych czterech przypadkach - na przestrzeni kolejnych 24 miesięcy - przedstawia poniższy rysunek. Widać, iż brak paroizolacji na stropie lub zastosowanie zwykłej folii PE są niemal takimi samymi wadliwymi rozwiązaniami, gdyż ilość wilgoci zdolnej do odparowania latem jest znacznie mniejsza niż ilość kondensującej pary wodnej od jesieni przez zimę do wiosny - przez co dochodzi do niedopuszczalnej kumulacja wilgoci w warstwie termoizolacyjnej. Nawet zastosowanie systemowej folii paroizolacyjnej (mimo, iż znacznie zmniejsza strumień dyfuzji pary wodnej), także prowadzi do kumulacji wilgoci w termoizolacji - w mniejszej ilości, ale nie do przyjęcia. Dopiero zastosowanie systemowej papy bitumicznej z wkładką aluminiową daje wyniki, które można zastosować, bowiem podczas eksploatacji tego stropodachu wzrost wilgotności termoizolacji będzie najmniejszy, chociaż jednak z niewielką kumulacją. Żeby uzyskać wynik całkowicie zadowalający, tj. zachowaną przewodność cieplną termoizolacji (zgodną z obliczeniową służącą przy określaniu charakterystyki energetycznej budynku), w tym przypadku należy zastosować hydroizolację o mniejszym oporze dyfuzji wobec pary wodnej. Pokazuje to najniższa krzywa pokazana kolorem czerwonym. W tym przypadku nie tylko ilość kondensującej pary wodnej jest minimalna, ale nie zachodzi jej kumulacja. Termoizolacja będzie pracować jako rzeczywiście sucha. Wnioski Współczesne projekty budowlane muszą precyzować parametry fizyczne materiałów i technologii. Muszą być przemyślane w całym zakresie fizyki budowli z wystarczającą ilością rysunków detali potrzebnych wykonawcom. Jeśli podczas budowy wykonawca samowolnie odstąpi od rozwiązań projektowych, może się narazić na wydatki usuwania błędów oraz zwiększonych kosztów eksploatacji jeśli budynek nie uzyska zakładanej charakterystyki energetycznej. Świadectwo charakterystyki energetycznej wskaże na ile solidnie został zaprojektowany i wybudowany budynek. Producenci materiałów budowlanych muszą w szybkim tempie wykonać szereg badań określających brakujące dzisiaj dane fizyczne takie jak: funkcje zmian współczynnika oporu dyfuzyjnego μ oraz współczynnika l od wilgotności czy współczynnik rozszerzalności termicznej k. mgr inż. Jerzy B. Zembrowski, Biuro Doradztwa Budowlanego, Białystok, r. [1] Jerzy B. Zembrowski Nowy wymiar energooszczędności w budownictwie. MATERIAŁY BUDOWLANE NR 01/2014. Warszawa [2] Jerzy B. Zembrowski Ocieplenia stropodachów niewentylowanych w budynkach energooszczędnych. MATERIAŁY BUDOWLANE NR 6/2008. Warszawa 2008.