Jakość cieplna obudowy budynków - doświadczenia z ekspertyz

Transkrypt

1 dr nż. Robert Geryło Jakość ceplna obudowy budynków - dośwadczena z ekspertyz Wdocznym efektem występowana znaczących mostków ceplnych w obudowe budynku, występującym na ogół przy nedostosowanu ntensywnośc wentylacj do emsj wlgoc w pomeszczenach, jest kondensacja pary wodnej zagrzybene na wewnętrznej powerzchn przegród. Wynk lcznych ekspertyz w budynkach wznesonych w ostatnch latach potwerdzają, że o le zwykle stwerdza sę zadowalającą zolacyjność ceplną przegród zewnętrznych (ścan, stropów, dachów, stropodachów), o tyle często występują błędy rozwązań zolacj ceplnej w połączenach przegród węzłach konstrukcyjnych. Mostk ceplne można podzelć na: - lnowe, dwuwymarowe, np. w połączenach ram oken drzw ze ścaną, - punktowe, mające charakter osowo-symetryczny, np. w mejscach zastosowana kotw w ścane szczelnowej, kołków mocujących zolację ceplną lub nnych łącznków mechancznych przechodzących przez warstwę zolacj ceplnej, - trójwymarowe występujące w węzłach konstrukcyjnych, takch jak naroże ścan stropu pokazane na rys. 1. Mostk ceplne stanową mejsca w przegrodach budowlanych, w których występują: 1) wększe straty cepła, 2) nższe wartośc temperatury wewnętrznej powerzchn, nż w ch częścach znajdujących sę poza zasęgem ch oddzaływana. Są one spowodowane: - występowanem w przegrodze budowlanej warstw nejednorodnych ceplne zbudowanych z materałów różnących sę przewodnoścą ceplną, np. żelbetowy słup w ścane, - różncam geometrycznym, np. wększą powerzchną zewnętrzną nż wewnętrzną ścan w narożu wypukłym, mnejszą gruboścą ośceżncy nż ośceży, - dwema ww. przyczynam, np. nadproże, wenec, słup w narożu ścan, oparce połac dachowej. Rys. 1. Rozkład zoterm w trójwymarowym mostku ceplnym w wycnku obudowy z węzłem konstrukcyjnym Można wyróżnć dwe grupy mostków ceplnych: - strukturalne, w przegrodze, wynkające z technolog jej wykonana, - konstrukcyjne, w połączenach przegród budynku. Powodem występowana strukturalnych mostków ceplnych w ścanach są ceplne nejednorodnośc materałowe, np: - drewnana lub metalowa konstrukcja ścany szkeletowej wypełnona zolacją ceplną, - tworzywowe lub tworzywowo-metalowe kołk mocujące zolację ceplną do muru lub kotwe muru szczelnowego przenkające przez warstwę zolacj ceplnej, - spony w murze wykonane z zaprawy lepej przewodzącej cepło nż materał, z którego wykonane są elementy murowe. Wpływ tego typu mostków uwzględna sę w oblczenach współczynnka przenkana cepła U wg ponżej podanego wzoru (3). c Konstrukcyjne mostk ceplne w ścane występują w jej połączenach z: - stropam mędzykondygnacyjnym (w weńcach),

2 - stropodachem lub połacą dachu stromego, - stropem pod najnższą ogrzewaną kondygnacją budynku lub podłogą na grunce, - ścanam: zewnętrzną w narożu wypukłym wklęsłym lub wewnętrzną, ścaną fundamentową, - ośceżncą okna lub drzw, w przekroju pozomym oraz w ponowym przez nadproże lub podokennk, - płytą balkonu, log lub tarasu, w przekroju przez poza progem drzw. Wpływ tego typu mostków uwzględna sę w ww. wzorach do oblczeń ceplnych w: człone l k k, k, l k k k we wzorze (1) człone we wzorze (3). A We współcześne wznoszonych budynkach meszkalnych w Polsce, przy zastosowanu poprawnych rozwązań techncznych zolacj ceplnej węzłów konstrukcyjnych, udzał mostków ceplnych w oblczonej wg wzoru (2) średnej wartośc współczynnka przenkana cepła obudowy, stanow od około 0,05 do 0,10 W/(m 2 K), a w odnesenu do wybranych ścan, wg oblczeń zgodne ze wzorem (3), może przekraczać podane wartośc. Szczegółowe dane na temat jakośc ceplnej przegród z mostkam strukturalnym konstrukcyjnym zameszczane są w katalogach wydawanych w postac publkacj, a ostatno programów komputerowych (patrz Wpływ mostków ceplnych na straty cepła należy uwzględnać w oblczenach współczynnka strat cepła przez przenkane. W projektowanu koneczne jest równeż sprawdzene spełnena kryterum ochrony przed powerzchnową kondensacją pary wodnej wystąpenem zagrzybena. Projektowe oblczena ceplne wykonuje sę zgodne z normam PN-EN (ponżej ops). Oblczene współczynnka strat cepła przez przenkane Wartość współczynnka strat cepła przez przenkane (bezpośredno z pomeszczeń do środowska zewnętrznego) w odnesenu do obudowy lub jej częśc można określać wg wzoru: H D A U lk k j (1) k w którym: A - suma loczynów współczynnków przenkana cepła elementów obudowy k j U powerzchn, do których mają one zastosowane, l - suma loczynów lnowych współczynnków przenkana cepła połączeń elementów k j k obudowy długośc, do których mają one zastosowane, - suma punktowych mostków ceplnych występujących w obudowe, które w wększośc przypadków uwzględna sę stosując odpowedne poprawk do współczynnków przenkana cepła elementów obudowy ( U U ). Na podstawe wartośc współczynnka strat cepła przez przenkane można określć średną wartość współczynnka przenkana cepła obudowy (lub jej częśc), wg wzoru: j U c H D U k, śr (2) A W odnesenu do wybranego ( -tego ) elementu obudowy np. jednej ze ścan, na podstawe wymenonego wzoru, można określć wartość współczynnka przenkana cepła z uwzględnenem występujących w nm mostków ceplnych: U k, H A D, U k l k, A k, j A j, (3)

3 Występujące w powyższych wzorach współczynnk przenkana cepła: U (wyrażony w W/m 2 K), lnowe (w W/m K) oraz punktowe (w W/K) charakteryzują zolacyjność ceplną przegrody budynku, w ustalonych (ne zmenających sę w czase) warunkach ceplnych, przy założenu, że ne zachodz przez ną ntensywny przepływ powetrza w warunkach bez oddzaływana promenowana słonecznego. Współczynnk przenkana cepła U z ndeksem dolnym c uwzględna dodatek U (patrz wzór (4)), który w odnesenu do ścany może np. uwzględnać wpływ punktowych mostków ceplnych występujących w mejscu zastosowana mocowań (kotw w murze szczelnowym, kołków mocujących zolację ceplną do muru). Wartość współczynnka przenkana cepła U oblcza sę na podstawe projektowych (oblczenowych) wartośc współczynnków przewodzena cepła materałów (lub wartośc oporu ceplnego R). W przypadku przegród, w których występują warstwy nejednorodne ceplne, (np. warstwa, w której konstrukcja drewnana lub metalowa jest wypełnona zolacją ceplną), wartość współczynnka przenkana cepła może być określona na podstawe współczynnka sprzężena ceplnego (strumena cepła przenkającego przez przegrodę w ustalonych warunkach, odnesonego do jednostkowej różncy temperatury środowska wewnętrznego zewnętrznego), którego wartość określa sę na podstawe wynków komputerowych oblczeń pola temperatury w przegrodze budowlanej. W ten sposób określa sę także wartośc lnowych Ψ punktowych χ współczynnków przenkana cepła. U c U U R s 1 L3D U (4) d A Rse w którym: R, - opory przejmowana cepła na powerzchn wewnętrznej zewnętrznej przegrody, w s R se odnesenu do ścany przyjmuje sę ch łączną wartość równą 0,17 m 2 K/W, d, - grubość współczynnk przewodzena cepła jednorodnej ceplne warstwy materałowej (lub warstwy nejednorodnej traktowanej jako jednorodną np. mur składający sę z elementów murowych zaprawy w sponach), L 3 D, A - współczynnk sprzężena ceplnego ścany z warstwam nejednorodne ceplnym powerzchna, do której ma on zastosowane. Normy dotyczące określana zolacyjnośc ceplnej przegród budowlanych, w tym ścan: PN-EN ISO 13789:2001: Właścwośc ceplne budynków - Współczynnk strat cepła przez przenkane - Metoda oblczana PN-EN ISO 6946:2004: Komponenty budowlane elementy budynku - Opór ceplny współczynnk przenkana cepła - Metoda oblczana PN-EN ISO :2005: Mostk ceplne w budynkach - Oblczane strumen ceplnych temperatury powerzchn -Część 1: Metody ogólne + Ap1:2006 PN-EN ISO :2002: Mostk ceplne w budynkach - Oblczane strumen ceplnych temperatury powerzchn - Część 2: Lnowe mostk ceplne PN-EN ISO 14683:2001: Mostk ceplne w budynkach - Lnowy współczynnk przenkana cepła - Metody uproszczone wartośc orentacyjne PN-EN ISO 10456:2004: Materały wyroby budowlane - Procedury określana deklarowanych oblczenowych wartośc ceplnych PN-EN 12524:2003: Materały wyroby budowlane - Właścwośc ceplno-wlgotnoścowe - Tabelaryczne wartośc oblczenowe Sprawdzene spełnena kryterum ochrony przed powerzchnową kondensacją pary wodnej zagrzybenem W przypadku przegród z mostkam ceplnym węzłów konstrukcyjnych (zwłaszcza naroży zewnętrznych ścan stropów lub połac dachu) koneczne jest sprawdzene, czy mnmalna temperatura wewnętrznej powerzchn obudowy spełna wyżej opsane kryterum ochrony przed występowanem powerzchnowej kondensacj pary wodnej. Jeżel ne spełna stneje duże ryzyko

4 pojawena sę rozwoju zagrzybena w konsekwencj neestetycznego wyglądu oraz pogorszena sę warunków hgencznych w pomeszczenu. Decydujący wpływ na zolacyjność ceplną lekkch ścan o konstrukcj szkeletowej połączeń wszystkch typów ścan z ośceżncam oken drzw (lub połączeń z nnym lekkm przegrodam) może meć ch szczelnośc powetrzna. Na rys. 2 przedstawono wynk symulacj komputerowej rozkładu wartośc temperatury w przekroju przez podokennk, w dwóch przypadkach: - po lewej - ze szczelnym wypełnenem zolacją ceplną przestrzen pod zewnętrznym parapetem progem okna (opartego punktowo w mejscach poza rozpatrywanym przekrojem), - po prawej przyjmując, że przestrzeń ta jest dobrze wentylowana powetrzem zewnętrznym. Jak wdać z porównana rozkładu zoterm na rysunkach, w rozwązanu pokazanym po prawej, w górnej częśc podokennka w progu występuje zwększony strumeń cepła małe wartośc temperatury. Wartość współczynnka temperaturowego, charakteryzującego temperaturę wewnętrznej powerzchn przegród pogarsza sę od wartośc około 0,8 do około 0,5, czyl osąga wartość znaczne nższą od powyższej podanych wartośc dopuszczalnych. wartość f Rs,mn w styku ramy obudowy równa około 0,8 wartość f Rs,mn w styku ramy obudowy równa około 0,5 Rys. 2 Od wartośc temperatury wewnętrznej powerzchn przegród stotne zależy ryzyko występowana powerzchnowej kondensacj pary wodnej rozwoju zagrzybena oraz odczuca komfortu ceplnego w pomeszczenach. Zależy ona od zolacyjnośc ceplnej przegrody, warunków przejmowana cepła na jej powerzchn oraz temperatury środowska wewnętrznego zewnętrznego. W celu scharakteryzowana jakośc ceplnej z uwag na temperaturę powerzchn w sposób nezależny od wartośc temperatury środowsk, stosuje sę współczynnk temperaturowy f Rs. Jego wartość jest równa różncy temperatury powerzchn temperatury środowska zewnętrznego, podzelonej przez różncę temperatury środowska wewnętrznego zewnętrznego, określoną przy przyjęcu wartośc oporu przejmowana cepła R s na wewnętrznej powerzchn obudowy. f R s s e (5) e W odnesenu dowolnego zestawu wartośc temperatury środowska wewnętrznego zewnętrznego wartość temperatury powerzchn może być oblczona wg ponższego wzoru (przykłady grafczne zameszczono na rys. 4): s R s 1 f R s e f (6)

5 Rys. 3. Normowe kryterum ochrony przed powerzchnową kondensacją pary wodnej jest podane w postac: f f (7) R s,mn Wewnętrzna powerzchna obudowy jest zabezpeczona przed kondensacją pary wodnej jeżel jej temperatura jest wyższa od punktu rosy powetrza. Punkt rosy jest wartoścą temperatury, w której powetrze zawerające określoną lość pary wodnej osąga stan nasycena. W powyższym kryterum maksymalną dopuszczalną wlgotność względną w odnesenu do temperatury powetrza równej temperaturze powerzchn jest stan nasycena, czyl: f = 1,0 (100%), - R s, dop - f R s, dop R s,dop = 0,8 (80%) - w odnesenu do powerzchn obudowy wykonanej z materałów o budowe kaplarno-porowatej np. wyrobów ceramcznych, wapenno-paskowych, betonów kruszywowych komórkowych, gpsów zapraw, ze względu na zjawsko tzw. kondensacj kaplarnej. Wartość dopuszczalną współczynnka temperaturowego określa sę z uwzględnenem ntensywnośc wentylacj emsj wlgoc w pomeszczenu. W odnesenu do typowych warunków eksploatacj w Polsce wartość dopuszczalną, w odnesenu do przegród o dużej bezwładnośc ceplnej, można przyjmować równa około 0,7. Wartośc dopuszczalne w odnesenu przegród o małej bezwładnośc ceplnej (np. lekkch konstrukcj szkeletowych), w zależnośc od wlgotnośc pomeszczena wartośc temperatury środowska zewnętrznego, podano na rys. 4. f Rs, dop 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,84 0,83 0,7 0,83 0,71 0,83 0,58 0,72 0,59 0,74 0,61 0,43 0,64 0,45 0,48 0, e, deg C p, Pa Rys. 4.

6 Przykłady z ekspertyz Przykładowe błędy polegające na pozostawenu bez zolacj ceplnej zewnętrznych powerzchn żelbetowych elementów obudowy budynku (wykonanych z materału dobrze przewodzącego cepło), pokazano schematyczne na rys. 5. Rys. 5 Ponżej zameszczono przykłady z ekspertyz zachowana sę przegród w rzeczywstych warunkach eksploatacj. Przykład 1. Wg projektu budynku, w węźle konstrukcyjnym zastosowano następujące rozwązana: - ścany zewnętrzne wykonane jako mur szczelnowy z pustaków ceramcznych z całkowtym wypełnenem szczelny zolacją ceplną o grubośc 10 cm, - płyta stropodachu żelbetowa z zolacją ceplną o grubośc 22 cm, - w narożu słup żelbetowy, - zolacja ceplna powerzchn czołowej stropu bocznych słupa o grubośc 4 cm.

7 % 70,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 IX X XI XII I II III IV mn śr max Rys. 6. Dopuszczalne wartośc wlgotnośc względnej powetrza o oblczenowej wartośc temperatury z uwag na jakość ceplną rozwązana techncznego węzła konstrukcyjnego pokazanego powyżej Przykład 2. Wg projektu archtektonczno-budowlanego, w węźle konstrukcyjnym zastosowano następujące rozwązana: - ścana zewnętrzna konstrukcyjna wykonana jako ścana szczelnowa z żelbetową warstwą wewnętrzną (15 cm) zewnętrzną (12 cm) z betonu komórkowego z całkowtym wypełnenem szczelny zolacją ceplną o grubośc 7 cm, - żelbetowa płyta stropowa (20 cm) z zolacją ceplną na dolnej powerzchn o grubośc 20 cm, - zolacja ceplna powerzchn bocznych podcągów: zewnętrznej 5 cm, wewnętrznej 2 cm - powerzchna dolna podcągu boczne słupa w narożu bez zolacj. 70,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 IX X XI XII I II III IV mn śr max Rys. 7. Dopuszczalne wartośc wlgotnośc względnej powetrza o oblczenowej wartośc temperatury z uwag na jakość ceplną rozwązana techncznego węzła konstrukcyjnego pokazanego powyżej Przykład 3. Wg projektu archtektonczno-budowlanego, w węźle konstrukcyjnym zastosowano następujące rozwązana:

8 - ścana zewnętrzna konstrukcyjna wykonana jako ścana szczelnowa z żelbetową warstwą wewnętrzną (15 cm) zewnętrzną (12 cm) z betonu komórkowego z całkowtym wypełnenem szczelny zolacją ceplną o grubośc 7 cm, - żelbetowa płyta stropowa (20 cm), - płyta balkonowa bez zolacj ceplnej. % IX X XI XII I II III IV mn śr max Rys. 8. Dopuszczalne wartośc wlgotnośc względnej powetrza o oblczenowej wartośc temperatury z uwag na jakość ceplną rozwązana techncznego węzła konstrukcyjnego pokazanego powyżej Przykład 4. W budynku wykonano ścany zewnętrzne w postac muru szczelnowego z cegły ceramcznej z zolacją ceplną o grubośc 8 cm. Poneważ ze względów konstrukcyjnych ograncza sę wysokość muru zewnętrznego ścany szczelnowej, wykonanego z cegły ceramcznej, do 12 m, w budynkach welokondygnacyjnych zwykle stosuje sę oparce co kondygnację na wspornkach wyprowadzonych z weńców.

9 Rys. 8. Rozkład zoterm w węźle wg projektu Rys. 9. Rozkład zoterm w węźle wg wykonana Rys. 10. Wenec ze wspornkem: wg projektu rzeczywste wykonane Rys. 11. Wenec ze wspornkem w ścane szczytowej: wg projektu rzeczywste wykonane

10 Rys. 12. Wenec ze wspornkem: wg projektu rzeczywste wykonane Rys. 13. Wenec ze wspornkem w ścane szczytowej: wg projektu rzeczywste wykonane Energooszczędne rozwązana węzłów konstrukcyjnych Łącznk zbrojenowe z zolacją ceplną Łącznk zbrojenowe z zolacją ceplną są przeznaczone do wykonywana konstrukcyjnych połączeń elementów żelbetowych (lub metalowych): płyt, ścan lub belek, w których: - łączone elementy żelbetowe są rozdzelone zolacją ceplną ze styropanu lub wełny mneralnej, - przez zolację ceplną przechodzą pręty zbrojena (lub łącznk mechanczne) wykonane ze stal nerdzewnej lub zwykłej stal w tulejach ze stal nerdzewnej. Przykładowo są one alternatywą dla stosowana zolacj ceplnej na powerzchnach żelbetowych elementów przechodzących przez obudowę (np. płyt balkonów, ścanek attykowych). Układy zbrojena są prefabrykowane w postac pojedynczych zestawów prętów zbrojena (np. pręt górnego pręt dolnego zbrojena płyty wraz z prętem odgętym), które mogą być rozmeszczane w dowolnym rozstawe lub w postac lnowych układów, np. o długośc jednego metra beżącego, przewdzanych do danego rodzaju połączena, wymarów łączonych elementów wartośc uogólnonych sł wewnętrznych w przekroju połączena. Główną korzyść z zastosowana tego rozwązana stanow możlwość poprowadzena zolacj ceplnej najkrótszą drogą po powerzchn obudowy. Przykładowo, dzęk temu w porównanu do rozwązana z zolacją ceplną na powerzchnach wspornkowej płyty balkonowej stneje możlwość uzyskana: - mnejszych strat cepła (w ścane z płytam balkonowym jw. udzał strat cepła w węzłach konstrukcyjnych stanow około 40 % wartośc współczynnka strat cepła przez przenkane tej przegrody [1]), - wymaganych wartośc f Rs,mn z uwag na ochronę przed zagrzybenem wewnętrznej powerzchn przegród np. w narożnych węzłach konstrukcyjnych z wspornkową płytą balkonową, co w wybranych przypadkach ne jest możlwe w rozwązanu z zolacją ceplną na powerzchnach płyty [2].

11 Rys. 14. Zdjęce łącznków zbrojarskch z zolacją ceplną różnych typów szkc ch zastosowana Rys. 15. Przykładowy rozkład zoterm w wycnku modelu wspornkowej płyty balkonowej z łącznkem zbrojenowym z zolacją ceplną, w przekroju przez nadproże próg drzw Wspornk do muru szczelnowego Rozwązanem umożlwającym w najmnejszy sposób naruszene cągłośc warstwy zolacj ceplnej muru szczelnowego jest zastosowane wspornków ze stal nerdzewnej. Rys. 16. Przykład zastosowana wspornków do muru szczelnowego frmy HALFEN, wg Lteratura [1] G e r y ł o R., Określane współczynnka strat cepła przez przenkane odnośne do przegród budowlanych ch połączeń, Kwartalnk Prace ITB Nr1/2005 [2] G e r y ł o R., Dagnostyka ceplna przegród zewnętrznych budynku przy wykorzystanu analzy pola temperatury, praca doktorska, Bbloteka ITB, Warszawa 2006 [3] ISO DIS 10211:2005, Thermal brdges n buldng constructon - Heat flows and surface temperatures Detaled calculatons