DAFA ID 4.03. Atlas mostków cieplnych w budownictwie z płyt warstwowych. Wznoszenie budynków według zasady zrównoważonego rozwoju wymaga przeprowadzenia rzetelnych analiz wszelkich aspektów mogących wpływać na wielkość zapotrzebowania energetycznego budynku i ocenę jego energooszczędności. Do podstawowych czynników wpływających na wielkość zapotrzebowania energetycznego danego obiektu budowlanego należy zaliczyć czynniki eksploatacyjne oraz czynniki budowlane. Publikacja poświęcona jest odpowiedniemu doborowi termoizolacji oraz jakości wykonania połączeń poszczególnych elementów obiektu. Wraz z wprowadzeniem EnEV 2009, wymagania dotyczące współczynnika przenoszenia ciepła oraz zapotrzebowania energetycznego zostały znacznie podniesione, stąd też poprawa techniczno-cieplna jakości obudowy budynku o lekkiej konstrukcji metalowej zyskuje coraz bardziej na znaczeniu. Również polskie Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie wprowadza wyższe wymagania izolacyjności cieplnej powłoki zewnętrznej budynku, które można wprowadzić do obliczeń przedstawionych w tłumaczeniu publikacji niemieckiej. W opracowaniu omówiono kolejne etapy obliczeń dla minimalnej ochrony cieplnej w okresie zimowym, a także przedstawiono zasady kalkulacji współczynnika przenoszenia ciepła przez przenikanie H T dla obiektów w lekkiej obudowie konstrukcji stalowych.
Przedstawiono również metodę obliczania współczynnika przenikania ciepła U dla płyt warstwowych z uwzględnieniem geometrii kształtu płyty, jej grubości, a także rodzaju zastosowanego połączenia podłużnego płyty (tzw. zamka). Omówiono typy mostków cieplnych występujących w budownictwie z płyt warstwowych wraz z klasyfikacją i ich znaczeniem w całości obliczeń płyt warstwowych. W publikacji zaprezentowano przykładowe obliczenie dla obiektu referencyjnego z przedstawieniem oszczędności, jakie może nam dać lepsze wykończenie połączeń elementów płyt warstwowych z innymi elementami, znajdującymi się w ścianach, dachu oraz fundamencie obiektu. Podsumowaniem części opisowej jest prezentacja graficzna dla obiektu referencyjnego wyników obliczeń współczynnika przenoszenia ciepła przez przenikanie i jego podziału na wybrane elementy budynku oraz ich połączeń, a także efektów oszczędności energetycznych przy zastosowaniu standardowego i polepszonego wykończenia połączeń elementów obiektu. W podsumowaniu przedstawiono również roczne zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania różnego typu hal referencyjnych z uwzględnieniem standardu wykończenia i wykonania próby szczelności dla obiektów przekazywanych do eksploatacji. W części graficznej opracowania przedstawiono detale połączeń płyt warstwowych z okładzinami stalowymi lub aluminiowymi oraz rdzeniem poliuretanowym lub alternatywnie z wełny mineralnej. Każde zaprezentowane połączenie składa się z rysunku detalu, a także modelu służącego do obliczeń cieplnych wraz z przebiegiem izoterm w połączeniu. W tabelach poniżej rysunków przedstawiono dane liczbowe dotyczące grubości płyt warstwowych i odpowiadającym im wartościom liniowych mostków cieplnych oraz wartości bezwymiarowego czynnika temperaturowego f 025.
Publikacja prezentuje wyniki badań do wykorzystania praktycznego, związanych z poprawą szczelności i izolacyjności cieplnej budynków o konstrukcji stalowej obudowanych płytami warstwowymi. Poniżej prezentujemy wybrane zagadnienia, szerzej opisane w dalszej części wydanej publikacji 4.03- Fizyka budowli. Atlas mostków cieplnych w budownictwie z płyt warstwowych. Należy jednak pamiętać, że jest to tłumaczenie niemieckiej publikacji IFBS i w miejsce danych zawartych w niemieckim rozporządzeniu EnEV 2009 oraz norm DIN nie mających odpowiedników w UE należy zastosować dane z przepisów obowiązujących w Polsce. Analiza mostków cieplnych, jako aspekt zrównoważonego budownictwa We współczesnym budownictwie priorytetem stało się przestrzeganie zasady jego równoważonego rozwoju rozumianego jako suma działań służących zachowaniu wartości obiektu, zgodnych z zasadami ochrony środowiska oraz uwzględniających potrzeby społeczne i ekonomiczne ludności. W powyższym kontekście zasadniczy wpływ na ocenę budynku ma zużycie energii. Wznoszenie budynków według tej zasady wymaga przeprowadzenia rzetelnych analiz wszelkich aspektów mogących wpływać na wielkość zapotrzebowania energetycznego budynku i ocenę jego energooszczędności. Jakość energetyczna bryły budynku określana jest w oparciu o właściwości przewodzenia i konwekcji (unoszenia) ciepła przez przegrody zewnętrzne (ściany zewnętrzne, okna i naświetla okienne, fundamenty, dach i posadzki na gruncie). Przepływ ciepła przyjmuje postać jednowymiarowego strumienia występującego w jednorodnej przegrodzie płaskiej (lub jednorodnych warstwach materiałów) o stałej grubości w konstrukcji budynku. Dodatkowo mogą towarzyszyć jemu dwuwymiarowe oraz trójwymiarowe strumienie ciepła występujące w obszarach liniowych oraz punktowych mostkach cieplnych. Powyższe pryncypia wyraża obowiązujące w Niemczech rozporządzenie o oszczędności energii (EnEV), które na tamtym obszarze pozostaje głównym dokumentem normatywnym dla zrównoważonego budownictwa. Jego zapisy wymagają, aby dzięki zastosowaniu uznanych zasad techniki oraz przy wykorzystaniu opłacalnych ekonomicznie środków dla konkretnej sytuacji wpływ konstrukcyjnych mostków cieplnych na wielkość zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania w skali roku był tak niski jak to tylko możliwe. Płyty warstwowe w lekkich konstrukcjach stalowych Lekkie konstrukcje stalowe stosowane są głównie w obiektach handlowych i przemysłowych. Rozróżnia się dwupowłokowe konstrukcje halowe oraz konstrukcje z płyt warstwowych. Konstrukcję obiektów z płyt warstwowych tworzą łączone ze sobą pojedyncze prefabrykowane elementy stanowiące gotowe do montażu płyty konstrukcyjne dachowe i ścienne; każda zbudowana z dwóch zewnętrznych cienkich warstw okładzin stalowych dostępnych w wersjach profili liniowanych, mikroprofilowanych, rowkowanych, trapezowych lub falistych, które połączono trwale za pomocą materiału termoizolacyjnego. Płyty warstwowe umożliwiają osiągnięcie wysokiego standardu izolacji termicznej obiektu. Nawet połączenia konstrukcyjne poszczególnych prefabrykowanych elementów muszą sprostać stawianym wymogom zachowania ochrony cieplnej.
Rozporządzenie o oszczędności energii (EnEV) Na wielkość zapotrzebowania energetycznego wpływają różne czynniki budowlane i eksploatacyjne, np.: jakość termoizolacji, rodzaj wentylacji, system oświetlenia, straty energii wynikające z ilości wytwarzanego ciepła, bądź chłodu. Przywołane rozporządzenie jest elementem polityki ochrony klimatu prowadzonej przez niemiecki rząd federalny, w celu zmniejszenia zapotrzebowania energetycznego budynków, a tym samym ograniczenia emisji CO 2 do atmosfery. W Niemczech aktualne rozporządzenie obowiązuje od dnia 1.10.2009 r. W jego zapisach starano się uwzględniać wszystkie czynniki wpływające na zapotrzebowanie energetyczne budynku w warunkach eksploatacji, o czym świadczy złożoność metody obliczeniowej. Zgodnie z nią należy przeprowadzać obliczenia zapotrzebowania energii pierwotnej budynku w skali roku dla wszystkich obiektów niemieszkalnych, jeżeli zastosowano w nich przynajmniej jeden z następujących systemów instalacyjnych: klimatyzacyjny, grzewczy, chłodzący, wentylacyjny nawiewno-wywiewny, nawilżający, oświetlenia oraz zaopatrzenia w ciepłą wodę użytkową. Do wybranego profilu użytkowania przy wykonywaniu obliczeń odpowiednio dobiera się takie czynniki warunkujące, jak np.: temperaturę wewnętrzną, wewnętrzne źródła ciepła, wielokrotności wymiany powietrza i inne. Maksymalne dopuszczalne wartości w tym rozporządzeniu określono w 4. Budynki niemieszkalne należy tak zaprojektować i budować, aby ich zapotrzebowanie na energię pierwotną w skali roku na ogrzewanie, przygotowanie ciepłej wody, wentylację, chłodzenie, oraz zastosowane oświetlenie nie przekraczało wartości zapotrzebowania na energię pierwotną w skali roku referencyjnego budynku o takiej samej geometrii, podstawowej powierzchni netto, zorientowaniu i przeznaczeniu wraz z przewidzianymi jednostkami użytkowymi oraz z zaprojektowanymi instalacjami technicznymi załącznik 2, tabela 1 (rozporządzenia EnEV 2009). Tak zwana metoda obiektu referencyjnego wymaga przeprowadzenia drugiego obliczenia dla projektowanego obiektu. Wszystkie elementy obudowy budynku (np. ściany zewnętrzne, oszklenie, ochrona słoneczna) jak i instalacje techniczne (np. ogrzewanie, wentylacja, oświetlenie) referencyjnego obiektu, zawarte są w załączniku 2, tabeli 1 rozporządzenia EnEV 2009. W celu obliczenia zapotrzebowania energii pierwotnej dla budynku niemieszkalnego należy stosować metodę opisaną w normie DIN V 18599. Norma EnEV 2009 nakłada obowiązek takiego projektowania i budowania obiektów niemieszkalnych, aby najwyższe wartości średnich współczynników przenikania ciepła otaczających powierzchni przewodzących ciepło nie przekraczały wartości podanych w załączniku 2, tabela 2. (patrz: tab. 1).
L.p. Rodzaj przegrody budowlanej Najwyższe wartości współczynnika przewodzenia ciepła w odniesieniu do wartości średniej danego elementu Ogrzewane strefy z pożądaną temperaturą 19 o C Ogrzewane strefy z pożądaną temperaturą 12 o C do < 19 o C 1 Nieprzezroczyste przegrody zewnętrzne, o ile nie są wymienione w l.p. 3 i 4 Ū = 0,35 Ū =0,50 2 Przezroczyste przegrody zewnętrzne, o ile nie są wymienione w l.p. 3 i 4 Ū = 1,90 Ū = 2,80 3 Fasady kurtynowe Ū=1,90 Ū = 3,00 4 Szklane dachy, pasy świetlne, kopuły świetlikowe Ū = 3,10 Ū =3,10 Tabela 1: Maksymalne wartości współczynnika przewodzenia ciepła wg EnEV 2009 (dla budynków niemieszkalnych). Oprócz wymagań odwołujących do zapotrzebowania na energię pierwotną i ograniczenia przepływu ciepła uwzględnia się również wymagania dotyczące zapobiegania zjawiskom występowania mostków cieplnych w konstrukcji obiektu. Aby temu zapobiec, przy projektowaniu i wykonawstwie systemów dachowych i fasadowych szczególnie ważne jest zachowanie niezbędnej (minimalnej) grubości warstwy termoizolacji, której obecność wyeliminowałaby dodatkowe przepływy ciepła w obszarach narażonych na działanie mostków cieplnych. Mostki cieplne Terminem mostki cieplne określane są ograniczone przestrzennie miejsca, które w porównaniu z sąsiadującymi elementami konstrukcyjnymi charakteryzują się podwyższonymi przepływami ciepła. Zwiększony przepływ ciepła w obszarze termicznego oddziaływania mostków cieplnych prowadzi do niższych temperatur na wewnętrznych powierzchniach elementów konstrukcyjnych, co może doprowadzać w takich miejscach do skraplania się pary wodnej oraz tworzenia się pleśni. Zasadniczo rozróżniane są dwa rodzaje mostków cieplnych: uwarunkowane geometrycznie, bądź materiałowo; uwarunkowane geometrycznie obecne są w strefach, gdzie budowie elementu konstrukcyjnego lub połączeniu danej wewnętrznej powierzchni pochłaniającej ciepło odpowiada większa zewnętrza powierzchnia oddająca ciepło (np. narożniki budynku, kąty pomieszczeń), zaś uwarunkowane materiałowo odnoszą się do graniczących ze sobą
ustrojów o różnych przewodnościach cieplnych, takich np. jak strefa połączenia ściany z płytą balkonową i stropem. Zastosowanie materiałów o wysokim współczynniku przewodzenia ciepła w obudowie budynku może wpływać na wielkość strumieni przepływu ciepła wynikającego z nałożenia się oddziaływania mostków cieplnych geometrycznych i materiałowych. Stalowe elementy konstrukcyjne obecne w warstwie termoizolacji na skutek dużego współczynnika przewodzenia ciepła tego typu materiałów mogą tworzyć materiałowy mostek cieplny. W strefie termicznego oddziaływania mostków cieplnych należy zapewnić normatywnie wymagane minimum ochrony cieplnej. Szczególne wymagania dotyczące minimalnej warstwy termoizolacji w okresie zimowym Zgodnie z EnEV muszą być spełnione wymagania związane z zachowaniem minimalnej warstwy termoizolacji w oparciu o normę DIN 4108-2. Definicja, minimalna ochrona cieplna w okresie zimowym oznacza przy typowej dla obiektu eksploatacji i zachowaniu wystarczającego ogrzewania i wentylacji zapewnienie takich środków, które w każdym punkcie wewnętrznej powierzchni przegród zapewniają higieniczny klimat uniemożliwiający na wewnętrznych powierzchniach i narożach przegród kondensację pary wodnej oraz powstawanie pleśni. Dla budynków z normalnymi wewnętrznymi temperaturami ( 19 o C) norma przewiduje minimalne wymagania dotyczące oporu cieplnego R przegród budowlanych obudowy budynku. Dla lekkich przegród o masie, w odniesieniu do powierzchni, m < 100kg/m 2 tj. dla konstrukcji płyt warstwowych minimalna wartość oporu cieplnego R 1,75 [(m 2 K)/W.] W obszarach występowania mostków cieplnych w budynkach, gdzie utrzymywana jest stała temperatura muszą być zachowane warunki dla minimalnej ochrony cieplnej. Wartość bezwymiarowego czynnika temperaturowego oblicza się dla nich według wzoru: gdzie: Θ si minimalna temperatura powierzchni w pomieszczeniu [ o C], Θ i temperatura powietrza wewnątrz pomieszczenia [ o C],, Θ e temperatura powietrza zewnętrznego [ o C]. Według normy do obliczania minimalnej temperatury na powierzchniach wewnętrznych oraz czynnika temperaturowego f Rsi należy stosować warunki zapisane w tabeli 2. Warunki Θ [ o C] R s [(m 2 K)/W] brzegowe Wewnątrz 20,0 0,25 Na zewnątrz -5,0 0,04 Tabela 2: Warunki brzegowe dla minimalnej ochrony cieplnej.
Według DIN 4108-2, w najbardziej niekorzystnym miejscu w obszarze mostków cieplnych czynnik temperaturowy f Rsi = f 0,25 (dla R si = 0,25 m 2 K /W) nie może być niższy od wartości 0,7. Oznacza to, że przy warunkach podanych w tabeli 2, temperatura powierzchni wewnętrznych powinna wynosić 12,6 o C. Dla budynków o niskich temperaturach wewnętrznych (12 o C - 19 o C) norma przewiduje jedynie minimalne wymagania wartości oporu cieplnego R przegród powłoki budynku. Dla lekkich przegród o masie w odniesieniu do powierzchni m < 100kg/m 2, tj. dla konstrukcji z płyt warstwowych obowiązuje minimalna wartość oporu cieplnego w obszarze dachu R 1,20 (m 2 K)/W oraz w obszarze ściany zewnętrznej R 0,55 (m 2 K)/W. Ilustracja 1 prezentuje wymagania według normy DIN 4108-2. Wszystkie badane konstrukcje spełniają wymagania minimalnej ochrony cieplnej według DIN 4108-2 dla budynków o niskiej temperaturze wewnętrznej. Spełnienie wymagań dla normalnych temperatur wewnętrznych, w szczególności w obszarze mostków cieplnych sprawdzane jest za pomocą metody obliczeń numerycznych ( szczegółowych). Ilustracja 1: Warunki dla minimalnej ochrony cieplnej w zimie zgodnie z DIN 4108-2. Stowarzyszenie Wykonawców Dachów Płaskich i Fasad DAFA konsekwentnie realizuje swą misję, jaką jest podniesienie jakości specjalistycznych robót budowlanych poprzez określenie standardów ich wykonania. Dowodzi to wydana w marcu tego roku kolejna publikacja techniczna z zakresu fizyki budowli, pt.: DAFA ID 4.03. Atlas mostków cieplnych w budownictwie z płyt warstwowych, autorstwa Wiesława Dybała i Pawła Fiszera. Opracowania Stowarzyszenia DAFA adresowane są do inżynierów i techników, zajmujących się produkcją, montażem oraz odbiorem i eksploatacją lekkich obudów ścian i dachów, jako punkt odniesienia i narzędzie w codziennej pracy. Publikacja jest już 16 pozycją w Księgarni Technicznej Stowarzyszenia, dostępną na: www.dafa.com.pl. Wiesław Dybał, Stowarzyszenie DAFA