Energooszczędne domy z drewna – niedoceniane możliwości

Dopłaty Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej do kredytów na realizację domów energooszczędnych i pasywnych wzmogły zainteresowanie tego typu budownictwem.

Według raportu Krajowej Agencji Poszanowania Energii unijne regulacje wymuszą na producentach domów i deweloperach stosowanie energooszczędnych technologii. W tym zakresie największe zainteresowanie skupi się na technologii szkieletu drewnianego, która, w ocenie ekspertów, pod względem kosztów, tempa budowy i możliwości prefabrykacji stanie się bardzo atrakcyjną, a przy odpowiedniej organizacji i jakości zapewni produkcję na szeroką skalę.

Już dziś domy o lekkiej drewnianej konstrukcji szkieletowej nazywa się domami energooszczędnymi. Jest to bez wątpienia wpływ niewielkiej grubości ściany zewnętrznej, z izolacją cieplną grubości 15 cm, spełniającą wymagania stosownych przepisów w tym zakresie, tj. mającą współczynnik izolacyjności cieplnej U_max < 0,3 W/m²K. Ściany te mają konstrukcję drewnianą, na którą składają się: podwalina, słupki i oczep. Przestrzeń między słupkami wypełniona jest materiałem izolacyjnym. Od zewnętrz ściana pokryta jest drewnopochodną płytą zabezpieczoną folią wiatroizolacyjną, a od wewnątrz folią opóźniacza pary wodnej pokrytą płytą gipsowo-kartonową.

Rys. 1 Typowy układ warstw w ścianie

Izolacyjność cieplną przegrody określa się za pomocą współczynnika izolacyjności cieplnej U. Na izolacyjność cieplną przegrody mają wpływ współczynniki izolacyjności cieplej:

– okładziny wewnętrznej,

– folii opóźniacza pary,

– elementów konstrukcji,

– materiału izolacyjnego,

– poszycia zewnętrznego,

– folii wiatroizolacyjnej,

– elewacji jako okładziny zewnętrznej (w zależności od rozwiązania elewacja jest zaliczana, lub nie, do warstw stanowiących izolację ściany).

Okładzinę wewnętrzną w większości przypadków stanowi płyta gipsowo-kartonowa grubości 12,5 mm ze współczynnikiem przewodności cieplnej λ= 0,23 W/mK. Okładzina wewnętrzna stanowi jednorodną warstwę materiałową w przegrodzie.

Folia paroizolacyjna nie ma większego wpływu na obliczanie izolacyjności cieplnej przegrody, zapewnia jednak ochronę izolacji cieplnej przed zawilgoceniem parą wodną.

Izolacją cieplną w większości przypadków jest wełna mineralna –  skalna lub szklana. Innym materiałem mogą być materiały oparte na włóknach celulozy lub włóknach drzewnych. Wełna mineralna może mieć różny współczynnik przewodności cieplnej – od 0,045 do 0,034 W/mK. Podobnej wielkości współczynnik przewodności cieplnej mają izolacje celulozowe.

Izolacja cieplna, układana między elementami konstrukcji, wraz z konstrukcją ściany tworzy niejednorodną warstwę materiałową w przegrodzie.

Konstrukcję ściany w większości przypadków stanowią elementy z drewna litego o współczynniku przewodności cieplnej λ= 0,16 W/mK. Na główną konstrukcję ściany składają się słupki w rozstawie osiowym 400 lub 600 mm. Konstrukcja ściany, wraz z izolacją cieplną, tworzy niejednorodną warstwę materiałową w przegrodzie.

Rys. 2 Badania termowizyjne

Na poszycie zewnętrzne stosowana jest drewnopochodna płyta MFP lub OSB/3, przeważnie o grubości 12 mm. Współczynnik przewodności cieplnej dla płyty λ= 0,13 W/mK. Płyta stanowi jednorodną warstwę materiałową w przegrodzie.

Folia wiatroizolacyjnanie ma większego wpływu na izolacyjność cieplną przegrody, tworzy jednak barierę przeciwwiatrową chroniącą budynek przed przewietrzaniem.

Elewacjęmogą stanowić różnorodne materiały wykończeniowe. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest drewniana okładzina lub tynk na warstwie wełny mineralnej lub styropianu.

Styropian może mieć różny współczynnik przewodności cieplnej: od 0,042 do 0,031 W/mK,  zależnie od struktury. W zależności od sposobu mocowania – według normy EN ISO 6946-listopad 2004, Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczenia – warstwa elewacyjna może być (lub nie) zaliczana do izolacji cieplnej ściany.

Współczynnik izolacyjności cieplnej przegrody jest uzależniony od:

– rodzaju przyjętych materiałów,

– grubości materiałów,

– współczynnika przewodności cieplnej przyjętych materiałów,

– układu warstw w przegrodzie, w tym warstw niejednorodnych.

Różnice w wielkościach poszczególnych danych mogą w poważnym stopniu wpłynąć na wysokość współczynnika izolacyjności cieplnej ściany.

Typowy układ warstw w ścianie (od wewnątrz) to:

– płyta gipsowo-kartonowa, grubość 12 mm – λ= 0,23 W/mK,

– folia opóźniacza pary,

– konstrukcja 40 x 150 mm, w osiowym rozstawie co 600 mm – λ= 0,16 W/mK,

– izolacja cieplna:  wełna mineralna –  λ= 0,034 W/mK,

– płyta poszycia: płyta MFP grub. 12 mm – λ= 0,13 W/mK,

– folia wiatroizolacyjna,

– elewacja.

Fot. 1 Urządzenia Blower Door i Wincon

Przedstawiony układ  z uwzględnieniem warstwy niejednorodnej i  bez uwzględniania elewacji zapewnia współczynnik izolacyjności cieplnej U = 0,255 W/m²K.

Przy zmianie izolacji cieplnej o współczynniku λ= 0,034 W/mK na izolację o mniejszym współczynniku – λ = 0,045 W/mK współczynnik izolacyjności cieplnej ściany U wzrasta do 0,313 W/m²K, co w poważnym stopniu obniża izolacyjność cieplną ściany.

Z powyższego wynika, że jakość wełny mineralnej, a szczególnie wysokość współczynnika przenikania ciepła λ, w poważnym stopniu wpływa na izolacyjność cieplną przegrody zewnętrznej budynku.

Na izolacyjność cieplną ściany ma również  wpływ rozstaw drewnianych słupków w ścianie. W ścianie o współczynniku izolacyjności cieplnej U = 0,255 W/m²K, dla osiowego rozstawu słupków przyjęto 600 mm. Przy zmianie rozstawu z 600 do 400 mm, współczynnik izolacyjności cieplnej ściany wzrasta do U = 0,277 W/m²K, tj. izolacyjność cieplna ściany zmniejsza się o ok. 8%.

Zastosowanie izolacji cieplnej o niższym współczynniku przenikania ciepła oraz zwiększenie rozstawu słupków w poważnym stopniu wpływa na podniesienie izolacyjności cieplnej ściany zewnętrznej. Podobne rozwiązania będą miały wpływ na wzrost izolacyjności cieplnej dachów czy stropodachów.

Fot. 2 Izolacja cieplna ściany

Trzeba jednak pamiętać, że zapewnienie budynkowi cech budynku energooszczędnego czy pasywnego to nie tylko dobór odpowiednich materiałów na przegrody zewnętrzne, ale także jakość wykonanych robót, szczególnie robót izolacyjnych. Każda nieszczelność w izolacji będzie powodować ucieczkę ciepła z budynku, a tym samym będzie wpływać na obniżenie właściwości cieplnych budynku.

Jakość wykonanych robót izolacyjnych można zweryfikować, wykonując badania termowizyjne budynku. W ramach tych badań można m.in.:

– dokonać oceny stanu izolacji termicznej budynku,

– stwierdzić lokalizację miejsc nieszczelności,

– wykryć niepożądaną infiltrację zimnego powietrza,

– dokonać oceny szczelności stolarki budowlanej,

– wykryć mostki termicznych w przegrodach.

Dla osiągnięcia przez budynek cech budynku niskoenergetycznego bądź budynku pasywnego nie wystarczy prawidłowy montaż odpowiedniej grubości izolacji cieplnej. Tu szczególną rolę odgrywać będzie zapewnienie całkowitej szczelności budynku. Szczelność tę zapewnić może prawidłowo założona folia opóźniacza pary, mylnie nazywaną „paroizolacją”. To właśnie prawidłowy montaż folii opóźniacza pary zapewnia szczelność budynku będącą jedną z podstaw zapewniających pasywność budynku.

Tab. 1 Grubość izolacji dla ścian zewnętrznych

Zachowanie szczelności budynku już dziś jest wymagane przez rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Według załącznika nr 2, § 2.3.1. niniejszego rozporządzenia: W budynku mieszkalnym, zamieszkania zbiorowego, budynku użyteczności publicznej, a także w budynku produkcyjnym przegrody zewnętrzne nieprzezroczyste, złącza między przegrodami i częściami przegród oraz połączenia okien z ościeżami należy projektować i wykonywać pod kątem osiągnięcia ich całkowitej szczelności na przenikanie powietrza.

Paragrafu tego jednak nie zauważają firmy stawiające domy ani inwestorzy.

Rys. 3 Warstwa akumulacji ciepła

Podstawowym narzędziem weryfikacji szczelności powietrznej budynku jest wykonanie testu Blower Door za pomocą drzwi nawiewnych zgodnie z normą PN-EN 13829:2002 – Właściwości cieplne budynków – Określanie przepuszczalności powietrznej budynków – Metoda pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora. Test ten pozwala na określenie współczynnika krotności wymiany powietrza n50 oraz lokalizację wszelkich nieszczelności w obudowie budynku.

Zgodnie z [2] współczynnik krotności wymiany powietrza n50 przy różnicy ciśnienia równiej 50 Pa powinien wynosić 1/h:

– dla budynków z wentylacją grawitacyjną n50 ≤ 3,

– dla budynków z wentylacją mechaniczną n50 ≤ 1,5.

Jednak dla budynków o podwyższonym standardzie energetycznym współczynnik krotności wymian powietrza n50 został obniżony do:

– dla budynku energooszczędnego n50 < 1,5,

– dla budynku pasywnego n50 < 0,6.

Powyższe wymagania można spełnić jedynie dzięki szczelnej powłoce folii opóźniacza pary (paroizolacji).

Innym, prostszym sposobem na sprawdzanie jakości wykonanych robót izolacyjnych (oklejania połączeń opóźniacza pary, płyt drewnopochodnych oraz połączeń na stykach z przyległymi elementami itp.) pod kątem występowania nieszczelności jest badanie za pomocą wentylatora umieszczonego w otworze okiennym. Badanie, tak jak w systemie Blower Door, polega na wytworzeniu podciśnienia w budynku i znajdowaniu ewentualnych miejsc przecieku powietrza.

Obniżenia izolacyjności cieplnej ściany przez brak szczelności opóźniacza pary obrazują badania wykonane przez Institut für Bauphysik (Stuttgart, DBZ 12/89, str. Page 1639ff).

Badania przeprowadzono na ścianie o drewnianej konstrukcji szkieletowej, o wymiarach 1 x 1 metr, o współczynniku U = 0,30 W/m²K, przy temperaturze +20^oC wewnątrz i –10^oC na zewnątrz. Ściana ta, wykonana z przestrzeganiem wszelkich wymagań techniczno-montażowych dla tego typu budownictwa, zapewniała właściwą izolacyjność cieplną z zachowaniem pełnej szczelności.

Dla celów badawczych w folii opóźniacza na całej wysokości fragmentu ściany (1,0 m) wycięto szczelinę szerokości 1,0 mm. Tak powstała nieszczelność spowodowała wzrost wartości współczynnika U z 0,30 do 1,44 W/m²K, co oznacza, że izolacyjność przegrody w miejscu szczeliny pogorszyła się 4,8 razy.

Jest to jeden z dowodów wskazujących, jak ważnym zadaniem na budowie, o ile nie najważniejszym, jest zapewnienie ciągłości i pełnej szczelności folii opóźniacza pary. Bez zachowania szczelności przegród zewnętrznych budynek nie osiągnie cech budynku niskoenergetycznego czy pasywnego.

Tab. 2 Grubość izolacji dla dachów

Jak wspomniano, izolacyjność cieplną ścian o drewnianej konstrukcji szkieletowej w głównej mierze zapewnia izolacja cieplna, która wypełnia ok. 85% powierzchni przegród zewnętrznych. Pomimo to domy te potocznie nazywa się domami drewnianymi, co nie do końca odzwierciedla technologię ich budowy. Dla domów tych właściwsza może byłaby nazwa „domy wełniane”, która w pełni odzwierciedlałaby technologię ich budowy.

Oczywiście nazwa „dom drewniany” dla domu, w którym ok. 85% powierzchni przegród zewnętrznych stanowi wełna mineralna (w większości przypadków), nie odzwierciedla technologii budowy domu. Bliższe rzeczywistości jest określenie  „domy o drewnianej konstrukcji szkieletowej.”

W społeczeństwie krąży opinia, że domy drewniane nie trzymają ciepła – szybko się nagrzewają, ale szybko się wychładzają. Takie określenie jest jedynie w części prawdziwe.

Po pierwsze, nie dotyczy „domów drewnianych”, lecz jedynie domów o drewnianej konstrukcji szkieletowej, w których, jak wspomniano, ok. 85% powierzchni przegrody zewnętrznej wypełnia izolacja cieplna, w większości wełna mineralna, mająca bardzo małe zdolności akumulacji ciepła.

Po drugie, nie dotyczy domów z bali, które też należy określić mianem „domy drewniane”. Drewno posiada bardzo dobre właściwości akumulacji ciepła, lepsze niż materiały ceramiczne czy betonowe.

Dla wielu osób szybkie nagrzewanie się i szybkie wychładzanie budynków o drewnianej konstrukcji szkieletowej jest zaletą, dla innych wadą. Cechę szybkiego nagrzewania się budynku doceniają właściciele domków rekreacyjnych zbudowanych w tej technologii;  przyjeżdżając bowiem na weekend na działkę, mogą szybko nagrzać domek. Cecha ta obca jest właścicielom domków stawianych w technologiach murowanych. Tu budynek nagrzewa się dłuższy czas, a kiedy się nagrzeje, mija weekend i nadchodzi czas wyjazdu do domu.

Szybkie nagrzewanie i wychładzanie się budynku jest efektem niskiej akumulacji ciepła przez przegrody, tj. ściany i stropy wypełnione materiałem izolacyjnym o niskim cieple właściwym i niskim ciężarze objętościowy, np. wełną mineralną.

Niską akumulację ścian można poprawić poprzez obłożenie wewnętrznych powierzchni ścian materiałem posiadającym cechy wysokiej akumulacji ciepła. Takim materiałem może być drewno. Wyłożenie wewnętrznych powierzchni ścian zewnętrznych balami grubości np. 70 mm zapewni akumulacyjność przegród, a tym samym wyeliminuje szybkie wychładzanie się budynku.

Rozwiązania takie stosuje jedna z niemieckich firm (rys. 3).

Jak wspomniałem, dzisiejsze wymagania izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych, na poziomie U < 0,3 W/m²K, spełnia odpowiedniej jakości wełna mineralna grubości 15 cm, wraz z pozostałymi warstwami ściany.

Według wytycznych NFOŚiGW ściany zewnętrzne budynku energooszczędnego powinny charakteryzować się izolacyjnością na poziomie odpowiednim do strefy klimatycznej:

– U_max = 0,15 W/m²K dla I, II i III strefy klimatycznej,

– U_max = 0,12 W/m²K dla IV i V strefy klimatycznej.

Natomiast dla budynków pasywnych:

– U_max = 0,10 W/m²K dla I, II i III strefy klimatycznej,

– U_max = 0,08 W/m²K dla IV i V strefy klimatycznej.

Obniżenie wartości współczynnika U oznacza zwiększenie grubości izolacji cieplnej. Ostateczna grubość zależeć będzie od współczynnika przewodzenia ciepła danej izolacji. W tabeli 1 przedstawiono niezbędną grubość izolacji dla ścian zewnętrznych, w zależności od właściwości izolacji cieplnej, według [1].

Podobne wymagania NFOŚIGW stawia izolacji dachu.

Budynki energooszczędne powinny charakteryzować się izolacyjnością na poziomie:

– U_max = 0,12 W/m²K dla I, II i III strefy klimatycznej,

– U_max = 0,10 W/m²K dla IV i V strefy klimatycznej,

natomiast dla budynków pasywnych:

– U_max = 0,10 W/m²K dla I, II i III strefy klimatycznej,

– U_max = 0,08 W/m²K dla IV i V strefy klimatycznej.

W tabeli 2 przedstawiono niezbędną grubość izolacji dla dachów, w zależności od właściwości izolacji cieplnej, według [1].

Podobne obniżenie izolacyjności cieplnej NFOŚiGW proponuje dla stropodachów, podłogi na gruncie i stropu nad nieogrzewaną piwnicą. Informacje te można znaleźć w [1].

Obniżenie współczynnika izolacyjności cieplnej przegród w poważnym stopniu wpływa na zwiększenie grubości izolacji cieplnych w poszczególnych przegrodach. Wiązać się to będzie z poszukiwaniem nowych materiałów izolacyjnych o mniejszych niż dotychczas znanych współczynnikach przenikania ciepła. Już dziś na rynku znajdują się wełny o współczynniku λ= 0,030 W/mK. Sądzić należy, że to dopiero początek izolacji cieplnych nowej generacji. Stosowanie bowiem izolacji o niskim współczynniku przewodności cieplnej w poważnym stopniu przyczyniać się będzie do zmniejszenia grubości izolowanych przegród.

Zwiększenie grubości izolacji cieplnej przegród wiązać się będzie z koniecznością szukania nowych rozwiązań w zakresie nowych konstrukcji ścian, stropów i innych elementów konstrukcji budynku wymagających stosowania zwiększonych grubości izolacji. W związku z czym zyskają na popularności niedoceniane dziś technologie, takie jak: panele strukturalne, konstrukcje oparte na belkach dwuteowych, konstrukcje oparte na prefabrykowanych elementach z drewna klejonego czy system oparty na ścianach zewnętrznych o podwójnej konstrukcji szkieletowej.

Wojciech Nitka

Stowarzyszenie Dom Drewniany

Rysunki: Piotr Leń, Dietrich’s

Literatura

1. Domy energooszczędne. Podręcznik dobrych praktyk. Przygotowany na podstawie opracowania Krajowej Agencji Poszanowania Energii s.a., listopad 2012.

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z dnia 15 czerwca 2002 r.) z późn. zmianami, załącznik nr 2 p. 2. 3.

3. www.domydrewniane.org.