Izolacyjność cieplna domów z bali

Ściany z bali drewnianych są unikalną formą konstrukcji – wznoszone z litego materiału stanowią jednocześnie konstrukcję budynku i barierę termiczną. Ściany te jako wznoszone w 100 procentach z materiału odnawialnego zostały uznane na całym świecie za element zielonego budownictwa. Ściany z drewnianych bali mają liczne zalety, szczególnie korzystne właściwości fizykomechaniczne, w tym izolacyjność i pojemność cieplną.

Fot. 1 Budowa domu z bali

Omawiając izolacyjność cieplną ściany z bali drewnianych, należy przyjąć, że:

– poziome miejsca połączeń bali są szczelne i nie obniżają izolacyjności przegrody; ściany z bali zapewniają ciągłość izolacji, a tym samym nie wymagają dodatkowych warstw izolacji;

– zmiany w konstrukcji ścian z bali są samoistne i nie wpływają na pogorszenie izolacyjności przegrody;

– największe obszary infiltracji powietrza występować mogą w tych samych miejscach co w każdej innej technologii – w miejscach połączenia ściany z dachem, połączenie stropu ze ścianą itp.

Według rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, § 328 ust. 1 otrzymuje brzmienie:

1. Budynek i jego instalacje ogrzewcze, wentylacyjne, klimatyzacyjne, ciepłej wody użytkowej, a w przypadku budynków użyteczności publicznej, zamieszkania zbiorowego, produkcyjnych, gospodarczych i magazynowych – również oświetlenia wbudowanego, powinny być zaprojektowane i wykonane w sposób zapewniający spełnienie następujących wymagań minimalnych:

1) wartość wskaźnika EP [kWh/(m² • rok)] określającego roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, a w przypadku budynków użyteczności publicznej, zamieszkania zbiorowego, produkcyjnych, gospodarczych i magazynowych – również do oświetlenia wbudowanego, obliczona według przepisów dotyczących metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynków, jest mniejsza od wartości obliczonej zgodnie ze wzorem, o którym mowa w § 329 ust. 1 lub 3, przy uwzględnieniu cząstkowych maksymalnych wartości wskaźnika EP, o których mowa w § 329 ust. 2;

2) przegrody oraz wyposażenie techniczne budynku odpowiadają przynajmniej wymaganiom izolacyjności cieplnej określonym w załączniku nr 2 do rozporządzenia oraz powierzchnia okien odpowiada wymaganiom określonym w pkt 2.1 załącznika nr 2 do rozporządzenia.

Fot. 2 Ściany bali mogą mieć średnicę 25 cm

Z powyższego wynika, że z dniem 1 stycznia 2014 r. każdy budynek powinien spełniać minimalne wymagania zarówno w zakresie wartości wskaźnika EP dla całego budynku – poniżej 120 kWh/(m² • rok), jak i w zakresie izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych, tj. dla ścian zewnętrznych przy ti ≥ 16^oC U_cmax = 0,25 W/m²K.

Wymieniony współczynnik obniżany będzie co trzy lub cztery lata, a od 1 stycznia 2021 r. odpowiednio będą wynosiły: poniżej 70 kWh/(m² • rok) i maks. 0,20 W/m²K. Wymienione wymagania dotyczą wszystkich budynków i przegród bez względu na materiał, z jakiego zostały zbudowane.

Uwzględniając powyższe, trzeba zwrócić uwagę, jak wymienione zmiany w rozporządzeniu wpływają na cieszące się coraz większą popularnością budownictwo domów z bali drewnianych.

Pisząc „domy z” mam na myśli budynki, których ściany zewnętrzne powstały z drewnianych elementów o średnicy nie mniejszej niż 250 mm lub z bala prostokątnego grubości nie mniejszej niż 220 mm. Taką kwalifikację podaje Międzynarodowe Stowarzyszenie Budowniczych z Bali (International Log Builders Association): Bale o średnicy mniejszej niż 25 cm (10 cali) są niewłaściwe dla budownictwa mieszkalnego.

Natomiast według Standard on the Design and Construction of Log Structures, ICC 400-2007, American National Standard dom z bali jest wówczas, kiedy wszystkie ściany budynku wykonane są z pełnych elementów drewnianych, których najmniejszy poziomy wymiar każdego elementu jest nie mniejszy niż 152 mm, co daje średnicę ok. 200 mm.

W krajach, które posiadają regulacje dla domów z bali, ściana zewnętrzna powinna być zbudowana z bali okrągłych o średnicy nie mniejszej niż 250 mm lub z bali prostokątnych o grubości nie mniejszej niż 152 mm.

Fot. 3 Ściany z bali mogą być szczelne

W Polsce nie ma wymagań techniczno-montażowych dla domów z bali, stąd związane z oczekiwaniami wobec domów z bali liczne nieporozumienia, szczególnie w zakresie izolacyjności cieplnej ścian.

Wprowadzenie nowych przepisów nakazujących spełnienie dla budynku wymagań w zakresie wartości wskaźnika EP – poniżej 120 kWh/(m • rok), oraz spełnienie wymagań w zakresie izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych, tj. np. ścian zewnętrznych przy ti ≥ 16°C U  = 0,25 W/m K, eliminuje z rynku prawdziwe budownictwo z bali.

Dotychczas, kiedy obowiązywały jedynie wymagania dotyczące spełnienia wymogów w zakresie rocznego zapotrzebowania na energię pierwotną, tj. wartości wskaźnika EP – domy z bali mogły spełniać wymagania w tym zakresie. Nietrudno bowiem było uzyskać wartość wskaźnika EP poniżej 120 kWh/(m² • rok).

Wymagany dziś współczynnik izolacyjności cieplnej dla przegrody zewnętrznej budynku mieszkalnego wynosi U_cmax = 0,25 W/m²K. By ściana z bali drewnianych spełniała powyższe wymagania, jej średnia grubość, przy współczynniku λ = 0,16 W/mK, powinna wynosić min. 62 cm, a przy współczynniku λ – 0,13 W/mK – 50 cm. Powyższe dotyczy średniej grubości ściany. Przeliczając na bale okrągłe, otrzymujemy średnice bali odpowiednio 71 cm i 57 cm.

Według obowiązujących krajowych wymagań ściana z bali drewnianych powinna mieć minimalną grubość: 62 cm – dla bali prostokątnych, i  71 cm – dla bali okrągłych.

Przedstawione wartości są wartościami teoretycznymi zakładającymi jednorodność i niezmienność właściwości drewna, a tym samym w żadnym stopniu nieoddającymi  właściwych możliwości drewna w zakresie izolacyjności cieplnej.

Inaczej zagadnienie izolacyjności cieplnej ścian z bali postrzegane jest w krajach, które posiadają wymagania techniczno-montażowe dla domów z bali.

Przeprowadzane w Kanadzie czy Stanach Zjednoczonych liczne badania nad izolacyjnością cieplną domów z bali dowodzą, że ściany z niską wartością izolacyjną, ale z wysoką pojemnością cieplną (tak jak ściany z bali) mogą działać tak dobrze jak ściany z wysoką izolacyjnością i niską pojemnością cieplną (F. Arumi-Noe, „Thermal Inertia in Architectural Walls”).

Oznacza to m.in., że domy z bali pobierają dużo mniej energii na ogrzewanie, niż wynikałoby to tylko z teoretycznie obliczonej wartości współczynnika U.

Opisane i inne badania wykazują, że domy z bali drewnianych zużywają do ocieplenia budynku zdecydowanie mniej energii niż domy zbudowane w innych technologiach, nawet tych uważanych dotychczas w naszym kraju za energooszczędne.

Według specjalistycznych organizacji (Log Homes Council Construction, Codes & Standards Committee, Building Systems Councils, National Association of Home Builders) budynek o ścianach z bali grubości 23–25 cm, o oporze R = 14–17 (krajowe U  = 0,40 – 0,33 W/m²K) zużywa równoważną ilość energii do ogrzania co identyczny budynek o ścianach zewnętrznych zbudowany w technologii  lekkiego szkieletu drewnianego o współczynniku R = 21 (co odpowiada krajowemu U = 0,25 W/m²K), tj. izolacyjności cieplnej wyższej o ok. 30% niż ściana z bali.

Nawiązując do krajowych wymagań – U < 0,25 W/m²K – wymagania te spełniałaby ściana z bali o średniej grubości 23–25 cm, co daje średnicę poniżej 30 cm.

Podczas wszelkich obliczeń izolacyjności cieplnej przegród z użyciem drewna przyjmuje się, że przenikalność cieplna drewna jest stała i niezależna od temperatury.

Tymczasem jak dowodzi Eastern Forest Products Laboratory, jeden z branżowych instytutów badawczych w Kanadzie, opór cieplny drewna nie jest stały, lecz rośnie wraz ze spadkiem temperatury.

Zgodnie z tym raportem opór cieplny drewna na jeden cal (2,54 cm) dla średniej temperatury drewna T = 73^oF (23^oC) wynosi R = 1,25; zaś dla temperatury T = 41^oF (5^oC; np. 20^oC wewnątrz i minus 10^oC na zewnątrz) wynosi średnio R = 1,8; czyli rośnie o blisko 40%.

Fot. 4 Domy na Syberii nie są budowane z bali grubszych niż 25 cm

Im niższa temperatura na zewnątrz, tym lepsze właściwości izolacyjne drewna, tym samym lepsza izolacyjność ścian zewnętrznych wykonanych z bali.

Cecha ta zdaje się tłumaczyć, dlaczego domy z bali tak dobrze sprawdzają się w zimnych klimatach krajów skandynawskich, Syberii, Alasce czy różnych terenach górskich, gdzie tradycyjnie drewno postrzegane jest jako idealny materiał do budowy domu.

Podsumowując powyższe rozważania, należy z całą stanowczością stwierdzić, że dokonując obliczeń teoretycznych wielkości współczynnika U, z uwzględnieniem współczynników λ na poziomie 0,13 czy 0,16 W/mK, wyniki nie obrazują w pełni możliwości cieplnych domów, których ściany zostały zbudowane z bali drewnianych.

Obliczanie izolacyjności cieplnej przegrody z drewna, opierając się jedynie na współczynnikach przewodności cieplnej λbez uwzględnienia innych właściwości drewna, nie odzwierciedla prawdziwych właściwości izolacyjnych drewna.

Nadzieją mogą się okazać działania zachodnioeuropejskich instytucji, które w ramach swoich badań planują ustalić dla drewna suchego współczynnik przewodności cieplnej λ w wysokości 0,105 W/mK. Przy takim współczynniku średnia grubość zewnętrznej ściany z bali mogłaby wynosić min. 41 cm lub średnica bali 47 cm. Ponadto te same instytucje oceniają budownictwo domów z bali jako budownictwo z ograniczonymi mostkami termicznymi, co w konsekwencji o ok. 20% ogranicza  teoretyczne zużycie energii. Jednak w dalszym ciągu operowanie samym współczynnikiem przewodności cieplnej, bez uwzględnienia właściwości drewna, nie przyniesie oczekiwanych skutków.

W Polsce  doświadczenia w zakresie izolacyjności cieplnej ścian z bali ograniczają się jedynie do tradycji Podhala i chat góralskich, których ściany wznoszono z  płazów grubości 16 lub 18 cm, bez dodatkowej warstwy izolacji cieplnej. Domy te w pełni, przez długie lata, sprawdzały się i sprawdzają pod względem zapewnienia komfortu cieplnego ich mieszkańcom.

Według obecnie obowiązujących krajowych wymagań w zakresie izolacyjności ścian zewnętrznych budynków jednorodzinnych – U < 0,25 W/m K – na ściany zewnętrzne z bali drewnianych należy stosować elementy drewniane o średniej grubości powyżej 62 cm, tj. o średnicy bali co najmniej 71 cm.

Jak powyższe wymagania mają się w stosunku do wyników badań Log Homes Council Construction, Codes & Standards Committee, Building Systems Councils, National Association of Home Builders, według których zużycie energii w budynku o ścianach z bali grubości 23–25 cm spełnia krajowe wymagania izolacyjności cieplnej ściany w granicach U < 0,25 W/m²K.

Brak krajowych badań w zakresie właściwości izolacyjnych drewna, a tym samym brak krajowych wymagań techniczno-montażowych dla domów z bali drewnianych w poważnym stopniu ogranicza rozwój tego typu budownictwa i… zmusza do podjęcia stosownych krajowych badań w tym zakresie.

Zmusza także do poważnej weryfikacji krajowych przepisów dotyczących spełniania minimalnych wymagań w zakresie wartość wskaźnika EP dla całego budynku – poniżej 120 kWh/(m² • rok), przy równoczesnych wymaganiach dotyczących izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych, np. ścian zewnętrznych przy ti ≥ 16^oC U_cmax = 0,25 W/m²K. 

Fot. 5 Dom z bali prostokątnych o grubości 20 cm

W USA w 1880 r. na zlecenie Departamentu Budownictwa i Rozwoju Urbanistycznego (Housing and Urban Development) oraz Departamentu Energii (Department of Energy) przeprowadzono badania mające na celu stwierdzenie wpływu pojemności cieplnej konstrukcji ścian na wielkość zużycia energii w poszczególnych budynkach.

Narodowe Biuro Standardów (National Bureau of Standards, NBS) postawiło niedaleko Waszyngtonu sześć budynków o wymiarach 20' x 20' (6,10 x 6,10 m). Każdy budynek był identyczny z wyjątkiem konstrukcji ścian zewnętrznych. W budynkach był utrzymywany ten sam poziom temperatury przez 28-tygodniowy okres badawczy na przełomie 1981 i 1982 r. Przez cały czas badań technicy NBS dokładnie rejestrowali zużycie energii w każdym z budynków.

Badano budynki o następujących cechach:

1 – izolowany szkielet drewniany, o oporze R-12 (krajowe U = 0,47 W/m²K) (bez masy) – z zewnętrzną oblicówką drewnianą 5/8″ (5,8 cali to 1,6 cm), słupkami ścian 2 x 4″ (3,8 x 8,9 cm), izolacją z wełny szklanej 3 1/2V (8,9 cm), paroizolacją i płytą g/k 1/2″ (1,25 cm). Całkowita grubość ściany – 11,8 cm.

2 – nieizolowany dom drewniany szkieletowy, o oporze R-4 (krajowe U = 1,42 W/m²K) (bez masy) jak powyżej, lecz bez izolacji z wełny szklanej. Całkowita grubość ściany – 8,9 cm.

3 – izolowany dom murowany, o oporze R-14 (krajowe U = 0,40 W/m²K) (wraz z masą zewnętrzną) z oblicówką z cegły 4″ (10,2 cm), betonowych bloczków  4″ (10,2 cm), izolacją styropianową 2″ (5,1 cm), paroizolacją, rusztem i płytą g/k 1/2″ (1,25 cm). Całkowita grubość ściany – 29,8 cm.

4 – niezaizolowany dom murowany, o oporze R-5 (krajowe U = 1,13 W/m²K) (z masą zewnętrzną) z bloczków betonowych 8″ (20,3 cm), rusztem, paroizolacją i płytą g/k 1/2″ (1,25 cm), bez styropianu. Całkowita grubość ściany – 24,6 cm.

5 – dom z bali, o oporze R-10 (krajowe U = 0,56 W/m²K) (z własną masą), z pełnych prostokątnych bali łączonych na pióro i wpust, 7″ (17,8 cm) bez żadnej dodatkowej izolacji, bez paroizolacji i wewnętrznej płyty g/k. Całkowita grubość ściany – 17,8 cm.

6 – izolowany dom murowany, o oporze R-12 (krajowe U = 0,47 W/m²K) (z masą wewnętrzną) z cegły 4″ (10,2 cm), luźnego wypełnienia izolacją perlitową 3 1/2″ (8,9 cm), bloczków betonowych 8″ (20,3 cm) i tynków wewnętrznych 1/2″ (1,3 mm). Całkowita grubość ściany – 40,7 cm.

Po 28 tygodniach badań stwierdzono:

– podczas 3-tygodniowego okresu wiosennego grzewczego dom z bali (5), o oporze R-10 (krajowe U = 0,56 W/m²K) zużył 46% mniej energii grzewczej niż izolowany dom drewniany szkieletowy (1) o oporze R-12 (krajowe U = 0,47 W/m²K);

– podczas 11-tygodniowego okresu letniego schładzania dom z bali zużył 24% mniej energii do schładzania niż izolowany dom drewniany szkieletowy (1);

– podczas 14-tygodniowego okresu zimowego grzewczego dom z bali (5), izolowany dom drewniany szkieletowy (1) i izolowany dom murowany (6) zużyły podobną ilości energii grzewczej.

Jak z powyższego wynika, dom o ścianach wykonanych z bali o izolacyjności cieplnej mniejszej o ok. 20% zużył mniej energii zarówno do ogrzania, jak i do schładzania niż budynek o typowej drewnianej konstrukcji szkieletowej, uznawanej dotychczas za konstrukcję energooszczędną, jednocześnie w okresie zimowym dom z bali zużył podobną ilość energii co dom o murowanych, warstwowych ścianach zewnętrznych.

Wojciech Nitka

Centrum Budownictwa Drewnianego