Izolacyjność cieplna przegród zewnętrznych – sposoby oceny

Celem przeprowadzania ocen izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych w przypadku projektowanych budynków jest sprawdzenie spełnienia wymagań wynikających z przepisów techniczno-budowlanych i ewentualnych wymagań inwestora dotyczących wyższego standardu energetycznego budynku. W przypadku obiektów użytkowanych oceny przeprowadza się na ogół doraźnie, po stwierdzeniu problemów z zapewnieniem komfortu użytkowania pomieszczeń lub docelowo przed planowaną termomodernizacją budynku. Do celów projektowych mają zastosowanie metody obliczeniowe, w tym komputerowe wyznaczanie pola temperatury w przegrodach budynku, które w pewnym zakresie mogą być również wykorzystywane we wspomaganiu diagnostyki i badań obiektów użytkowanych. Sposoby oceny opierają się na metodach znormalizowanych, a ich stosowanie wiąże się z koniecznością użycia odpowiednich narzędzi i przestrzegania szczegółowych procedur. Uwzględnienie tych standardów zapewnia największą miarodajność i wiarygodność ocen.

Izolacyjność cieplna przegród zewnętrznych w badaniu termowizyjnym. Fot. stock.adobe/ Ingo Bartussek

Ze względu na rosnące znaczenie energooszczędności i niskoemisyjności stosuje się obecnie znacznie ostrzejsze niż w przeszłości wymagania związane z izolacyjnością cieplną przegród zewnętrznych. Od 2021 r. wszystkie nowe budynki powinny spełniać przyjęte w krajach Unii Europejskiej kryteria niemal zerowego wykorzystania energii. Uzyskanie takiego standardu nie jest praktycznie możliwe bez kompleksowego uwzględnienia energooszczędnych rozwiązań o charakterze architektonicznym, konstrukcyjno-materiałowym budynku oraz jego systemów technicznych, w tym wykorzystujących odzysk ciepła lub odnawialne źródła energii. W odniesieniu do przegród zewnętrznych warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki, określają m.in. maksymalne dopuszczalne wartości współczynników przenikania ciepła. W tabeli zestawiono wybrane wartości wymagane w odniesieniu do głównych rodzajów przegród zewnętrznych i pomieszczeń o temperaturze nie niższej niż 16⁰C.

Izolacyjność cieplna przegród – wymagania

Obliczenia wartości współczynnika przenikania ciepła ścian zewnętrznych, dachów, stropodachów i stropów przeprowadza się sposobami określonymi w normie [1], a w przypadku przegród, przez które przenoszone jest ciepło do gruntu, według [2]. Współczynniki przenikania ciepła okien, drzwi i innych oszklonych przegród ściennych i dachowych są określane w deklaracjach właściwości użytkowych przez producentów na podstawie wyników badań lub obliczeń, wykonanych metodami ustalonymi w normach odnoszących się do takich wyrobów budowlanych.

Zobacz też:

• Izolacyjność akustyczna stropu – badania, wskaźniki, wymagania
• Jak dobrze ocieplić dom zgodnie z wymogami prawa
• Zagrzybienie budynków – przyczyny, szkodliwość, zapobieganie i usuwanie
• Budowa domów jednorodzinnych – niektóre wady i błędy
• Ocieplanie dachów i stropodachów
• Produkty budowlane

Izolacyjność cieplna przegród zewnętrznych a zagrzybienie

Szczególnym zagadnieniem związanym z izolacyjnością cieplną nieprzezroczystych przegród zewnętrznych jest wymagana przepisami techniczno-budowlanymi konieczność zapewnienia ochrony ich wewnętrznej powierzchni przed występowaniem kondensacji pary wodnej umożliwiającej rozwój grzybów pleśniowych. Ryzyko może głównie dotyczyć narożnych połączeń przegród i miejsc usytuowania balkonów, loggii, tarasów, ścianek attykowych lub kolankowych, połączeń ze ścianami fundamentowymi lub ścianami nieogrzewanych pomieszczeń oraz połączeń z oknami i drzwiami. Ze względu na dwu- lub trójwymiarowy charakter pola temperatury w takich miejscach sposób oceny izolacyjności cieplnej przegród opiera się na symulacji komputerowej przeprowadzanej według PN-EN ISO 10211 [3]. Przykład takich obliczeń pokazano na rys. 1.

Rys. 1. Przykład zastosowania obliczeń trójwymiarowego pola temperatury w obudowie budynku o konstrukcji żelbetowej, wykonanych w Zakładzie Fizyki Cieplnej, Akustyki i Środowiska ITB

Warunkiem koniecznym do rozwoju zagrzybienia jest kondensacja kapilarna w wierzchniej warstwie przegrody. W przypadku masywnych przegród, charakteryzujących się dużą bezwładnością cieplną i zastosowaniem materiału o budowie kapilarno-porowatej, ryzyko jest niewielkie, jeżeli średnia miesięczna wilgotność względna powietrza przy powierzchni przegrody pozostaje niższa od 80%. Sprawdzenie polega na porównaniu minimalnych wartości temperatury wewnętrznej powierzchni przegrody w stanie ustalonym (w warunkach średnich miesięcznych) z wartościami krytycznymi, które uwzględniają przewidywane warunki cieplne i wilgotnościowe w pomieszczeniu oraz odpowiednią intensywność wentylacji.

Podczas oceny ryzyka występowania kondensacji pary wodnej na wewnętrznej powierzchni przegród o niższej bezwładności cieplnej w praktyce mogą być również zastosowane obliczenia dynamiczne, uwzględniające zmienne w czasie warunki cieplne. Przykład obliczeń pola temperatury w wycinku takiej przegrody pokazano na rys. 2.

Rys. 2. Przykład zastosowania obliczeń trójwymiarowego pola temperatury w ścianie osłonowej, wykonanych w Zakładzie Fizyki Cieplnej, Akustyki i Środowiska ITB

Biorąc pod uwagę przepisy techniczno-budowlane, istotne jest też spełnienie wymogu zabezpieczenia przed wystąpieniem narastającego w kolejnych latach zawilgocenia spowodowanego kondensacją pary wodnej we wnętrzu przegrody. W praktyce dotyczy to np. specyficznych rozwiązań termomodernizacyjnych, które mogą mieć zastosowanie w obiektach zabytkowych, polegających na wykonaniu docieplenia od strony wewnętrznej przegród. Przykład obliczeń rozkładu temperatury pokazano na rys. 3.

Rys. 3. Przykład zastosowania obliczeń dwuwymiarowego pola temperatury w połączeniu przegród z dociepleniem od wewnątrz, wykonanych w Zakładzie Fizyki Cieplnej, Akustyki i Środowiska ITB

Izolacyjność cieplna przegród zewnętrznych – metody oceny

Do oceny izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych obiektów użytkowanych najczęściej stosuje się metodę termowizyjną, a w szczególnych przypadkach również badania gęstości strumienia ciepła. Przeprowadzanie wstępnych ocen jest często możliwe na podstawie sprawdzenia budowy przegród: grubości warstw oraz rodzaju zastosowanych materiałów. W praktyce często można wystarczająco dokładnie zidentyfikować opory cieplne ocenianych przegród budynków na podstawie zweryfikowanych przez obmiary, oględziny i ewentualne odkrywki grubości warstw materiałowych oraz założonych wartości współczynników przewodzenia ciepła zastosowanych materiałów (np. na podstawie danych normowych lub informacji o wyrobach dostępnych na rynku).

Gdy nie jest możliwe zadowalająco dokładne ustalenie budowy przegród, stosuje się diagnostykę termowizyjną, czyli detekcję w podczerwieni przy użyciu kamer rejestrujących rozkłady temperatur promieniowania w zakresie długości fali od kilku do kilkunastu pm. Do badań trudno dostępnych miejsc obiektów budowlanych, np. dachów, stosuje się również aparaty umieszczone na bezzałogowych statkach lotniczych, czyli dronach.

Na uzyskiwane obrazy termalne obiektów mają istotny wpływ nie tylko rzeczywiste temperatury ich powierzchni, ale również:

• właściwości radiacyjne obiektu (emisyjność),
• rozkłady temperatury w otoczeniu (tzw. scena termograficzna),
• ustawienie osi optycznych aparatów względem badanych powierzchni.

Po obu stronach badanych przegród powinny panować warunki, które można uznać za ustalone (niewielkie zmiany w czasie temperatury i ciśnienia w środowisku zewnętrznym i wewnętrznym), a różnice temperatur powinny być wystarczająco duże (nie mniej niż 20 K). W takich warunkach na podstawie obrazów rozkładów temperatur powierzchni przegród można wykrywać niejednorodności właściwości cieplnych badanych przegród mogących wynikać z:

• lokalnych braków izolacji cieplnej lub występowania materiałów dobrze przewodzących ciepło,
• pogorszenia właściwości cieplnych materiałów spowodowanych ich zawilgoceniem,
• nieszczelności, przez które odbywają się przepływy powietrza.

Prawidłowe oceny obrazów cieplnych zależą w dużym stopniu od doświadczenia osób prowadzących badania. Szczegółowe wytyczne prowadzenia jakościowych badań wad cieplnych w przegrodach zewnętrznych budynków metodami termowizyjnymi określa norma [4].

W przypadkach przegród zbudowanych z jednorodnych cieplnie warstw materiałowych mogą być stosowane metody polegające na pomiarach gęstości strumienia ciepła na powierzchniach przegród i temperatur wewnętrznych oraz zewnętrznych powierzchni tych przegród. Wytyczne prowadzenia badań określa norma [5]. Metoda ta może być np. używana do sprawdzania izolacyjności cieplnej szyb zespolonych w oknach i innych przegrodach przeszklonych. Duży udział powierzchni szyb w przegrodach przezroczystych, zwykle powyżej 70%, powoduje, że współczynnik przenikania ciepła szyb ma na ogół decydujący wpływ na ocenę izolacyjności cieplnej takiej przegrody. Ze względu na małą bezwładność cieplną szyb badania można przeprowadzać w godzinach nocnych po ustabilizowaniu się warunków cieplnych, przy czym zaleca się kilkukrotne powtórzenie w kolejnych dobach.

W warunkach ustalonego jednowymiarowego przepływu ciepła opór cieplny przegrody oblicza się wg wzoru:

w którym: Δθ – zmierzona różnica temperatury powierzchni przegrody [K]; q – zmierzona gęstość strumienia cieplnego [W/m2]; R_hfm – opór cieplny przetwornika gęstości strumienia ciepła [m2∙K/W].

Przydatne dość często może być zastosowanie obu metod badawczych. Na rys. 4 pokazano przykład zastosowania badań drzwi metodą termowizyjną z jednoczesnym badaniem oporu cieplnego panelu nieprzezroczystego.

Izolacyjność cieplna przegród. Rys. 4. Przykładowe badanie termowizyjne z jednoczesnym badaniem oporu cieplnego zrealizowane w Zakładzie Fizyki Cieplnej, Akustyki i Środowiska ITB : a) badanie drzwi, b) obraz termowizyjny

Przewidywania kierunku dalszego rozwoju metod i zakresu ocen przegród zewnętrznych w zakresie ich właściwości cieplnych można wiązać z faktem, że przegrody budynków należy oceniać nie tylko pod względem współczynników przenikania ciepła, które odnoszą się do stałych warunków temperaturowych, lecz również pod względem ich podatności na zmiany tych warunków w czasie. Stateczność cieplną przegród budynków lub pomieszczeń można zdefiniować jako zdolność utrzymywania w dopuszczalnych granicach temperatury powierzchni wewnętrznych przegród lub temperatury odczuwalnej w pomieszczeniach, w warunkach zmiennych w czasie zjawisk cieplnych oddziałujących na przegrody, takich jak zmiany warunków klimatycznych w zakresie temperatury powietrza i promieniowania słonecznego oraz dynamika działania ogrzewania lub chłodzenia pomieszczeń.

Przegrody mogą również stanowić elementy o charakterze kolektorowo-akumulacyjnym cieplnie i może to mieć znaczenie dla możliwości zmniejszenia wymaganej mocy systemów technicznych ogrzewania lub chłodzenia oraz skrócenia czasu działania tych systemów technicznych i ich regulacji.
W okresie letnim budynki dodatkowo wymagają ochrony przed przegrzewaniem pomieszczeń. W odniesieniu do przegród przezroczystych, w przypadku ich ekspozycji w kierunku bezpośredniego promieniowania słonecznego, wymagane jest obecnie ograniczenie ich przepuszczalności energii promieniowania słonecznego. Wskazane zagadnienia rozszerzają kontekst i tworzą potrzebę dalszego rozwoju sposobów oceny właściwości cieplnych przegród budynku.

dr inż. Robert Geryło Instytut Techniki Budowlanejr.gerylo@ltb.pl

Bibliografia

1. PN-EN ISO 6949 Komponenty budowlane I elementy budynku – Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła – Metody obliczania.

2. PN-EN ISO 13370 Cieplne właściwości użytkowe budynków – Przenoszenie ciepła przez grunt – Metody obliczania.

3. PN-EN ISO 10211 Mostki cieplne w konstrukcji budowlanej – Przepływy ciepła i temperatury powierzchni – Obliczenia szczegółowe.

4. PN-EN 13187 Właściwości cieplne budynków. Jakościowa detekcja wad cieplnych w obudowie budynku. Metoda podczerwieni.

5.  ISO 9869-1:2014 Thermal insulation, Building elements, In-situ measurement of thermal resistance and thermal transmittance, Part 1: Heat flow meter metod.

6. R. Geryło, Nowoczesny standard energetyczny budynków, Oficyna Wydawnicza Polcen, 2015.