Ocieplanie od wewnątrz

Ze względu na zagadnienia fizyki budowli dużo bezpieczniejszym rozwiązaniem jest ocieplanie budynków od zewnątrz przy zastosowaniu złożonych systemów izolacji (ETICS). Niemniej w wielu przypadkach modernizacji ogólna ocena wartości historycznej obiektu, jego stanu technicznego, sytua­cji prawnej czy wreszcie dostępnego finansowania prowadzi do wniosku, że ocieplenie od wewnątrz jest słusznym wyborem.

Projektując tego typu rozwiązanie, należy rozważyć dostępne sposoby ociepleń, przewidywane warunki użytkowania obiektu oraz wymagania stawiane ocieplonej przegrodzie.

a)

b)

Rys. 1 Rozkład temperatury na wewnętrznej powierzchni ścian zewnętrznych – badanie kamerą termowizyjną: a) ściana ocieplona od wewnątrz, b) ściana nieocieplona

Ochrona cieplna

Zgodnie z warunkami technicznymi [4] budynek i jego instalacje powinny być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby ilość ciepła, chłodu i energii elektrycznej, potrzebnych do użytkowania budynku zgodnie z jego przeznaczeniem, można było utrzymać na racjonalnie niskim poziomie. Warunek ten uważa się za spełniony, gdy przegrody zewnętrzne charakteryzują się odpowiednią (nie wyższą niż zdefiniowana) wartością współczynnika przenikania ciepła U lub gdy wartość wskaźnika EP jest mniejsza od wartości granicznej określanej w zależności od współczynnika kształtu budynku.

W przypadku budynków przebudowywanych rozporządzenie dopuszcza zwiększenie średniego współczynnika U lub wskaźnika EP o nie więcej niż 15% w porównaniu z budynkiem nowym o takiej samej geometrii i sposobie użytkowania. Wynika stąd, że maksymalna wartość współczynnika przenikania ciepła ścian w budynkach modernizowanych wynosi 0,35 W/(m²K),co stanowi 115% wartości wymaganej wobec nowego budownictwa (tab. 1).

Tab. 1 Wymagania izolacyjności termicznej przegród – budynki nowe i przebudowywane, wg WT 2008 [4]

Należy przy tym zwrócić uwagę, że wymagania stawiane budynkom przebudowywanym opisane w WT 2008 należy traktować niezależnie od wymagań podanych w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury [5]. Drugi z aktów prawnych stawia wymóg minimalnego oporu cieplnego ocieplonych przegród R = 4,00 m²K/R, co odpowiada maksymalnej wartości współczynnika U = 0,25 W/(m²K). Dotyczy to jednak wyłącznie tych obiektów, w których część kosztów termomodernizacji ma zostać pokryta ze środków Banku Gospodarstwa Krajowego.

Z punktu widzenia ochrony cieplnej budynków kolejność warstw w przegrodzie nie ma znaczenia, gdyż izolacyjność termiczna wynika jedynie z sumy oporów cieplnych poszczególnych warstw. Wynika to z metodologii obliczania współczynnika przenikania ciepła U przegród, określonej w normie PN-EN ISO 6946 [6]. Kolejność warstw może mieć jednak wpływ na inne właściwości przegród.

Rys. 2 Rozkład temperatury w narożniku ściany zewnętrznej, muru ceglanego grub. 38 cm, w przypadku: (a) ocieplenia od wewnątrz warstwą mineralnych płyt izolacyjnych grub. 10 cm; (b) ocieplenia od zewnątrz warstwą polistyrenu ekspandowanego grub. 10 cm (λ = 0,040 W/(mK)); (c) braku ocieplenia [8]

W fizyce budowli jednym z parametrów opisujących funkcjonowanie przegród budynku jest tzw. bezwładność termiczna (lub akumulacyjność cieplna). Do jej opisu stosuje się najczęściej następujące wartości:

– pojemność cieplna (powierzchniowa) – wyrażająca ilość ciepła niezbędną do podniesienia temperatury 1 m²warstwy materiału o 1 K:

– czas oddawania ciepła – czas, w którym temperatura 1 m² warstwy materiału spada o 1 K przy różnicy temperatur wewnętrznej i zewnętrznej ΔT = 1 K:

– aktywność cieplna – zdolność materiału do oddawania lub pobierania ciepła z przyległych ośrodków (cieczy lub ciał stałych):

c – ciepło właściwe [J/(kg·K)]

ρ – gęstość materiału [kg/m³]

d – grubość warstwy materiału [m]

λ – współczynnik przewodzenia ciepła [W/(mK)].

Na wszystkie powyższe czynniki wpływ ma ciepło właściwe materiału oraz jego gęstość. Im większy ciężar materiału, tym więcej ciepła jest on w stanie zgromadzić oraz dłużej je oddaje (ze względu na dużą pojemność cieplną). Ciężkie materiały są również bardziej aktywne termicznie, co oznacza, że szybciej odbierają ciepło z przyległych ośrodków. Istotnym czynnikiem jest również izolacyjność termiczna materiału – im wyższa, tym wolniej materiał oddaje zakumulowane ciepło.

Materiały izolacyjne charakteryzują się wysoką izolacyjnością termiczną oraz bardzo małą gęstością. Te właściwości powodują, że warstwa ocieplenia po zewnętrznej stronie zdecydowanie spowalnia proces nagrzewania lub oziębiania muru oraz przyczynia się do akumulacji w murze większej ilości ciepła pochodzącego z wnętrza budynku. To wpływa na większą stabilność temperatury wewnątrz pomieszczeń.

a)

b)

Rys. 3 Rozkład temperatury w przegrodzie z warstwą izolacji termicznej: (a) po stronie zewnętrznej, (b) po stronie wewnętrznej

Warstwa izolacji termicznej po wewnętrznej stronie przegrody odseparowuje konstrukcję muru od ciepła znajdującego się w pomieszczeniach. Ogranicza to ilość zakumulowanego ciepła, która będzie oddawana z powrotem do wnętrza budynku. Zaletą ocieplenia od wewnątrz jest jednak zmniejszenie ilości energii koniecznej do ogrzania pomieszczeń do żądanej temperatury oraz skrócenie czasu nagrzewania.

Cechą charakterystyczną przegród ocieplonych od wewnątrz jest równomierny rozkład temperatury na powierzchni wewnętrznej (rys. 1, 2). Ma to duże znaczenie ze względu na ryzyko kondensacji pary wodnej oraz ochronę przed rozwojem pleśni, szczególnie w takich miejscach jak naroża ścian czy połączenia materiałów.

Tab. 2 Metody oceny kondensacji wewnątrzwarstwowej

Ochrona przed wilgocią

W zależności od położenia warstw izolacyjnych w przegrodzie rozkład temperatury różni się w zasadniczy sposób (rys. 3). Przy izolacji po zewnętrznej stronie warstwa konstrukcyjna ściany znajduje się w strefie temperatur dodatnich, często powyżej 10°C (zależnie od warunków i warstwy izolacyjnej). Warstwa izolacji termicznej po stronie wewnętrznej powoduje, że mur znajduje się w strefie temperatur niskich, w tym część muru w zasięgu temperatur ujemnych.

Taki rozkład temperatury sprawia, że kondensacja pary wodnej na powierzchni styku izolacji termicznej i muru nastąpi z dużo większym prawdopodobieństwem w przegrodzie ocieplonej od wewnątrz. Z tego względu projektowanie przegród ocieplonych od wewnątrz często wymaga każdorazowej analizy cieplno-wilgotnościowej.

Ochrona przed kondensacją pary wodnej na powierzchni oraz wewnątrz przegrody związana jest przede wszystkim z ograniczeniem ryzyka powstania zagrzybienia oraz występowania uszkodzeń konstrukcji na skutek długotrwałego zawilgocenia. Wymagania WT 2008 [4] określają:

– na wewnętrznej powierzchni przegrody nie może występować kondensacja pary wodnej umożliwiająca rozwój grzybów pleśniowych;

– we wnętrzu przegrody nie może występować narastające w kolejnych latach zawilgocenie spowodowane kondensacją pary wodnej. Dopuszcza się przy tym kondensację pary wodnej, wewnątrz przegrody w okresie zimowym, jeżeli struktura przegrody umożliwi wyparowanie kondensatu w okresie letnim i nie nastąpi przy tym degradacja materiałów budowlanych przegrody na skutek tej kondensacji.

W celu zachowania pierwszego warunku rozwiązania przegród zewnętrznych i ich węzłów konstrukcyjnych powinny charakteryzować się współczynnikiem temperaturowym f_Rsi o wartości nie mniejszej niż wymagana wartość krytyczna f_Rsi,min obliczona zgodnie z PN-EN ISO 13788 [7].

W budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej wartość krytyczną f_Rsi w pomieszczeniach o temperaturze wewnętrznej t_i ≥ 20^oC należy określać przy założeniu, że średnia miesięczna wartość wilgotności względnej powietrza wewnętrznego wynosi 50%. Jednocześnie dopuszcza się przyjmowanie wymaganej wartości f_Rsi,min równej 0,72.

Sprawdzenia drugiego warunku możnadokonać za pomocą obliczeń metodą Glasera (PN-EN ISO 13788) lub dokonując analizy niestacjonarnej za pomocą zaawansowanych programów komputerowych (tab. 2).

Stosowane rozwiązania materiałowo-konstrukcyjne zewnętrznych przegród budynku oraz wewnętrzne warunki cieplno-wilgotnościowe powinny uniemożliwiać powstanie zagrzybienia. Oznacza to, że materiały powinny być odporne na biodegradację, system wentylacji należy zaś projektować tak, aby ilość wymian powietrza gwarantowała odpowiednią wilgotność powietrza przy założonej produkcji pary wodnej.

Rys. 4 Rozkład wilgotności przegrody w zależności od krotności n wymian powietrza wewnątrz budynku; wyniki przykładowej niestacjonarnej analizy cieplno-wilgotnościowej w programie Wufi Pro: mur ceglany grub. 38 cm ocieplony od wewnątrz mineralnymi płytami izolacyjnymi 10 cm [8]

Rozwiązania ociepleń od wewnątrz

Spośród dostępnych rozwiązań ociepleń od wewnątrz rozróżnić można takie, które dopuszczają wnikanie pary wodnej z pomieszczeń do wnętrza przegrody, oraz takie, które to uniemożliwiają. W teorii te drugie blokują dostęp pary wodnej i nie dopuszczają do jej wykroplenia wewnątrz przegrody na styku izolacji i muru. Jest to korzystne rozwiązanie, ponieważ z definicji eliminuje ono ryzyko długotrwałego zalegania wilgoci pochodzącej z kondensacji pary wodnej w przegrodzie. Do rozwiązań tego typu należy popularne ocieplenie wełną mineralną z warstwą folii paroszczelnej. Tego typu ocieplenie wymaga jednak precyzyjnego montażu oraz może okazać się nietrwałe ze względu na nieszczelność powłoki paroszczelnej. Podobnym systemem są płyty poliuretanowe o wysokim oporze dyfuzyjnym, które wykazują się jednak bardzo wysoką palnością.

Drugim typem ocieplenia są systemy otwarte dyfuzyjnie, które z założenia dopuszczają kondensację pary wodnej wewnątrz przegrody. Warunkiem poprawnego działania tego typu systemu jest jednak utrzymanie odpowiedniego klimatu wewnątrz pomieszczeń, przede wszystkim wilgotności powietrza. Duże znaczenie ma w tym przypadku system wentylacji, który pośrednio wpływa na zawartość wilgoci wykraplającej się w przegrodzie (rys. 4). Materiałami stanowiącymi podstawę tego typu ociepleń są silikatowe płyty, tzw. klimatyczne, oraz mineralne płyty izolacyjne na bazie lekkiej odmiany betonu komórkowego. Oba materiały, obok dużej paroprzepuszczalności, charakteryzują się również zdolnością do podciągania kapilarnego wody. W przypadku występowania zawilgocenia przegrody na styku izolacji i muru materiały te odciągają wilgoć w kierunku powierzchni wewnętrznej, chroniąc przed punktowym narastaniem zawilgocenia. Zasada pracy tego typu ociepleń polega na sezonowym pochłanianiu i oddawaniu pary wodnej z i do pomieszczenia. Ich podstawową wadą jest montaż, który wymaga wyrównania podłoża przed wykonaniem właściwego ocieplenia, co może być problemem szczególnie w przypadku konstrukcji zabytkowych.

Tab. 3 Sposoby ocieplania od wewnątrz

Projektanci pracujący nad możliwością ocieplenia ścian zewnętrznych odwewnątrz powinni opierać się na możliwie jak najdokładniejszych danych, aby prawidłowo oszacować konsekwencje zmian warunków termicznych przegrody. Należy przy tym uwzględnić również możliwość zmiany sposobu użytkowania obiektu.

Wszystkie powyższe czynniki i opisane zjawiska sprawiają, że projektowanie warstw wewnętrznych izolacji termicznej jest dużo bardziej skomplikowane niż projektowanie izolacji zewnętrznych. Z drugiej strony coraz bardziej rozwinięte narzędzia analityczne wraz z odpowiednią wiedzą z zakresu fizyki budowli umożliwiają prawidłową ocenę możliwości ocieplenia budynków od wewnątrz.

mgr inż. Piotr Harassek

Bibliografia

1. G.A. Scheffler, Validation of hygrothermal material modelling under consideration of the hysteresis of moisture storage, rozprawa doktorska, Technische Universität Dresden, 2008.

2. H.M. Künzel, Verfahren zur einund zweidimensionalen Berechnung des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransports in Bauteilen mit einfachen Kennwerten, rozprawa doktorska, Universität Stuttgart, 1994.

3. K. Sedlbauer, „Vorhersage von Schimmelpilzbildung auf und in Bauteilen“, rozprawa doktorska, Universität Stuttgart, 2001.

4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2002 r. Nr 75, poz. 690 z późn. zm.).

5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 marca 2009 r. w sprawie szczegółowego zakresu i form audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a także algorytmu oceny opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego (Dz.U. z 2009 r. Nr 43, poz. 346).

6. PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.

7. PN-EN ISO 13788:2003 Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacja międzywarstwowa. Metody obliczania.

8. P. Harassek, Zeszyt techniczny: YTONG MULTIPOR – Ocieplanie od wewnątrz, Xella Polska Sp. z o.o., wydanie I, marzec 2012.