Pojemność cieplna ścian o konstrukcji szkieletowej drewnianej

Budownictwo jest jednym z najbardziej energochłonnych i emisyjnych sektorów gospodarki w naszym kraju. Równocześnie zmiany klimatyczne, obecnie zauważalne w coraz większym stopniu i przynoszące niepokojące wizje przyszłości, wymagają błyskawicznych działań zarówno na poziomie regulacji prawnych, jak i świadomych decyzji użytkowników. Potrzebne są nowe lub ulepszone technologie, które przyczynią się do zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego i osiągnięcia neutralności klimatycznej. Olbrzymi potencjał rozwojowy mają w tym aspekcie konstrukcje drewniane.

Budownictwo drewniane jest technologią naturalną, ekologiczną, odnawialną i o dużym potencjale ponownego wykorzystania. Wśród technologii drewnianych na szczególną uwagę zasługuje budownictwo szkieletowe prefabrykowane – jedna z najszybciej rozwijających się metod wznoszenia budynków. Cechą ujemną tego typu budynków jest niska pojemność cieplna, mająca znaczący wpływ na komfort użytkowania i efektywność energetyczną. W artykule zostanie zaprezentowane nowe podejście do zwiększenia pojemności cieplnej, a tym samym efektywności energetycznej i komfortu użytkowania w budynkach szkieletowych drewnianych.

>>> Nowoczesny dom z drewna – poznaj korzyści prefabrykacji

>>> Ściany szkieletowe – zasady konstruowania

>>> Drewniane budynki mieszkalne – rozwiązania konstrukcyjne

>>> Ciągła Ścieżka Obciążenia i jej znaczenie dla konstrukcji budynków szkieletowych

Fot. stock.adobe/Aleksandr Iwasenko

Rozwój rynku konstrukcji drewnianych

Budownictwo jest jednym z najszybciej rozwijających się sektorów gospodarki. W 2021 r. oddano do użytkowania 109,4 tys. nowych budynków mieszkalnych, tj. o 18,0% więcej w porównaniu z 2020 r. i o 38,9% więcej niż w 2017 r. Budynki jednorodzinne stanowiły 97,3% wszystkich budynków oddanych do użytkowania w 2021 r. Równocześnie można zauważyć wzrost zainteresowania technologiami nowymi, innymi niż tradycyjne polskie budownictwo murowane. Inwestorzy coraz większą wagę przykładają do zdrowia i ekologii, a takimi cechami wyróżnia się budownictwo drewniane.

W ciągu pięciu lat liczba budynków z drewna wzrosła ponaddwukrotnie. W 2020 r. wybudowano w Polsce 905 budynków w konstrukcji drewnianej [1], jednak potencjał tego rynku jest znacznie większy. Zdaniem ekspertów Polskich Domów Drewnianych każdego roku może powstawać w naszym kraju nawet 15 tys. budynków o konstrukcji drewnianej. Przewagą drewna nad tradycyjnymi materiałami, takimi jak cegła czy beton, jest naturalność, odnawialność i recykling [1].

Wymagania izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych

Budownictwo przechodzi obecnie gwałtowne zmiany dotyczące standardów energetycznych. Związane jest to ściśle ze zmianami klimatycznymi, wyczerpywaniem się surowców nieodnawialnych, pogarszającym się stanem środowiska naturalnego. Nowe technologie muszą być dostosowane do obowiązujących, bardzo restrykcyjnych wymagań związanych z efektywnością energetyczną budynków.

Od 2021 r. w Europie obowiązują rygorystyczne wymagania dla standardu budynków o niemal zerowym zużyciu energii (nZEB). W tab. 1 przedstawiono wymagania izolacyjności cieplnej dla ścian zewnętrznych w wybranych krajach europejskich oraz wymagania dla ścian zewnętrznych budynków pasywnych.

Tab. 1. Wymagania dotyczące współczynnika Uc dla ścian zewnętrznych obowiązujące w wybranych krajach UE
(nZEB) oraz dla budynków pasywnych

Aby spełnić wymagania izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych w polskim standardzie nZEB, ściany budynków drewnianych wykonanych z litych bali powinny mieć grubość ok. 70 cm [2], ściany z bali z ociepleniem – ok. 36 cm, natomiast ściany wykonane w technologii szkieletowej – ok. 24 cm, w zależności od przyjętych materiałów. Przy tej niewątpliwej zalecie, związanej z dobrą izolacyjnością przegród zewnętrznych budynków w technologii szkieletowej, zasadni- czą wadą (w budynkach całorocznych) jest ich niska pojemność cieplna.

Niska pojemność cieplna budynków o konstrukcji drewnianej powoduje, że szybko się one nagrzewają i równie szybko wychładzają. Jest to zaletą w przypadku domów weekendowych, których użytkownicy potrzebują w krótkim czasie ogrzać je podczas pobytu w sezonie zimowym. W przypadku budynków całorocznych jest to natomiast niedogodność, ponieważ przegrody z niską pojemnością cieplną nie akumulują ciepła.

>>> Budynek o niemal zerowym zużyciu energii – czy warto go budować?

>>> Standard nZEB w polskich realiach

Izolacyjność cieplna a pojemność cieplna

Izolacyjność cieplna to zdolność do przewodzenia ciepła przez dany materiał, charakteryzowana w przypadku materiałów budowlanych współczynnikiem przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)]. Parametr ten definiowany jest jako gęstość ustalonego strumienia ciepła, który przepływa przez jednolitą warstwę materiału, gdy spadek temperatury ∆T w stosunku do grubości warstwy d wynosi 1 K/m [3]. Materiały o bardzo dobrych właściwościach termoizolacyjnych charakteryzują się niskimi wartościami współczynnika λ. Zależą one od rodzaju materiału, zawartości wilgoci w jego porach, temperatury, kierunku przepływu ciepła [4]. W przypadku materiału suchego jego przewodność cieplna wzrasta wraz ze wzrostem gęstości objętościowej [3].

>>> Izolacyjność cieplna przegród zewnętrznych – sposoby oceny

Ściany szkieletowe drewniane charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami izolacyjności cieplnej. W przekroju poziomym przez ścianę szkieletową najwięcej miejsca zajmuje materiał termoizolacyjny (wełna lub styropian) o bardzo niskim współczynniku przewodzenia ciepła (λ na poziomie 0,04 W/(m·K)), podczas gdy współczynnik przewodzenia ciepła dla litego drewna (sosna, świerk w poprzek włókien) określany jest na poziomie 0,16 W/(m·K).

Pojemność cieplna to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1 m³ materiału o 1^oC. Pojemność cieplna zależy wprost proporcjonalnie od gęstości materiału i jego ciepła właściwego. Im większa jest gęstość objętościowa materiału i jego masa, tym więcej ciepła jest on w stanie zgromadzić, z reguły jednak wiąże się to z gorszymi parametrami termoizolacyjnymi [5]. Ciepło właściwe c [J/(kg·K)] informuje o ilości energii, jaką należy dostarczyć do 1 kg danego materiału, aby zwiększyć jego temperaturę o 1^oC.

W polskich przepisach techniczno-budowlanych [6] sformułowano restrykcyjne wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej przegród budowlanych, poprzez określenie wartości granicznych współczynnika przewodzenia ciepła (tab. 1), jednak nie ujęto wymagań związanych z akumulacją ciepła w przegrodach (pojemność cieplna). W tab. 2 przedstawiono parametry gęstości, izolacyjności cieplnej oraz pojemności cieplnej wybranych materiałów budowlanych.

Zapewnienie odpowiedniej pojemności cieplnej przegród może zdecydowanie poprawić bilans energetyczny budynku. Przegrody o dużej pojemności cieplnej oprócz poprawy bilansu energetycznego znacząco poprawiają stabilność warunków temperaturowych, klimat wewnętrzny i komfort cieplny. Magazynując energię dostarczaną z promieniowania słonecznego podczas słonecznych dni, uwalniają ją (emitują) w okresie wzmożonego zapotrzebowania w nocy. Przegrody o dużej pojemności cieplnej nie dopuszczają do przegrzewania pomieszczeń od promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię zewnętrzną, akumulując tę energię w swojej masie. Akumulacja ciepła w przegrodach budowlanych ma zatem znaczący wpływ na stabilne warunki temperaturowe panujące w pomieszczeniach, co bezpośrednio związane jest z lepszą efektywnością energetyczną i komfortem cieplnym. Stabilna temperatura wnętrza budynku to również ochrona przed występowaniem grzybów i pleśni na powierzchni ścian czy skraplaniem pary wodnej w warstwach przegród zewnętrznych. Duża pojemność cieplna zapobiega wahaniom temperatury w przegrodzie zewnętrznej.

Tab. 2. Gęstość, izolacyjność cieplna oraz pojemność cieplna wybranych materiałów budowlanych [7–10]

Sposoby zwiększenia pojemności cieplnej przegród szkieletowych

Jak wspomniano na początku artykułu, słabym punktem w konstrukcjach szkieletowych drewnianych jest niska pojemność cieplna. Spowodowane jest to dużą ilością lekkich materiałów termoizolacyjnych (wełna, styropian) o niewielkiej gęstości przypadających na 1 m² przegrody. Pozwala to oczywiście uzyskać przegrody o bardzo dobrych właściwościach izolacyjnych przy małej grubości ścian (niski współczynnik przewodzenia ciepła), jednak nie pozwala na akumulację dużej ilości ciepła w masie przegrody.

Pojemność cieplną przegród szkieletowych można zwiększyć np. dzięki zastosowaniu masywnych elementów wykończeniowych, takich jak tynki gliniane. Charakteryzują się one dużym ciepłem właściwym i gęstością, co przekłada się na wysoką akumulację ciepła. Równocześnie jest to surowiec naturalny i ekologiczny, sprzyjający zdrowiu mieszkańców, tworzący przyjazny mikroklimat w mieszkaniu. Substancje zawarte w glinie przeciwdziałają również powstawaniu pleśni i grzybów na ścianach [11].

Innym sposobem na poprawę stateczności cieplnej pomieszczeń jest wykorzystanie elementów wykończenia wnętrza o dużej pojemności cieplnej, np. masywnych posadzek betonowych. Ten cel można również osiągnąć dzięki zastosowaniu ściany akumulacyjnej wykonanej z betonu lub cegły wewnątrz pomieszczenia (ściana Trombe’a). Ideą działania takich przegród kolektorowo-akumulacyjnych jest konwersja promieniowania słonecznego docierającego do przegrody przez szybę na ciepło, które następnie jest pochłaniane przez absorber i akumulowane w masie ściany [12]. Zakumulowana energia cieplna w ścianie jest przekazywana drogą przewodzenia w kierunku pomieszczenia z odpowiednim przesunięciem fazowym względem godzin operacji słonecznej.

Efektywne zwiększenie pojemności (bezwładności) cieplnej budynku, bez znaczącego zwiększania jego masy, jest możliwe również dzięki zastosowaniu tzw. materiałów zmiennofazowych (ang. phase change materials – PCM) [9]. Ich duża pojemność cieplna (ciepło właściwe wielokrotnie wyższe niż standardowych materiałów budowlanych) jest wynikiem przemiany fazowej (topnienie – zestalanie) zachodzącej w zakresie zmian temperatury w pomieszczeniu. Materiały zmiennofazowe, pełniące rolę akumulatora ciepła w budynkach o konstrukcji lekkiej, można stosować np. jako domieszki do tynków lub okładziny z płyt zawierających w swojej strukturze PCM. Mogą być również wykorzystywane w postaci niewielkich zasobników rozmieszczonych w wolnych przestrzeniach budynku, np. nad sufitami podwieszanymi lub pod podłogą. Zastosowanie PCM pozwala na uzyskanie stabilizacji temperatury w pomieszczeniu w warunkach zmiennych obciążeń cieplnych [9].

Innowacyjnym rozwiązaniem zwiększającym pojemność cieplną jest zastosowanie aktywnej izolacji termicznej (ang. active thermal insulation – ATI) jako jednej warstwy w ścianach zewnętrznych. ATI polega na holistycznym podejściu do całego budynku jako do obiektu pozyskującego energię słoneczną i magazynującego ją w gruncie lub masywnym fundamencie. Zmagazynowana energia jest wykorzystana do zwiększenia pojemności przegród lekkich wykonanych w technologii szkieletowej drewnianej (ściany dostają pojemność cieplną gruntu lub betonu). Dodatkowo system ATI pozwala na znaczne ograniczenie strat ciepła przez przegrody nieprzezroczyste zimą oraz nie dopuszcza do przegrzewania pomieszczeń w sezonie letnim.

Zastosowanie aktywnej izolacji termicznej polega na tym, że w przegrodach zewnętrznych budynku w warstwie izolacji w specjalnie wyznaczonej płaszczyźnie należy umieścić wężownicę połączoną z wężownicą znajdującą się w magazynie ciepła zlokalizowanym w gruncie lub masywnym betonowym fundamencie o dużej pojemności cieplnej. Magazyn gruntowy doładowywany jest energią cieplną dzięki kolektorom słonecznym zlokalizowanym na dachu. W tym zamkniętym obwodzie wężownicy za pomocą małej pompy obiegowej krąży roztwór glikolu, który pobiera energię cieplną z magazynu i wprowadza ją pomiędzy warstwy ścian zewnętrznych. W efekcie zwiększa się pojemność cieplna ścian zewnętrznych (a właściwie otrzymują one pojemność cieplną magazynu gruntowego). Zastosowanie tego innowacyjnego rozwiązania pozwala na stabilizację warunków temperaturowych pomieszczeń, a także zmniejszenie strat cieplnych przegród zewnętrznych zimą od 50 do 80%.

Rozwiązanie aktywnej izolacji termicznej zostało zaimplementowane i sprawdzone w eksperymentalnym budynku mieszkalnym na Węgrzech. Od 14 lat w obiekcie prowadzone są badania oparte na rzeczywistych pomiarach, które potwierdzają poprawę efektywności energetycznej budynku przy zapewnieniu optymalnego komfortu użytkowania. System ATI został opatentowany przez pomysłodawcę – Tamasa Barkanyiego.

Na rys. przedstawiono zasadę działania systemu ATI – wykresy temperatur: wewnętrznej i zewnętrznej, temperatury w warstwie ATI oraz temperatury przy założeniu, że system ATI jest wyłączony. Różnica pomiędzy temperaturą wewnętrzną a temperaturą ATI (proporcjonalna do strat ciepła przez przegrodę) jest dużo mniejsza niż temperatura powietrza wewnętrznego i powietrza zewnętrznego. W artykule [3] autorzy wykazali, że redukcja strat cieplnych przez przegrodę w analizowanych okresach wynosi od 60 do 80%.

Rys. Temperatury: wewnętrzna i zewnętrzna, temperatura zarejestrowana w czynniku grzewczym ATI oraz obliczona temperatura w warstwie ATI przy założeniu, że czynnik grzewczy nie przenosi temperatury z magazynu gruntowego (dane z systemu pomiarowego Tamasa Barkanyiego)

Podsumowanie

Budynki wykonane z drewna w technologii szkieletowej charakteryzują się wysoką izolacyjnością termiczną, co pozwala na spełnienie restrykcyjnych wymagań cieplnych przy niewielkiej grubości ścian.

Minusem tej technologii jest niewielka masa termiczna i pojemność cieplna przegród, przez co budynki w niej wykonane szybko się nagrzewają i szybko tracą ciepło, akumulując niewiele ciepła w masie. Wśród kilku sposobów na poprawę stabilności warunków temperaturowych wewnątrz pomieszczeń warto zwrócić uwagę na zastosowanie aktywnej izolacji cieplnej (ATI) w konstrukcji ścian zewnętrznych. Pozwoli to na obniżenie strat ciepła przez przegrody oraz wprowadzi do przegrody lekkiej pojemność akumulatora gruntowego. Rozwiązanie ATI zostało przetestowane w eksperymentalnym budynku na Węgrzech.

Małgorzata Fedorczak-Cisak
Politechnika Krakowska, Małopolskie Laboratorium Budownictwa Energooszczędnego

Literatura

1. Strona internetowa Polskie Domy Drewniane SA, https://pddsa.com.pl/ (dostęp: 4.09.2022).
2. W. Nitka, Izolacyjność cieplna domów z bali, Inzynierbudownictwa.pl, 22.10.2014, https://inzynierbudownictwa.pl/izolacyjnosc-cieplna-domow-z-bali/ (dostęp: 8.09.2022).
3. H. Garbalińska, M. Bochenek, Izolacyjność termiczna a akumulacyjność cieplna wybranych materiałów ściennych, „Czasopismo Techniczne. Architektura” 2011, R. 108, z. 2-A/2, s. 89–96.
4. A. Siwińska, Związek między izotermą sorpcji a współczynnikiem przewodzenia ciepła porowatego materiału budowlanego, praca doktorska, Politechnika Szczecińska, Szczecin 2008.
5. I. Ickiewicz, Wpływ pojemności cieplnej na bilans cieplny budynku, „Czasopismo Techniczne. Budownictwo 2012, R. 109, z. 2-B, s. 185–192.
6. Rozporządzenie Ministra Rozwoju z dnia 16 września 2020 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2020 r. poz. 1608).
7. K. Kurtz, Zestawienie parametrów fizycznych materiałów/wyrobów budowlanych wg PN-EN ISO 12524:2003, PN-EN ISO 6946:1999 i PN-91/B-02020, http://kurtz.zut.edu.pl/fileadmin/BE/Tablice_materialowe.pdf.
8. ISO 12524:2000 Building materials and products – Hygrothermal properties.
9. M. Jaworski, Zastosowanie materiałów zmiennofazowych (PCM) do zwiększenia bezwładności cieplnej budynków, Izolacje.com.pl, 30.01.2009, https://www.izolacje.com.pl/artykul/sciany-stropy/153762,zastosowanie-materialow-zmiennofazowych-pcm-do-zwiekszenia-bezwladnosci-cieplnej-budynkow (dostęp: 4.09.2022).
10. M. Jaworski, Materiały zmiennofazowe (PCM) do zastosowań w budownictwie, „Polska Energetyka Słoneczna” 2008, nr 1-4, s. 57–60.
11. S. Bobbe, Tynki gliniane – charakterystyka i ich zastosowanie we współczesnym budownictwie, Regiodom.pl, 3.07.2017, https://regiodom.pl/tynki-gliniane-charakterystyka-i-ich-zastosowanie-we-wspolczesnym-budownictwie/ar/ c9-15560824 (dostęp: 4.09.2022).
12. J. Szyszka, L.I. Lichołai, A. Starakiewicz, Rozwiązania materiałowe ścian kolektorowo-akumulacyjnych, Abc-sciany.pl, 15.01.2008, http://abc-sciany.pl/rozwiazania-materialowe-scian-kolektorowo-akumulacyjnych/ (dostęp: 4.09.2022).
13. T. Kisilewicz, M. Fedorczak-Cisak, T. Barkanyi, Active thermal insulation as an element limiting heat loss through external walls, „Energy and Buildings” 2019, Vol. 205, s. 1–13.