Bardzo ważnym aspektem strat ciepła przez podłogi jest izolacyjność cieplna węzłów powstających na połączeniu podłogi ze ścianą zewnętrzną.
W literaturze omawiającej zagadnienia fizyki budowli przegród budowlanych i charakterystyki energetycznej budynków wymieniane są m.in. właściwości cieplne stropów i podłóg, stanowiących fragment osłony cieplnej pomieszczeń ogrzewanych. Warunki techniczne podają wartości dopuszczalne parametrów, jakie muszą spełniać te konstrukcje w zakresie izolacyjności cieplnej. Wymagania w zakresie energooszczędności stosunkowo łatwo jest spełnić dla tych konstrukcji w budynkach nowo realizowanych, natomiast zazwyczaj sprawia to dużym problem w obiektach poddawanych działaniom termomodernizacyjnym. Istotne różnice występują w wymaganiach odnoszących się do podłóg ogrzewanych i nieogrzewanych. Przepisy nie regulują jednoznacznie właściwości wspomnianych konstrukcji pod względem ich wpływu na odczucia cieplne czy komfort cieplny użytkowników danych pomieszczeń. Nie należy również zapominać o izolacyjności akustycznej.
Przez pojęcie podłoga rozumie się poziomą przegrodę budowlaną składającą się z reguły z kilku warstw, pełniących różne funkcje. Należy wymienić warstwy: podkładowa, wyrównawcza, izolacyjna (z izolacją cieplną i/lub akustyczną), oraz powłoki: wodochronna i/lub parochronna. Cały ten układ warstwowy umieszczony jest na warstwie konstrukcyjnej lub wkomponowany w układ nośny, jak ma to miejsce np. w przypadku podłóg na legarach, gdzie izolacja cieplna lub akustyczna może wypełniać przestrzenie między belkami. Elementem konstrukcyjnym w podłogach na gruncie jest zazwyczaj płyta położona na gruncie lub warstwie podbudowy, natomiast w podłogach nad pomieszczeniami lub przestrzeniami powietrznymi – strop. Nieodłącznym elementem podłogi jest warstwa lub powłoka wykończeniowa od strony pomieszczenia, niezależnie od zastosowanego materiału określana jako posadzka. Często błędnie posadzka określana jest jako podłoga. W artykule skoncentrowano się na podstawowych właściwościach cieplnych podłóg.
Wpływ na straty ciepła przez podłogi ma cała konstrukcja podłogi, natomiast na procesy aktywności cieplnej wpływ może mieć jedna, a czasami dwie lub trzy warstwy podłogi, licząc od góry. Przy czym największy wpływ ma zawsze warstwa pierwsza, wierzchnia. Dlatego dla czytelności prezentowanych zagadnień w przypadku przenikania ciepła odnoszone będzie ono do właściwości podłogi wraz z jej konstrukcją nośną, a w przypadku aktywności cieplnej, ciepłochłonności, mowa będzie o właściwościach posadzki (mimo że czasami na aktywność cieplną posadzki mają wpływ również warstwy podłogi leżące pod posadzką). Takie podejście do zagadnienia oceny konstrukcji podłogi pod względem cieplnym podyktowane jest tym, że na straty ciepła z pomieszczeń mogą mieć wpływ nie tylko właściwości izolacyjne konstrukcji przegrody. Pewien wpływ na straty ciepła mogą mieć również odczucia cieplne użytkowników, którzy w zależności od tego, czy czują zimno czy ciepło, mogą się decydować na podwyższenie lub obniżenie temperatury powietrza w pomieszczeniu. Niestety, problem oddziaływania stropu z posadzką lub podłogi na gruncie na odczucia użytkowników budynków nie znajduje należnego miejsca w opracowaniach projektowych.
Wymagania dotyczące ochrony cieplnej
Podstawowym wymogiem w zakresie oszczędności energii i ochrony cieplnej budynków jest konieczność spełnienia odpowiedniego poziomu rocznego obliczeniowego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej (tab. 1) [1]. Pewien wpływ na ten parametr mają właściwości izolacyjne podłogi.
Tab. 1 Zestawienie wymaganej wartości cząstkowej maksymalnej wartości wskaźnika EPH+W na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, w zależności od rodzaju budynku [1]
Ważnym parametrem związanym z właściwościami energetycznymi budynków, charakteryzującym izolacyjność cieplną podłogi wraz z jej warstwą konstrukcyjną, jest współczynnik przenikania ciepła UC, wyrażany w W/(m2K). O wartości tego współczynnika i wynikających z tego tytułu stratach ciepła przez tę przegrodę decydują przede wszystkim opory cieplne poszczególnych warstw i opory przejmowania ciepła na powierzchniach przegrody. W przypadku podłogi na gruncie dodatkowo na wartość współczynnika UC wpływa opór cieplny warstwy gruntu, w szczególności w strefie krawędziowej podłogi, a w konstrukcjach stopów nad przejazdami, podcieniami itp., opór cieplny warstwy izolacji cieplnej montowanej od spodu takiego stropu.
Według obecnych przepisów, niezależnie od rodzaju budynku, wymagany poziom izolacyjności cieplnej konstrukcji, w których występują podłogi, kształtuje się następująco – tab. 2. [1].
Tab. 2 Zestawienie wymaganej wartości maksymalnej współczynnika przenikania ciepła Uc(max) dla przegród z podłogą [1], w zależności od temperatury obliczeniowej powietrza w pomieszczeniach t lub różnicy temperatury między pomieszczeniami Δti [1]
W przypadku budynków gospodarczych, magazynowych lub produkcyjnych dopuszcza się przyjmowanie większych wartości współczynnika UC, jeżeli uzasadnia to rachunek efektywności ekonomicznej inwestycji obejmującej koszty realizacji i eksploatacji budynku. Z zapisu tego wynika, że niezbędne jest w takiej sytuacji wykonanie analizy kosztów w pewnym cyklu życia technicznego inwestycji, czyli swoistego rodzaju audytu energetycznego budynku i danej przegrody budowlanej. Przepisy nie precyzują jednak formy i zakresu wykonania wspomnianej analizy.
Tendencje rozwoju standardów izolacyjności cieplnej przegród budowlanych w Polsce wyznaczają m.in. wymagania opracowane dla budynków pasywnych i energooszczędnych (tab. 3).
Tab. 3 Zestawienie granicznych wymaganych wartości współczynnika przenikania ciepła Uc(wym) dla przegród z podłogą wg wytycznych budownictwa pasywnego oraz typu NF 15 i NF 40
Zgodnie z rozporządzeniem [1] przy projektowaniu przegród stykających się z gruntem należy uwzględniać również inny wymóg odnoszący się do właściwości termoizolacyjnych. Otóż w budynku mieszkalnym, budynku zamieszkania zbiorowego, budynku użyteczności publicznej, a także budynku produkcyjnym, magazynowym i gospodarczym, w ogrzewanym pomieszczeniu, na obwodzie podłogi na gruncie, tj. w miejscu połączenia ze ścianą zewnętrzną, powinna być umieszczona warstwa izolacji cieplnej o oporze cieplnym nie mniejszym niż 2,0 m2 K/W. W rozporządzeniu brak jest jednak danych precyzujących, jakiej szerokości powinien być wspomniany pas izolacji cieplnej. Biorąc pod uwagę wytyczne poprzedniej normy cieplnej, można przyjąć szerokość pasa izolacji, umieszczonej poziomo w podłodze lub w pionie na ścianie fundamentowej czy piwnicznej, nie mniejszą niż 1 m. W przypadku tej izolacji występuje pewna nieścisłość w odniesieniu do terminologii podanej w warunkach budowlanych i normie PN-EN ISO 13370:2008 Właściwości cieplne budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metody obliczania. Określana jest ona tam jako izolacja krawędziowa, uwzględniana w wartości współczynnika przenikania ciepła jako efekt liniowego mostka cieplnego.
Opory cieplne warstw przegrody i współczynniki przenikania ciepła przegród stykających się z powietrzem wyznaczać należy według metodologii opisanej w PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania. Natomiast współczynniki przenikania ciepła przegród stykających się z gruntem należy wyznaczać według normy PN-EN ISO 13370. Norma ta uwzględnia trzy przypadki obliczeniowe: podłoga na gruncie, podłoga podniesiona, podłoga w budynku z podziemiem ogrzewanym.
Parametry cieplne podłóg nieogrzewanych
Innym ważnym zagadnieniem związanym z odpowiednią ochroną cieplną budynku jest minimalizacja strat ciepła w miejscach potencjalnych mostków cieplnych liniowych. Takim miejscem jest m.in. połączenie ściany zewnętrznej z podłogą na gruncie lub stropem nad przestrzeniami nieogrzewanymi. W tym względzie nie zostały ustanowione wymagania prawne. Można za to znaleźć zalecenia odnoszące się do tego rodzaju newralgicznych miejsc w wytycznych projektowania budynków energooszczędnych lub pasywnych. Dla budynków w standardzie NF 40 współczynnik przenikania ciepła liniowego mostka cieplnego nie powinien przekraczać Ψe
Tab. 4 Zestawienie granicznych wymaganych wartości współczynnika przenikania ciepła liniowego mostka cieplnego na połączeniu ściany zewnętrznej z podłogą na gruncie wg wytycznych budownictwa pasywnego oraz energooszczędnego w standardzie NF 15 i NF 40
Zaprezentowane wartości są bardzo niskie i dlatego spełnienie tego zapisu wymaga odpowiedniego podejścia przy projektowaniu i wykonywaniu tych newralgicznych miejsc w strukturze budynku. Dla porównania wartości tego współczynnika zawarte w normie PN-EN ISO 14683:2008 Mostki cieplne w budynkach – Liniowy współczynnik przenikania ciepła – Metody uproszczone i wartości orientacyjne, kształtują się dla podłóg na gruncie w przedziale 0,50-0,65 W/(m K), natomiast dla najczęściej spotykanych schematów podłóg nad pomieszczeniami i przestrzeniami nieogrzewanymi – w przedziale 0,50-0,75 W/(m K). Zgodnie z nazwą normy podaje ona wartości orientacyjne, dlatego mogą służyć jedynie do przybliżonego szacowania strat ciepła przez liniowe mostki cieplne. Zaleca się, aby przy sporządzaniu charakterystyki energetycznej budynków korzystać z metod dokładniejszych. Wartości współczynnika przyjmowane wg katalogów mostków cieplnych oceniane są na ±20%. Najdokładniejsze wyniki uzyskuje się przy wykorzystywaniu metod obliczeniowych opartych na normie PN-EN ISO 10211 Mostki cieplne w budynkach – Strumienie ciepła i temperatury powierzchni – Obliczenia szczegółowe. Szacuje się, że dokładność takich obliczeń wynosi ±5% [2].
O tym, że sugerowanie się wytycznymi normy PN-EN ISO 14683:2008 w zakresie parametrów cieplnych mostków liniowych jest obarczone dużym błędem, świadczą chociażby wyniki obliczeń podane w pracy [3]. Zamieszczone tam wartości współczynników dla stosowanych często połączeń ściany zewnętrznej z podłogą na gruncie dochodzą do wartości 0,92 W/(m K).
Współczynnik przenikania ciepła przegrody wraz z uwzględnieniem efektu dodatkowych strat ciepła przez mostki cieplne wykorzystywany jest do wyznaczania obciążenia cieplnego pomieszczeń oraz wskaźników zapotrzebowania na ciepło w charakterystyce energetycznej budynków. Ponieważ udział strat ciepła w budynkach przez mostki cieplne wraz z poprawą izolacyjności cieplnej przegród rośnie i może dochodzić do 20%, stąd konieczność z jednej strony dokładnego określania danej składowej strat, a z drugiej strony szukania rozwiązań minimalizujących efekt mostka cieplnego.
W przypadku konstrukcji podłóg wymagane jest bezwzględnie stosowanie solidnej izolacji obwodowej, krawędziowej. Zalecać należy również wykorzystywanie elementów zapewniających uzyskanie ciągłości izolacji cieplnej na połączeniu izolacji pionowej w ścianie zewnętrznej z poziomą w podłodze lub stropie. W tym przypadku wymienić można tego rodzaju komponenty, określane jako bloczki izolacyjne lub kształtki cokołowe, jak np.: Novomur firmy Schóck, Isomue firmy Stahlton czy Perinsul firmy Foamglas. Stosowanie wymienionych zasad pozwala niejednokrotnie na uzyskanie ujemnej wartości współczynnika przenikania ciepła liniowego mostka cieplnego Ψe, co wskazuje na stworzenie w takim węźle lepszych warunków izolacyjnych niż występują w przegrodach tworzących dany węzeł konstrukcyjny.
Podczas wyznaczania wartości współczynnika liniowego mostka cieplnego określona może być również wartość temperatury na powierzchni przegrody. Od tej wartości, przy uwzględnieniu wilgotności powietrza w pomieszczeniu zależy, czy wystąpią na niej warunki sprzyjające rozwojowi pleśni lub kondensacji powierzchniowej, wyrażone współczynnikiem temperaturowym fRsi. Warunek ten sprawdzany jest wg metodologii zawartej w PN-EN ISO 13788:2003 Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacji międzywarstwowej. Metody obliczania. W metodologii dokładnego analizowania parametrów temperaturowych należy szukać miejsc o najniższej temperaturze powierzchniowej, którymi niejednokrotnie okazują się być miejsca na połączeniu podłogi ze ścianą zewnętrzną. W przypadku stwierdzenia możliwości wystąpienia ryzyka rozwoju pleśni lub kondensacji powierzchniowej niezbędne jest przekonstruowanie takiego węzła. Współczynnik przenikania ciepła służy nie tylko do wyznaczania strat ciepła przez przegrodę budowlaną, ale pozwala również określić wartość temperatury powierzchni przegrody/posadzki. Temperatura powierzchniowa wpływa w tym przypadku na wartość temperatury odczuwalnej, uwzględniającej mimo temperatury powietrza również temperaturę powierzchni otaczających pomieszczenie. Na podstawie jej wartości można ocenić odczucia cieplne użytkowników pomieszczeń. Zbyt niska lub zbyt wysoka temperatura powierzchni posadzki przekłada się na tworzenie dyskomfortu.
Niska temperatura powierzchni przegród to również naturalna potrzeba podniesienia temperatury powietrza w celu uzyskania przez użytkowników komfortowych warunków użytkowania. I odwrotnie, wyższa temperatura powierzchni to pojawienie się możliwości obniżenia temperatury powietrza w pomieszczeniu, bez pogorszenia odczuć cieplnych. Dodatkowo wyższa temperatura powierzchni przegród otaczających pomieszczenie to efekt oszczędnościowy uzyskiwany dzięki zmniejszeniu ilości energii niezbędnej na pokrycie potrzeb grzewczych pomieszczenia.
Wraz ze wzrostem wartości współczynnika przenikania ciepła spada wartość temperatury na powierzchni posadzki. Jednak przy bardzo dobrej izolacyjności cieplnej konstrukcji przegrody temperatura powierzchni posadzki, niezależnie od warunków zewnętrznych, pozostaje praktycznie stabilna.
Parametry cieplne podłóg ogrzewanych
W przypadku podłóg ogrzewanych w normie PN-EN 1264-3:2009 Ogrzewanie podłogowe – System i jego części składowe można znaleźć wymagania dotyczące tylko izolacyjności cieplnej warstwy znajdującej się pod warstwą grzewczą. W normie tej nie uwzględniono przypadku stropu nad przejazdem, podcieniem itp. Z porównania powyższych wymagań z wymaganiami odnoszącymi się do izolacyjności cieplnej przegród chłodzących w budynkach ogrzewanych wynika, że są one niewystarczające (tab. 5). Szacunkowe minimalne wartości oporu cieplnego warstwy izolacji cieplnej wyznaczono z wartości 1/Uc[max], po odjęciu oporów przejmowania ciepła Rsi i Rse oraz oporu pozostałych warstw na poziomie 0,15 m2K/W. Szczególnie duże dysproporcje między wymaganiami wynikającymi z warunków budowlanych i dotyczących izolacji cieplnej konstrukcji z ogrzewaniem podłogowym występują w przypadku stropu nad pomieszczeniem nieogrzewanym lub zamkniętą przestrzenią podpodłogową.
Tab. 5 Zestawienie granicznych wymaganych wartości współczynnika przenikania ciepła liniowego mostka cieplnego na połączeniu ściany zewnętrznej z podłogą na gruncie wg wytycznych budownictwa pasywnego oraz energooszczędnego w standardzie NF 15 i NF 40
Ponadto w przypadku konstrukcji podłogi ogrzewanej należałoby w szczególny sposób, inny niż w przypadku podłóg nieogrzewanych, podchodzić do kwestii zapewnienia izolacyjności cieplnej i określania strat ciepła. Ponieważ element z warstwą grzewczą powinien dostarczać ciepło do pomieszczenia, a nie na zewnątrz budynku czy do przestrzeni nieogrzewanych, wymaganą w warunkach technicznych izolacyjność cieplną (współczynnik UC) należy uzyskać dla części przegrody znajdującej się za warstwą grzewczą.
Innym ważnym zagadnieniem jest odpowiednia izolacja cieplna w miejscu mostków liniowych na połączeniu podłogi ze ścianą zewnętrzną. Przy zastosowaniu ogrzewania podłogowego następuje zmiana właściwości cieplnych tej przegrody. Ciepło z rur grzewczych wpływa na zwiększenie, czasami bardzo znacznie, gęstości strumienia ciepła przepływającego przez przegrodę. Miejscami szczególnie narażonymi na straty ciepła jest połączenie ściany zewnętrznej z podłogą na gruncie, ze stropem nad piwnicą, płytą balkonową i inne. W [4] pracy podano zależności graficzne wartości współczynnika dla różnych układów konstrukcyjnych przegród z ogrzewaniem podłogowym i różnej wartości temperatury wody zasilającej w ciepło system grzewczy. Wynika z nich, że w przypadku zastosowania systemu grzewczego w stropie na połączeniu ze ścianą zewnętrzną współczynnik Ψ
Tab. 6 Zestawienie wymaganych wartości wskaźników służących do oceny odpowiedniej klasy pomieszczeń w zależności od parametrów określających warunki komfortu cieplnego wg normy PN-EN ISO 7730:2006
Odczucia cieplne w pomieszczeniach z podłogami
Ocena komfortu ciepła ludzi przebywających w pomieszczeniu określana jest na podstawie wskaźników uwzględnionych w przepisach normowych. Norma – PN-EN ISO 7730:2006 Ergonomia. Środowisko termiczne umiarkowane. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego – podaje podział pomieszczeń na kategorie A, B i C, zróżnicowane pod względem odczuć cieplnych. Kategoria A pomieszczenia odnosi się do najwyższych wymagań odczuć komfortu cieplnego, B – średnich, natomiast C – umiarkowanych. Do pomieszczeń o szczególnie wysokich wymaganiach zalicza się np. szpitale, baseny, żłobki czy przedszkola; do kategorii B pomieszczenia biurowe, natomiast do kategorii C pomieszczenia biurowe o obniżonym standardzie. Poszczególne kategorie opisywane są przez wskaźniki, takie jak: PMV – wskaźnik przewidywanego przeciętnego odczucia, PPD – wskaźnik procentowy osób niezadowolonych z warunków termicznych odczuwalnych przez ciało, dopuszczalne procentowe poziomy osób odczuwających dyskomfort wywołany przez czynniki: DR – przeciąg, PD: pionową różnicę temperatury albo ciepłą lub zimną podłogę albo asymetrię temperatury promieniowania.
Dyskomfort lokalny wyraża się wskaźnikiem PD:
PD = 100 – 94exp (- 1,387 + 0,118θ
gdzie: θ F,m – temperatura powierzchni posadzki [oC].
Z obliczeń wynika, że pomieszczenia zaliczane do kategorii A i B powinny się charakteryzować temperaturą powierzchni posadzki w zakresie od 19 do 28oC, a w przypadku kategorii C od 17 do 30oC. Najkorzystniejsze warunki uzyskuje się przy temperaturze powierzchniowej równej ok. 23,5oC.
Aby uzyskać efekt komfortowych odczuć u użytkowników i zminimalizować straty ciepła, należy stosować konstrukcje dla pomieszczeń z kategorii A i B o współczynniku przenikania ciepła nieprzekraczającym 0,15 W/(m2K), a dla kategorii C o współczynniku przenikania ciepła nieprzekraczającym 0,30 W/(m2K).
dr inż. Adam Ujma
Politechnika Częstochowska
Literatura
- Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2015 r. poz. 1422).
- A. Dylla, K. Pawłowski, P. Rożek, Analiza metody obliczania strat ciepła do gruntu z wykorzystaniem normy PN-EN ISO 14683:2008, „Izolacje” nr 2/2016.
- K. Pawłowski, Projektowanie podłóg, stropów i ich złączy w kontekście nowych wymagań cieplnych, cz. 2 Obliczenia parametrów fizykalnych, „Izolacje” nr 3/2015.
- A.J. Werner-Juszczuk, Wpływ ogrzewania podłogowego na wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 12/2015.
