Problem strat ciepła przez podłogi w kontekście energooszczędności i odczuć cieplnych – cz. II

Podstawowe parametry charakteryzujące aktywność cieplną posadzki

Aktywność cieplna przegrody budowlanej związana jest ze zjawiskiem pochłaniania i oddawania ciepła, przebiegającym w warunkach dynamicznych oddziaływań cieplnych na konstrukcje budowlane. Jednym z tych procesów są wzajemne oddziaływania konstrukcji podłogi, szczególnie posadzki, na stopę człowieka i związane z tym jego odczucia cieplne. Problemowi temu poświęca się stosunkowo niewiele uwagi, chociaż proces ten w dużej mierze wpływa na odczucia związane z komfortem użytkowania pomieszczeń. Ciepłochłonność posadzek, charakteryzująca zdolność konstrukcji do przyswajania ciepła przez stopy człowieka, uzależniona jest od konstrukcji, a zwłaszcza rodzaju materiału zastosowanego na warstwę wierzchnią podłóg. Właściwości ciepłochłonne posadzek, w tym wykonanych w różnego rodzaju drewna, oraz porównanie ich w przypadku zastosowania innych materiałów, omówione będą w dalszej części tekstu.

O aktywności cieplnej przegrody budowlanej decydują przede wszystkim zastosowane w niej materiały, a przede wszystkim następujące parametry fizyczne tych materiałów: ciepło właściwe cp, współczynnik przewodności cieplnej X, współczynnik wyrównywania temperatury a, współczynnik przyswajania ciepła s₂₄. Współczynnik wyrównywania temperatury a wyraża prędkość, z jaką dochodzi do wyrównywania się temperatury w rozpatrywanym materiale. Wykorzystywany jest więc m.in. przy analizowaniu nieustalonych procesów cieplnych przebiegających w konstrukcjach poddawanych zmiennym w czasie oddziaływaniom termicznym. Przy wyższych wartościach współczynnika a, podczas nagrzewania czy też ostygania ciała, w różnych jego punktach szybciej następuje zrównanie się temperatur (czy też ustabilizowanie warunków termicznych). Szczególnie korzystnie pod tym względem zachowuje się drewno. Charakteryzuje się ono kilkakrotnie niższą wartością współczynnika a niż wiele innych materiałów budowlanych, w szczególności konstrukcyjnych, co w decydującym stopniu wpływa na bardzo dobrą stateczność cieplną konstrukcji drewnianych. Właściwość ta ulega nieznacznemu pogorszeniu jedynie w miejscach, gdzie dochodzi do przewodzenia ciepła wzdłuż włókien materiału drewnianego, na skutek przyrostu wartości współczynnika przewodzenia ciepła. Wartość współczynnika wyrównywania temperatury drewna maleje również wraz ze wzrostem jego wilgotności. Współczynnik przyswajania ciepła s₂₄ jest innym parametrem wykorzystywanym przy analizowaniu nieustalonych warunków cieplnych występujących w konstrukcjach budowlanych. Charakteryzuje on zdolność materiału do pochłaniania ciepła przy wahaniach temperatury na powierzchni materiału. W tym przypadku przy wzroście wartości współczynnika s₂₄ wzrasta intensywność tego procesu.

Rys. Charakter zmiany współczynnika ciepłochłonności b posadzek o różnej konstrukcji w zależności od grubości warstwy wierzchniej

Innym parametrem związanym ze zjawiskiem przyswajania ciepła jest współczynnik ciepłochłonności b, wyrażany w W/(m² K), lub ciepłochłonności (aktywności cieplnej posadzki) B, wyrażamy w W s^1/2/(m² K). Stosowane one są m.in. przy ocenie zdolności górnej warstwy podłóg do odbioru ciepła z ludzkiej stopy.

Podłogi, w szczególności wykonane z drewna, charakteryzują się bardzo korzystnymi właściwościami związanymi z przyswajaniem ciepła ze względu na to, że współczynnik aktywności cieplnej drewna jest jednym z najniższych dla grupy materiałów wykorzystywanych w tym komponencie budowlanym. Dla drewna sosnowego kształtuje się on w przedziale 450-480 W s^1/2/(m² K), przy przepływie ciepła poprzecznie do włókien, i 700 -730 W s^1/2/(m² K), przy przepływie ciepła wzdłuż włókien. Natomiast dla drewna dębowego jest większy, w przedziale 600-680 W s^1/2/(m² K), przy przepływie ciepła poprzecznie do włókien, i 800-900 W s^1/2/(m² K), przy przepływie ciepła wzdłuż włókien. Posadzki drewniane zalicza się z reguły do grupy podłóg ciepłych, to jest takich, na których po chwilowym odczuciu chłodu przy zetknięciu stopy z jej powierzchnią następuje stopniowy wzrost temperatury w miejscu kontaktu stopy z podłogą.

Podłogi wykończone posadzkami drewnianymi lub z płyt korkowych wymieniane są jako te, które pozwalają na uzyskanie optymalnej komfortowej temperatury powierzchniowej, dla odczuć związanych z kontaktem bosą stopą z taką powierzchnią, znacznie niższej od większości innych podłogowych materiałów wykończeniowych [5]. W literaturze opisującej właściwości konstrukcji podłóg i posadzek znaleźć można dane dotyczące wymagań lub zaleceń związanych z ciepłochłonnością posadzek (tab. 7* [6] i tab. 8 [7]). W poradniku [8] podana jest klasyfikacja posadzek pod względem aktywności cieplnej (odczuć cieplnych) wyrażona współczynnikiem ciepłochłonności B. Odpowiednim zakresom wartości aktywności odpowiada rodzaj odczucia cieplnego: do 350 – ciepło; 350-700 – wystarczająco; 700-1400 – zbyt chłodno; powyżej 1400 – zimno.
Założenia i metodologię wyznaczania współczynnika ciepłochłonności posadzki b oraz wyniki jego obliczeń dla różnych rozwiązań materiałowych z zastosowaniem drewna na posadzce przytoczono w opracowaniu [9]. Porównanie ciepłochłonności analizowanych w pracy [10] konstrukcji posadzek zaprezentowano na wykresie (rys.). Z przebiegu linii współczynnika b wynika, że w konstrukcjach ciężkich posadzek wykończonych kamieniem naturalnym lub płytami ceramicznymi, w odróżnieniu od konstrukcji drewnianych, występuje pogorszenie właściwości związanych z ciepłochłonnością wraz ze wzrostem grubości wierzchniej warstwy wykończeniowej. Aktywność cieplna takich posadzek rośnie, przy czym aktywniejsza w tym zakresie jest konstrukcja posadzki z płyt marmurowych. Konstrukcje te można zaliczyć do spełniających wymagania tylko w pomieszczeniach klasy III (tab. 7). Korzystnie natomiast wypadła posadzka wykonana z paneli drewnianych ułożonych na piance polietylenowej o grubości 5 mm i warstwie betonowej o grubości 4 cm. Współczynnik b takiej posadzki okazał się niższy, co wskazuje na mniejsze zdolności do przyswajania ciepła niż dla posadzki wykonanej w postaci parkietu z drewna dębowego.

Tab. 8 Wymagania w zakresie ciepłochłonności podłóg przy założeniu minimum 10-minutowego kontaktu stopy z podłogą [7]

Wnioski

1. Spośród parametrów charakteryzujących podłogi i posadzki można wyodrębnić dwie grupy, jedną związaną z procesami przenikania ciepła i stratami ciepła, drugą związaną z właściwościami ciepłochłonnymi.
2. Wraz ze wzrostem izolacyjności cieplnej radykalnie wzrasta wartość temperatury na powierzchni posadzek. Ma to istotne znaczenie w kształtowaniu się temperatury odczuwalnej i warunków zabezpieczających przed ryzykiem rozwoju pleśni i kondensacji powierzchniowej pary wodnej.
3. Bardzo ważnym aspektem strat ciepła przez podłogi jest izolacyjność cieplna węzłów powstających na połączeniu podłogi ze ścianą zewnętrzną. Udział strat ciepła przez tworzące się w tym miejscu liniowe mostki cieplne jest znaczący. W praktyce projektowej należy w tych miejscach stosować izolacje krawędziowe o bardzo dobrych parametrach lub/i kształtki izolacyjne pozwalające łączyć izolację cieplną w podłodze z izolacją cieplną w ścianie zewnętrznej. Natomiast w obliczeniach strat ciepła należy stosować metody dokładnego wyznaczania wartości współczynników przenikania ciepła liniowych mostków cieplnych, na bazie katalogów mostków, a najlepiej przy wykorzystaniu programów obliczeniowych.
4. Odpowiednie podejście do izolowania węzłów konstrukcyjnych podłoga – ściana zewnętrzna, w celu minimalizowania efektu mostka cieplnego liniowego, najwyraźniej ujawnia się w przypadku stosowania ogrzewania podłogowego. Niedostateczna izolacja cieplna w tym miejscu powoduje wzrost strat ciepła i pogorszenie efektywności działania systemu grzewczego.
5. Z porównania wymagań dotyczących oporu cieplnego warstwy izolacyjnej pod warstwą grzewczą w podłogach ogrzewanych, z wymaganiami odnoszącymi się do izolacyjności cieplnej przegród chłodzących w budynkach ogrzewanych wynika, że są one niewystarczające. 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.
6. Istotnym aspektem w odniesieniu do strat ciepła z pomieszczeń okazują się odczucia cieplne użytkowników pomieszczeń, w tym związane z temperaturą powierzchni podłogi. Przy zbyt niskiej temperaturze i poczuciu chłodu są oni skłonni do podwyższania temperatury powietrza, a w konsekwencji wzrostu strat ciepła. Z kolei przy podwyższeniu temperatury powierzchni przegród, które powinno skutkować obniżeniem temperatury powietrza, należy oczekiwać obniżenia strat ciepła.
7. W celu uzyskania efektu komfortowych odczuć u użytkowników i zminimalizowania strat ciepła analizowane w artykule konstrukcje połóg na stropie nad przejazdem, podcieniem itp., o współczynniku przenikania ciepła nieprzekraczającym 0,15 W/(m² K), należy stosować dla pomieszczeń kategorii A i B, a dla kategorii C o współczynniku przenikania ciepła nieprzekraczającym 0,30 W/(m² K).
8. W posadzkach wykończonych kamieniem naturalnym lub płytami ceramicznymi, w odróżnieniu od konstrukcji drewnianych, następuje pogorszenie właściwości związanych z ciepłochłonnością wraz ze wzrostem grubości warstwy wykończeniowej. W konsekwencji powinno się to przekładać na wzrost strat ciepła lub pogorszenie warunków użytkowania związanych z odczuciami cieplnymi osób przebywających w takich pomieszczeniach.
9. Posadzki wykonane z paneli drewnianych i parkietu z drewna dębowego uzyskują najkorzystniejsze wartości współczynnika b, co powinno się przekładać na obniżenie strat ciepła i poprawę warunków użytkowania związanych z odczuciami cieplnymi osób przebywających w takich pomieszczeniach.

dr inż. Adam Ujma

Politechnika Częstochowska

Literatura

1. 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).
2. A. Dylla, K. Pawłowski, P. Rożek, Analiza metody obliczania strat ciepła do gruntu z wykorzystaniem normy PN-EN ISO 14683:2008, „Izolacje” r. 21, nr 2, 2016.
3. K. Pawłowski, Projektowanie podłóg, stropów i ich złączy w kontekście nowych wymagań cieplnych, cz. 2, Obliczenia parametrów fizykalnych, „Izolacje” r. 20, nr 3, 2015.
4. A.J. Werner-Juszczuk, Wpływ ogrzewania podłogowego na wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 12/2015.
5. Budownictwo ogólne, t. 2, „Fizyka budowli”, pod kierunkiem P. Klemma, Arkady, Warszawa 2007.
6. A.I. Jeremkin, T. I. Koroljewa, Tepiowoj, Reżim zdanij, Izdalelstwo Assocjacji Stroitielnych Wuzow, Moskwa 2000.
7. J. Rehanek, Tepeina akumulacje budov, Informacni centrum CKAIT, Praha 2002.
8. Fizyka budowli [podstawy], http://www.muratorplus.pl/technika/izolacje/podstawy-fizyki-budowli_59136.html
9. A. Ujma, Ciepłochłonność posadzek drewnianych, „Izolacje” r 14 nr 9, 2009.
10. A. Ujma, Evaluation of Selected Thermal Param of Floors and Floorings eters. In: Building Physics Problems in the Design and Exploatation of Civil Constructions [red.] I. Pokorska, Publishing Office of Częstochowa, University of Technology, 2016.