Izolacyjność cieplna podłóg ogrzewanych – wymagania

Wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej warstwy znajdującej się pod warstwą grzewczą w podłogach ogrzewanych, wyrażone oporem cieplnym, przytoczone zostały w normach PN-EN 1264-4:2009 Instalacje wodne grzewcze i chłodzące płaszczyznowe – Część 4: Instalowanie [2]; PN-EN ISO 11855-5:2015-10 Projektowanie środowiska w budynku – Projektowanie, wymiarowanie, instalacja oraz regulacja wbudowanych systemów ogrzewania i chłodzenia przez promieniowanie – Część 5: Instalacja [3] – tab. 3*.
 

Zobacz: Izolacyjność cieplna podłóg ogrzewanych – wymagania
 

W przypadku tego rodzaju przegród warstwa izolacji cieplnej pod warstwą grzewczą w podłodze powinna zapewnić minimalne straty ciepła z elementów grzewczych. W tego typu konstrukcjach podłóg ogrzewanych w szczególny sposób, inny niż w konstrukcjach podłogi nieogrzewanej, powinno się podchodzić do kwestii zapewnienia izolacyjności cieplnej i określania strat ciepła. Ponieważ element z warstwą grzewczą ma zadanie dostarczać ciepło do pomieszczenia, a minimalną ilość tracić na zewnątrz budynku, wymaganą na podstawie warunków technicznych budowlanych izolacyjność cieplną (wsp. U_C) należy uzyskać już dla części przegrody znajdującej pod warstwą grzewczą. Dlatego też w tych konstrukcjach zastosowana warstwa lub warstwy termoizolacyjne, a nie cała przegroda (jak to jest w przypadku przegród bez warstw grzewczych) powinna spełniać podstawowe wymagania w zakresie ochrony cieplnej, wynikające z warunków technicznych budowlanych [1].

Fot. stock.adobe.com / PAWEL
 

Opisane podejście jest tym bardziej zasadne ze względu na to, że warstwa grzewcza ma temperaturę na poziomie 35-55^oC, a więc znacznie wyższą niż temperatura powietrza w pomieszczeniu ogrzewanym (z reguły 16-24^oC).
 

Polecamy: Problem strat ciepła przez podłogi

W normach [2, 3] wymagania dla warstw izolacyjnych, czyli znajdujących się pod warstwą grzewczą, okazują się bardzo łagodne, dalekie od podanych w warunkach technicznych. Z prostego porównania wymagań normowych [2, 3] z wymaganiami odnoszącymi się do izolacyjności cieplnej przegród chłodzących w budynkach ogrzewanych wynika, że są one niewystarczające (tab. 4).

Tab. 4. Zestawienie szacunkowej wartości minimalnego oporu cieplnego warstwy izolacji cieplnej według norm [2, 3] i wymagań zgodnych z wytycznymi warunków budowlanych [1] oraz procentowa różnica między wymaganiami

W tabeli podano szacunkowe minimalne wartości oporu cieplnego warstwy izolacji cieplnej wyznaczone z wartości 1/U_{c max,} po odjęciu oporów przejmowania ciepła R_si i R_se oraz oporu warstw wierzchnich przegrody na poziomie 0,15 m²K/W. Różnice procentowe między przytoczonymi wartościami normowymi i wynikającymi z warunków budowlanych podano jedynie dla przypadku, kiedy nie zostały spełnione wymagania techniczne budowlane.

Szczególnie duże dysproporcje między wymaganiami warunków budowlanych i norm [2, 3] zauważalne są dla stropu nad przejazdem, stropu nad pomieszczeniem nieogrzewanym lub zamkniętą przestrzenią podpodłogową i podłóg na gruncie, w pomieszczeniach z temperaturą t_i ≥16^oC. Procentowa różnica w wymaganiach dla stropów nad przejazdami, w pomieszczeniach z temperaturą powietrza wewnętrznego 16^oC i wyższą, wynosi 160% i osiągnie 215%, w momencie kiedy zaczną obowiązywać od roku 2021 nowe przepisy. W przypadku stropów nad pomieszczeniami nieogrzewanymi procentowa różnica między wymaganiami sięga 181% na niekorzyść wymagań norm [2, 3].

Na podstawie zestawionych w tab. 3 wartości minimalnych oporów cieplnych wyznaczono minimalne grubości warstwy izolacji cieplnej, wynikające z wytycznych normy [2, 3] i wymagań warunków budowlanych [1], dla czterech przypadków przewodności cieplnej izolacji cieplnej: 0,040; 0,035; 0,030; 0,025 W/(m K) – tab. 5.

Tab. 3. Minimalna wartość oporu cieplnego izolacji poniżej rur pod systemem ogrzewania
płaszczyznowego [2, 3]

Tab. 5. Zestawienie szacunkowej grubości warstw izolacji cieplnej, jakie należałoby przyjąć według wymagań normowych [2, 3] i wytycznych warunków budowlanych [1]

Podane w tab. 5 wartości zostały zaokrąglone w górę do pełnych centymetrów.

Z porównania danych wynika, że wytyczne normowe, szczególnie dla stropów nad przejazdami i pomieszczeniami nieogrzewanymi, w pomieszczeniach z temperaturą wewnętrzną powyżej 8^oC, są znacznie zaniżone w stosunku do wartości wyznaczonych na podstawie warunków budowlanych. Jest to szczególnie ważne w świetle zaostrzania wymagań budowlanych w zakresie charakterystyki energetycznej budynków. Kierowanie się jedynie wytycznymi norm [2, 3] w zakresie izolacji cieplnej konstrukcji z ogrzewaniem podłogowym pogarsza efektywność energetyczną tych systemów wskutek stwarzania możliwości podwyższenia strat ciepła. Odnosi się to szczególnie do izolacji cieplnej ogrzewania podłogowego w stropach nad przejazdami, podcieniami itp. oraz nad przestrzeniami nieogrzewanymi. Obliczenia wskazują, że dla tego rodzaju konstrukcji należy przyjmować grubości minimum 21 i 14 cm, a od 2021 r. – nawet 26 cm (strop nad przejazdem) w przypadku zastosowania materiału izolacyjnego o przewodności cieplnej 0,040 W/(m K), podczas gdy z wymagań normowych wystarczyłoby zastosować warstwy izolacyjne o grubości 5-8 cm. Tylko w przypadku materiału izolacyjnego o przewodności cieplnej 0,025 W/(m K) minimalna grubość warstwy izolacji cieplnej w stropach nad przejazdami, podcieniami itp. oraz nad przestrzeniami nieogrzewanymi wynosi 13 i 9 cm, a od roku 2021 nawet 16 cm (strop nad przejazdem).

Odrębne wymagania w zakresie właściwości cieplnych formułuje się dla warstw znajdujących się nad elementami grzewczymi. Opór warstw podkładu i posadzki nie powinien przekraczać wartości 0,15 m²K/W dla podłogi tylko z funkcją grzewczą i 0,10 m²K/W dla podłogi z funkcją ogrzewania zimą i chłodzenia latem.
 

Zobacz też: Elektryczne ogrzewanie hybrydowe

Charakterystyka podłóg pod względem odczuć cieplnych

Norma [2] podaje podstawowe dopuszczalne parametry temperaturowe i gęstości strumienia ciepła dla podłóg ogrzewanych (tab. 6).

Tab. 6. Maksymalne wartości temperatury powierzchniowej i gęstości strumienia ciepła dla podłóg ogrzewanych według normy [2]

Właściwości cieplne podłóg wpływają również na odczucia komfortu cieplnego ludzi przebywających w pomieszczeniu. Oceniany on może być na podstawie wskaźników ujętych w wytycznych normy 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. Zawiera ona podział pomieszczeń na kategorie A, B i C, różnicujące pomieszczenia pod względem odczuć cieplnych.

• Kategoria A – najwyższe wymagania w zakresie odczuć komfortu cieplnego, ze względu na obecność w pomieszczeniach użytkowników szczególnie wrażliwych, np. dzieci, osoby niepełnosprawne, chore lub w podeszłym wieku; przykładowo pomieszczenia w: żłobkach, przedszkolach, szpitalach, domach seniora i pomocy społecznej oraz łazienki, baseny itp.
• Kategoria B – średnie wymagania w zakresie odczuć komfortu cieplnego, które powinny spełniać pomieszczenia w nowo oddawanych budynkach, o innych funkcjach niż wymienione w kategorii A, np. pomieszczenia mieszkalne, szkolne, biurowe.
• Kategoria C – najgorsze akceptowalne warunki, zazwyczaj w istniejących budynkach, np. pomieszczenia biurowe o obniżonym standardzie, przemysłowe. Poszczególne kategorie opisywane są przez różne wskaźniki, takie jak: PMV (Predicted Mean Vote) – wskaźnik przewidywanego przeciętnego odczucia; PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) – wskaźnik procentowy osób niezadowolonych z warunków termicznych odczuwalnych przez ciało. Również wskaźniki procentowe liczby osób odczuwających dyskomfort wywołany przez różne czynniki: DR (Draught Rating) – przeciąg, PD_V (Percentage of Dissatisfied from Vertical air temperature difference between head and feet) – pionową różnicę temperatur, PD_F (Percentage of Dissatisfied caused by warm or cold Floor) – podłogę ciepłą lub zimną, PD_delta (Percentage of Dissatisfied from radiant asymmetry) – asymetrię temperatury promieniowania.

W tab. 7 zestawione zostały wymagane wartości wskaźników, wyrażające dopuszczalny poziom odczuć użytkowników pomieszczeń, w zależności od kategorii komfortu cieplnego. Znajdują się tam również parametry związane z właściwościami cieplnymi podłóg/posadzek.

Tab. 7. Zestawienie wymaganych wartości wskaźników służących do oceny odpowiedniej klasy pomieszczeń w zależności od parametrów określających warunki komfortu cieplnego według normy [4]

Dyskomfort lokalny wyrażony wskaźnikiem PD_F wywołany odczuciami związanymi z temperaturą posadzki zimnej lub ciepłej, określa się za pomocą wzoru:

gdzie: θ_F,m – temperatura powierzchni posadzki [^oC].

Wyniki obliczeń wskaźnika PD_F w zależności od temperatury powierzchni posadzki odnoszą się do przypadku podłogi ogrzewanej (wykres 1).

Wykres 1. Charakter zmiany wskaźnika komfortu cieplnego PDF uzależniony od temperatury powierzchni posadzki zestawiony z poziomami dopuszczalnymi dla różnych kategorii pomieszczeń i maksymalnymi wartościami temperatury powierzchniowej według normy [2]

Wykres 2. Charakter zmiany wskaźnika komfortu cieplnego PDV uzależniony od różnicy temperatury powietrza na poziomie głowy i kostek nóg człowieka, zestawionej z poziomami dopuszczalnymi dla różnych kategorii pomieszczeń, z zaznaczonymi maksymalnymi dopuszczalnymi wartościami różnicy temperatury według normy [2]

Najniższą wartość przyjmuje wskaźnik dyskomfortu, czyli najkorzystniejsze warunki uzyskuje się, kiedy temperatura powierzchniowa posadzki jest bliska 23,5^oC. Korzystne warunki temperaturowe związane z odczuciami cieplnymi jest w stanie zapewnić podłoga ogrzewana, z temperaturą powierzchniową dochodzącą do 28^oC, w przypadku pomieszczeń kategorii A i B, oraz nieco ponad 30^oC, w przypadku pomieszczenia kategorii C. Takie parametry zapewnią oczywiście podłogi tylko w sytuacji działania systemu grzewczego. W okresie kiedy system grzewczy nie będzie działał, np. w okresie letnim, wskaźnik dyskomfortu może przyjąć inne wartości. Dyskomfort lokalny wyrażony jest również wskaźnikiem PD_V, który wyraża skalę odczuć cieplnych związanych z różnicą temperatury powietrza w pionie na poziomie głowy i kostek nóg człowieka, znajdującego się w pozycji siedzącej. Parametr określany jest za pomocą wzoru:

gdzie: delta t_v – różnica temperatury powietrza w pionie między głową a kostkami nóg człowieka [K]. Zestawienie wyników obliczeń wskaźnika PDV z dopuszczalnymi poziomami tego wskaźnika dla różnych kategorii odczuć cieplnych przedstawiono na wykresie 2. Wynika z niego, że aby spełnione było kryterium PD_V z dopuszczalnymi poziomami tego wskaźnika dla różnych kategorii odczuć cieplnych przedstawiono na wykresie 2. Wynika z niego, że aby spełnione było kryterium PD_V dla pomieszczeń kategorii A, różnica temperatury powietrza w pionie między głową a kostkami nóg człowieka nie powinna przekroczyć wartości ok. 2,7 K, dla kategorii B – 3,3 K, a dla kategorii C – 4,2 K. Z charakterystyki linii wskaźnika dyskomfortu PD_V wynika, że wraz ze wzrostem różnicy temperatury między poziomem głowy i nóg człowieka pogarszają się odczucia cieplne. Przy różnicy sięgającej 5-6 K wartość wskaźnika wzrasta do 20-35%. Zauważalna jest w tym przypadku pewna analogia z wcześniej przedstawioną charakterystyką, wskazująca na to, że nie można przesadzać z wysokością temperatury powierzchni posadzki. Jeżeli w pomieszczeniu na poziomie głowy mamy temperaturę 25^oC, to na poziomie kostek u nóg człowieka dobrze byłoby, aby nie przekraczała ona poziomu 28^oC.

Izolacyjność cieplna podłóg ogrzewanych. Wnioski

1. W przypadku konstrukcji podłogi ogrzewanej wymaganą na podstawie przepisów [1] izolacyjność cieplną (wsp. U_C) należy uzyskać dla części przegrody znajdującej pod warstwą grzewczą.
2. Zauważalna jest istotna różnica w wymaganiach dotyczących izolacyjności cieplnej warstw pod warstwą grzewczą w podłogach ogrzewanych według normy i w przypadku przyjęcia wymagań warunków technicznych [1]. Różnica ta dla niektórych konstrukcji dochodzi do 160% i dojdzie do 215%, kiedy zaczną obowiązywać przepisy warunków budowlanych w 2021 r.
3. Według wymagań normowych w różnych rodzajach przegród wystarczy zastosować warstwy izolacyjne pod warstwą grzewczą o grubości 7-9 cm. Natomiast na podstawie wymagań warunków technicznych [1] grubość takiej warstwy powinna dochodzić do 14 cm w stropie nad pomieszczeniem ogrzewanym, 21 cm w stropie nad przejazdem w przypadku materiału izolacyjnego o przewodności cieplnej 0,040 W/(m K) i odpowiednio 9 i 13 cm, gdy zastosowano by materiał o przewodności 0,025 W/(m K).
4. Pomieszczenia zaliczane do kategorii A i B powinny się charakteryzować temperaturą powierzchni posadzki w zakresie od 20 do 28^oC, a w przypadku kategorii C – do 30^oC. Najkorzystniejsze warunki uzyskuje się przy temperaturze powierzchniowej posadzki bliskiej 23,5^oC.
5. W przypadku kryterium PD_V dla pomieszczeń kategorii A różnica temperatury powietrza w pionie między głową a kostkami nóg człowieka nie może przekroczyć wartości ok. 2,7 K, dla kategorii B – 3,3 K, a dla kategorii C – 4,2 K.

Literatura

1. Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 8 kwietnia 2019 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 7 czerwca 2019 r. poz. 1065).
2. PN-EN 1264-4:2009 Instalacje wodne grzewcze i chłodzące płaszczyznowe – Część 4: Instalowanie.
3. PN-EN ISO 11855-5:2015-10 Projektowanie środowiska w budynku – Projektowanie, wymiarowanie, instalacja oraz regulacja wbudowanych systemów ogrzewania i chłodzenia przez promieniowanie – Część 5: Instalacja.
4. 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.

dr inż. Adam Ujma
Politechnika Częstochowska