Obliczanie oporu cieplnego przegród nieprzezroczystych.
W styczniu 2014 r. weszło w życie rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (WT). Jest to siódma nowelizacja rozporządzenia z 2002 r. Dotyczy ona m.in. wymagań izolacyjności cieplnej i stawia ostrzejsze wymagania w zakresie oszczędności energii związanej z użytkowaniem budynków. W załączniku nr 2 podano maksymalne wartości współczynników przenikania ciepła, jakie mają obowiązywać od 1 stycznia odpowiednio: 2014, 2017 i 2021 r. dla poszczególnych rodzajów przegród w budynkach nowych i podlegających przebudowie, a w załączniku nr 1 wskazano Polskie Normy, na podstawie których współczynniki te mają być obliczane. Jedną z nich jest PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku – Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła – Metoda obliczania. Wszystkie zmiany, jakie nowelizacja wprowadziła do warunków technicznych, omówiła A. Sas-Micuń w artykułach „Nowy standard energetyczny budynków w świetle zmiany w przepisach techniczno-budowlanych” – cz. I, II i III w numerach 4–6/2014 „IB”.
Kwestie objęte powyższą nowelizacją rozporządzenia są także przedmiotem rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnegolub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (Dz.U. z 2008 r. Nr 201, poz. 1240). Rozporządzenie to powołuje w załączniku nr 5, w pkt 3.2.3 i 3.2.4, kilka Polskich Norm, wśród których jest także wskazana PN-EN ISO 6946 do obliczania współczynnika przenikania ciepła przez płaskie przegrody nieprzezroczyste, oddzielające pomieszczenia ogrzewane od przestrzeni zewnętrznych. Tu od razu nasuwa się uwaga ważna dla czytelników mniej doświadczonych w rozszyfrowywaniu ww. powołań norm – zapis niedatowany numeru (bez roku) oznacza normę ze wszystkimi nowelizacjami, powołanie datowane – wyłącznie normę z roku datowania, bez stosowania jakichkolwiek późniejszych nowelizacji (zmian, poprawek).
W artykule chciałbym się odnieść do obliczania oporu cieplnego – w myśl rozdziału 6 normy PN-EN ISO 6946:2008 – niejednorodnych przegród nieprzezroczystych złożonych z warstw jednorodnych. Niedawno miałem wgląd w pewne, w moim przekonaniu, niepoprawne zastosowanie tej metody właśnie w obliczeniach charakterystyki energetycznej. W istocie metoda nie jest skomplikowana, ale jej opis w normie jest skrajnie niejasny. Na pewno nie mają z nią kłopotów specjaliści zajmujący się zawodowo obliczaniem charakterystyk cieplnych przegród i komponentów budowlanych, ale dla wielu osób przygotowujących się do sporządzania charakterystyk energetycznych pewne wyjaśnienia i przykłady liczbowe mogą się okazać pomocne w praktyce, nawet przy wykorzystywaniu „dokładnych metod” komputerowych. Wyjaśnienia te mogą być pomocne projektantom budynków nowych lub przebudowywanych oraz producentom nowych wyrobów i komponentów budowlanych do obliczania ich charakterystyk cieplnych.
Uwagi do powołania Polskich Norm
Na początku chciałbym zaanonsować uwagi faktograficzne dotyczące Polskich Norm powołanych. Wydaje mi się, że p. Sas-Micuń w części III swego cyklu (s. 84, środkowy łam) nieściśle poinformowała o motywach rezygnacji w pkt 2.2.3 nowelizacji WT z metody uproszczonej uwzględniania mostków cieplnych (czyli wg normy PN-EN ISO 14683:2008). Metoda uproszczona nie była w tym punkcie zalecana w nowelizacji z 2010 r., ale norma była w rozporządzeniu powołana (i pozostała!) w odniesieniu do § 134 ust. 1 rozporządzenia, tak jak wszystkie inne normy wymienione w poz. 69, 70 i 71 ostatniej nowelizacji. Nowelizacja – moim zdaniem – wyłączyła jej stosowanie tylko w pkt 2.2.3 ppkt 2), załącznika nr 2, a to oznacza, że zachowała jej zamienne stosowanie z PN-EN ISO 10211:2008 do obliczania współczynnika przenikania ciepła Uc przegród wg pkt 1.1 załącznika nr 2, bo przecież przegrody zawierają mostki cieplne, do których obliczania nie wystarczy PN-EN ISO 6946:2008. Szkoda, że rozporządzenie przemilcza, czym się kierować przy wyborze normy (z dwóch wykluczających się, tj. PN-EN ISO 10211 i PN-EN ISO 14683) do uwzględniania wpływu mostków cieplnych na Uc w pkt 1.1. Łatwiejsze byłoby stosowanie metody uproszczonej, ale czy taka jest intencja prawodawcy.
Nieścisła jest też informacja p. Sas-Micuń o tym, że norma PN-EN ISO 14683:2008 została usunięta z normy PN-EN ISO 10211:2008. Obie normy istnieją oddzielnie od lat jako normy europejskie EN ISO i obie są wskazane w WT (por. uwagi wyżej) oraz w załączniku nr 5 do rozporządzenia z dnia 6 listopada 2008 r. do obliczania alternatywnie liniowego współczynnika przenikania ciepła w miejscu mostków cieplnych. Prawodawca godzi się na to, że do obliczenia charakterystyki energetycznej budynku wystarczy zastosowanie metody uproszczonej, ale nie pozbawia użytkowników możliwości wykonania obliczeń dokładniejszych.
Oba rozporządzenia konsekwentnie odwołują się do normy PN-EN ISO 6946:2008 w przekonaniu, że jej zastosowanie niezawodnie doprowadzi do spełnienia wymagań w zakresie izolacyjności z wymaganą dokładnością. Ze zrozumieniem trzeba się odnieść do prawodawcy, który nie ma zbyt dużego pola manewru, jeśli stosuje metodę uzupełniania przepisu prawnego prostym powołaniem normy o tytule współbrzmiącym z powołującym ją przepisem. Wymieniona norma została powołana, bo jest jedyną aktualną w zbiorze PN dotyczącą obliczania współczynnika przenikania ciepła. Wszelkie niedopowiedzenia sprawiają potem wiele wątpliwości, które użytkownik najczęściej przemilcza i omija, bo przecież prawodawca mu tego nie zinterpretuje in promptu. Można się zastanawiać, czy to dobrze, że opracowana przed laty norma międzynarodowa, która później z europejskiej stała się bez jakichkolwiek zmian Polską Normą może być bez żadnych uzupełnień i wyjaśnień stosowana jako przedłużenie krajowych przepisów.
Warunki konieczne do wiarygodnego wyznaczania izolacyjności przegród
Nowelizacja rozporządzenia w sprawie WT, podając w pkt 1.1 załącznika nr 2 wartości UC(max), nie precyzuje, czy wartości te mają być osiągnięte w każdym miejscu przegrody (włącznie z mostkami), czy też są to wartości średnie, a jeśli tak, to jak uśrednione. Z powołania na PN-EN ISO 6946:2008 należy przypuszczać, że chodzi o wartości uśrednione dla całej ściany wraz z mostkamiw myśl jej rozdziału 6. A to mogłoby oznaczać, że w przegrodzie/ścianie albo nie powinno być mostków cieplnych, albo w strefach poza mostkami UC powinno być znacznie mniejsze od UC(max), żeby zniwelować wpływ mostków cieplnych. Ponadto rozporządzenie operuje wartościami dokładnymi UC(max), a do ich obliczania wskazuje metodę przybliżoną, której „maksymalny możliwy błąd wynosi 20%”, jeśli znane są dokładne właściwości materiałów w przegrodach.
Tego rodzaju wymagania można spełnić w budynkach nowych i przebudowywanych, w których projektanci mają możliwość doboru materiałów i kształtowania rozwiązań pod wyznaczone cele. Wymagać to będzie większego nakładu pracy. Trzeba też pamiętać, że metoda podana w normie jest uproszczona, ma ograniczenia, a wyniki dokładne daje w prostych przypadkach. Jeśli wziąć pod uwagę zróżnicowanie architektoniczne ścian, rozmieszczenie okien i drzwi balkonowych oraz wiele miejsc konstrukcyjnych (naroża, węzły ścian i stropów czy słupów itp.), które uważa się za mostki cieplne wyłączone z zakresu tej normy, to może się okazać, że można ją będzie bez zastrzeżeń zastosować do małego procenta płaskich przegród nieprzezroczystych, pozostałe strefy ścian trzeba będzie obliczać metodami komputerowymi wg PN-EN ISO 10211:2008. Warto zajrzeć do PN-EN ISO 14683:2008, aby się przekonać, ile w budynku może być rodzajów liniowych mostków cieplnych. Trzeba też dodać, że PN-EN ISO 6946:2008 nie jest odpowiednia do obliczania temperatur w celu oceny ryzyka kondensacji na powierzchni i we wnętrzu przegród składających się z warstw jednorodnych i niejednorodnych. To kolejne zawężenie zakresu jej zastosowań.
Wszystkie te zastrzeżenia można odnieść także do zastosowania normy PN-EN ISO 6946:2008 w budynkach przebudowywanych przy wyznaczaniu charakterystyki energetycznej budynków lub lokali mieszkalnych, z tym tylko że w tym ostatnim przypadku wymagania są mniej ostre, bo tu chodzi raczej o opisanie stanu obiektu pod względem izolacyjności cieplnej niż jego projektowanie. Jeśli charakterystyki energetyczne mają być wiarygodne i czemukolwiek służyć, to i te obliczenia powinny być przeprowadzone z należytą starannością na podstawie stanu faktycznego budynku. Obliczanie zapotrzebowania budynku na energię pierwotną trzeba, według schematu blokowego w rozporządzeniu dotyczącym metodologii, rozpocząć od określenia strat ciepła wskutek przenikania przez ściany. To samo odnosi się do budynków przebudowywanych. Wiadomo, że w ścianach mamy do czynienia z różnymi wariantami materiałowo-konstrukcyjnymi. Znajdziemy w nich odzwierciedlenie różnych technologii stosowanych w budownictwie w okresie powojennym, nie mówiąc o ścianach budynków z lat wcześniejszych. Już rzut oka na katalogi domów „typowych” i katalogi wyrobów ściennych przekonuje o liczbie wariantów projektowych, a dodać należy liczne odstępstwa od projektów w czasie wznoszenia budynków.
Są wśród nich ściany jedno-, dwu- i trójwarstwowe murowane z cegieł/pustaków ceramicznych różnych rodzajów, ściany z: cegieł, bloczków i pustaków cementowych, wapiennych lub gipsowych, betonów lekkich i komórkowych, bloków ściennych kanałowych, ściany warstwowe budynków wielkoblokowych i wielkopłytowych, nie licząc kombinacji różnych elementów drobnowymiarowych w ścianach budynków jednorodzinnych w różnych regionach kraju, ściany z izolacją termiczną lub bez niej, ściany z drewna, szkieletowe różnych typów, z układem warstw ocieplających z materiałów ówcześnie produkowanych. Nie mniej zróżnicowane są konstrukcje stropów, dachów i stropodachów. W budynkach mieszkalnych do takich przegród należy zaliczyć przede wszystkim stropy nad najwyższą kondygnacją. Są wśród nich stropy na belkach drewnianych, na belkach stalowych (Kleina) i różne odmiany żelbetowych konstrukcji gęstożebrowych, ocieplanych różnymi materiałami.
Z tego względu osoby sporządzające świadectwa charakterystyki lub projektanci przebudowy energetycznej stoją przed problemem szczegółowej inwentaryzacji struktury przegród, użytych materiałów, ich rozmieszczenia, wymiarów i właściwości cieplnych. Niewielki będzie pożytek z zastosowania najlepszego nawet programu komputerowego bez dobrego rozpoznania konstrukcji ścian i właściwości materiałów, z korektą na ich zestarzenie, i wprowadzania do programu uwiarygodnionych danych. Dla wielu obiektów można je znaleźć w dostępnych projektach i dokumentacjach, poradnikach, katalogach budownictwa i prasie budowlanej.
W obliczeniach dawnych budynków na pewno pomocne będą ówczesne Polskie Normy własne, dziś raczej wycofane,ale łatwo dostępne w PKN, zawierające właściwości cieplne wyrobów. Również normy branżowe (BN) – zarchiwizowane w Archiwum Akt Nowych – mogą być wykorzystane pomocniczo do odtworzenia technologii sprzed lat, rodzaju użytych materiałów i ich charakterystyk cieplnych. Osobom zainteresowanym można wskazać niektóre normy wycofane, np. PN-B-02020:1991 Ochrona cieplna budynków – Wymagania i obliczenia wraz z jej wcześniejszą wersją z 1982 r. oraz normę PN-B-03404:1974 Współczynniki przenikania ciepła dla przegród budowlanych wraz z trzema wersjami poprzednimi odpowiednio z roku: 1950, 1957 i 1964. Warto również wymienić aktualną PN-EN ISO 10456:2009 Materiały i wyroby budowlane – Właściwości cieplno-wilgotnościowe – Tabelaryczne wartości obliczeniowe i procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych.
Opis metody wyznaczania współczynnika U dla przegród złożonych z warstw jednorodnych i niejednorodnych
Metoda podana w pkt 6.2 normy PN-EN ISO 6946:2008 dotyczy wyznaczania oporu cieplnego, a tym samym i współczynnika przenikania ciepła, przegród niejednorodnych, w których skład wchodzą warstwy jednorodne. Jest to metoda przybliżona, często wystarczająca do uzyskania zadowalających wyników.
Norma zaleca podzielić płaską złożoną przegrodę w kierunku przepływu ciepła, tak aby wydzielić w niej sekcje, wewnątrz których znajdą się warstwy materiałów jednorodnych, a w kierunku prostopadłym – podzielić przegrodę na warstwy różnej grubości (zwykle na granicy materiałów) tak aby każda warstwa stałej grubości ciągnęła się przez wszystkie sekcje – każda warstwa będzie się składała z materiałów jednorodnych ustawionych obok siebie (szeregowo). Sekcje oznacza się literami a, b, c…q, warstwy zaś numeruje cyframi 1, 2, 3… Następnie wyznacza się opór cieplny każdej sekcji i oblicza się opór ściany R’T (tzw. kres górny) jako opór zastępczy wszystkich sekcji. W drugim kroku wyznacza się opór zastępczy każdej warstwy i oblicza opór przegrody R”T (tzw. kres dolny) jako sumę oporów warstw.
Za całkowity opór przegrody przyjmuje się połowę sumy kresów, tj.:
RT = 0,5 (R’T + R”T) (1)
pod warunkiem że stosunek kresu górnego do dolnego nie przekracza 1,5.
Opór zastępczy sekcji lub warstw z materiałów zestawionych szeregowo wyznacza ze wzoru:
(2)
w którym: fa,fb???fn – względne pola powierzchni poszczególnych sekcji/warstw; Ra,Rb,???Rn – opory cieplne sekcji/warstw;
Ten „zagadkowy” wzór w normie wynika z założenia, że ciepło tracone przez przegrodę (lub warstwę) o powierzchni F i oporze zastępczym Rz jest równe sumie strat ciepła przez sekcje przegrody (warstwy) o oporach Ra…Rn i odpowiadających im powierzchniach Fa…Fn.
Temperaturę θx wewnątrz przegrody na głębokości x od strony wewnętrznej, z dala od mostków cieplnych, można obliczać wg wzoru:
θx= θi– U (θi– θe) Rx, (3)
gdzie: θii θe– temperatura odpowiednio od strony wewnętrznej i zewnętrznej przegrody, U – współczynnik przenikania ciepła całej przegrody; Rx – opór cieplny warstw przegrody od strony wewnętrznej do głębokości x.
Znajomość rozkładu temperatury w przegrodzie jest potrzebna do oceny możliwości kondensacji pary wodnej w jej wnętrzu. Dokładne obliczenia należy przeprowadzać zgodnie z powołaną w rozporządzeniu 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 – Metoda obliczania.
mgr inż. Witold Ciołek
