Zminimalizowanie strat energetycznych przez mostki cieplne

Współczynnik przenikania ciepła, a rodzaj przegrody i budynku

Tabela 1. Wartości współczynnika przenikania ciepła U dla wybranych przegród zewnętrznych budynku [1]

Znacznie surowsze są też obecnie wymagania na cząstkowe wartości wskaźnika EP na potrzeby ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody EPH+W [kWh/(m²· rok)] - tu zmiany są jeszcze bardziej znaczące (zakres zmian od 11,8% do 34,5%).

Tabela 2. Wymagania dla cząstkowych wartości wskaźnika EP na potrzeby ogrzewania wentylacji i przygotowania ciepłej wody [1].

W przypadku budynków mieszkalnych wymagania na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody są o ponad 25% bardziej surowe.

To 7 do 12 % więcej, od zaostrzonych wymagań dla współczynnika U.

Stało się więc koniecznym, aby projekt budynku został dokładnie przeanalizowany pod kątem wyeliminowania mostków cieplnych, które niejednokrotnie mają swój duży udział w stratach ciepła.

Mostki cieplne w budynku to m.in.:

• balkony, daszki, loggie
• połączenie okna ze ścianą
• pionowe ścianki attykowe , pionowe balustrady w tarasach
• konsole podpierające ścianę elewacji w konstrukcji ściany trójwarstwowej
• ściany łączące nieogrzewane podziemne parkingi / garaże z ogrzewaną częścią budynku

W opracowaniu Krajowej Agencji Poszanowania Energii KAPE [2] przedstawiono m.in. udział mostków cieplnych w odniesieniu do całkowitych strat ciepła dla budynków jednorodzinnych i wielorodzinnych (tabela 3 i 4).

Tabela 3. Straty ciepła w budynkach jednorodzinnych [2]

Tabela 4. Straty ciepła w budynkach wielorodzinnych [2]

Wielkość strat ciepła w połączeniu liniowym określa liniowy współczynnik przenikania ciepła liniowego mostka cieplnego y [W/m·K].

Orientacyjne wartości współczynnika y dostępne są w normie PN EN ISO 14683 [3], należy jednak zaznaczyć, że wartości tych nie powinno się uwzględniać w obliczeniach strat ciepła z uwagi na możliwą bardzo dużą niedokładność.

Największą dokładność dają obliczenia komputerowe. 

Wartość tego współczynnika może być niejednokrotnie bardzo duża, często równoważna stratom ciepła przez kilka m2 ściany.

Dlatego też bardzo ważnym w procesie projektowania jest zlokalizowanie i optymalne zaprojektowanie detali miejsc, w których takie mostki występują. 

Wpływ balkonów i daszków na straty ciepła

Balkony oraz daszki to miejsca, w których mostek cieplny może bardzo wpływać na dodatkowe straty ciepła.

Na rys. 1 pokazano 3 warianty połączenia balkonu ze stropem.

Grafikę z rozkładem temperatur dla takiego złącza pokazano na rys. 2, a wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 5.

Rys .1  Schemat płyty balkonowej: a) z łącznikiem termoizolacyjnym , b) z obustronną izolacją powierzchniową gr. 5 cm ; c) bez żadnego zabezpieczenia przez mostkiem cieplnym

Rys.2 Rozkład temperatur w połączeniu płyty balkonu ze stropem: a) balkon z łącznikiem termoizolacyjnym , b) balkon z obustronną izolacją powierzchniową gr. 5 cm ; c) balkon bez żadnego zabezpieczenia przez mostkiem cieplnym

Rys.3 Balkon z łącznikiem termoizolacyjnym  Schöck Isokorb®

W przypadku łączników termoizolacyjnych obliczenia wykonano dla różnych rodzajów łączników, różniących się między sobą współczynnikiem przewodzenia ciepła l_eq [W/m·K] i grubością d[cm].

Wynikiem obliczeń są:

• współczynnik y_e [W/m·K]
• minimalna temperatura na powierzchni przegrody Q_si [^o
• współczynnik temperaturowy fRsi (określający ryzyko powstania grzybów pleśniowych) 

Tabela 5 - wyniki obliczeń termicznych dla rozwiązań w balkonach dla schematów a,b ,c.

W przypadku eliminowania mostków cieplnych w płytach balkonowych z zastosowaniem łączników termoizolacyjnych decydującą rolę odgrywają parametry izolacyjne samego łącznika, czyli leq [W/m·K] oraz Req [m2·K/W] (związany z grubością łącznika).

Stosując łączniki gr. 12 cm uzyskuje się wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła y [W/m·K] pomiędzy 0,102 i 0,137 [W/m·K], zastosowanie łączników gr. 8 cm zwiększa wartość w/w współczynnika do przedziału pomiędzy 0,162 a 0,205 [W/m·K].

Jest istotnym dążenie do stosowania łączników, których ekwiwalentny współczynnik przewodzenia ciepła leq nie przekracza wartości 0,13 [W/m·K].

Płyta balkonowa obustronnie izolowana powierzchniowo jest rozwiązaniem, które powoduje zdecydowanie większe straty ciepła 2 do 4 razy więcej od rozwiązań z łącznikami termoizolacyjnymi (y = 0,421 [W/m·K]).

Niezabezpieczona w żaden sposób płyta balkonowa jest rozwiązaniem niedopuszczalnym, po pierwsze z powodu bardzo dużych strat ciepła (y = 0,854 [W/m·K]), po drugie z powodu bardzo dużego obniżenia temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody do Qsi = 11,9oC, co stwarza warunki sprzyjające kondensacji pary wodnej i rozwojowi grzybów pleśniowych.

Mostki cieplne w żelbetowych balustradach i ściankach attykowych

Nierzadko w budownictwie mieszkaniowym ostatnie kondygnacje projektowane są z dużymi tarasami,  stanowiącymi przestrzeń dla rekreacji i wypoczynku.

Taras taki oczywiście wymaga zaprojektowania balustrady zabezpieczającej przed upadkiem. Nierzadko są to elementy wykonane z betonu.

To miejsce wymaga szczególnej „opieki” projektanta z uwagi na geometryczny mostek cieplny w postaci zewnętrznego narożnika, którego negatywny efekt dodatkowo może zwiększyć obecność w narożu betonowej balustrady.

Oprócz dużych strat ciepła trzeba liczyć się też ze zdecydowanie bardziej obniżoną temperaturą na wewnętrznej powierzchni przegrody (miejsce połączenia ściany i sufitu), w ostateczności z możliwością zagrzybienia w tym miejscu.

To jeszcze mało wśród projektantów znane miejsce zastosowania łączników termoizolacyjnych.

Chodzi o łączniki do pionowych elementów żelbetowych XT/T typu A i XT/T typu F.

Na rys.4 pokazano 3 warianty połączenia betonowej balustrady ze stropem. Grafikę z rozkładem temperatur dla takiego złącza pokazano na rys. 5 , a wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 6.

Rys .4  Schemat płyty tarasu z pionową balustradą betonową: a) z łącznikiem termoizolacyjnym XT typu A , b) z obustronną izolacją powierzchniową gr. 17 cm ; c) bez żadnego zabezpieczenia przez mostkiem cieplnym

Rys.5  Rozkład temperatur w połączeniu balustrady tarasu ze stropodachem a) balustrada tarasu z łącznikiem termoizolacyjnym , b) balustrada tarasu z obustronną izolacją powierzchniową gr. 17 cm ; c) balustrada tarasu bez żadnego zabezpieczenia przez mostkiem cieplnym

Tabela 6 - wyniki obliczeń termicznych dla rozwiązań z balustradami betonowymi - schematy d,e ,f.

Rys.6 Balustrady żelbetowe z łącznikiem termoizolacyjnym  Schöck Isokorb® XT typu A

Wyniki obliczeń termicznych (tabela nr 6) potwierdzają, że najskuteczniejszym sposobem zabezpieczenia połączenia balustrady betonowej ze stropodachem przed stratami ciepła i ryzyka pojawienia się pleśni jest zaprojektowanie złącza z łącznikiem termoizolacyjnym.

Gruba obustronna izolacja balustrady znacznie pomniejsza powierzchnię użytkową tarasu (rys 4 , schemat „e”), powoduje też znacznie większe straty ciepła w stosunku do rozwiązania z zastosowanym łącznikiem termoizolacyjnym (różnica wartości współczynnika y_e [W/m·K] wynosi 0,123), podnosi koszty (dodatkowa izolacja od wewnątrz tarasu i od góry balustrady).

Wyeliminowanie izolacji balustrady  od strony tarasu (rys.4 , schemat „f”)  tworzy bardzo duży mostek cieplny (współczynnik  y_e = 0,417 [W/m·K]) oraz bardzo znacznie obniża temperaturę na styku ściany i sufitu w mieszkaniu (rys 5, schemat „f”), co sprzyja kondensacji pary wodnej na powierzchni wewnętrznej przegrody i tworzeniu się pleśni.

Wpływ straty ciepła w miejscu mostka, a wpływ na ogólną stratę ciepła

Wiedza projektanta o możliwych stratach ciepła wskutek zaprojektowanych balkonów, daszków, attyk, balustrad żelbetowych, połączeń okien ze ścianą zewnętrzną może niejednokrotnie zdecydować, czy w tych miejscach straty ciepła będą minimalne, czy sięgną nawet kilkunastu procent całkowitych strat przez przegrodę.

Poniższy przykład zobrazuje, że mostki cieplne mogą, ale nie muszą wyprowadzić sporo dodatkowego ciepła z budynku.

Założenia przyjęte do obliczeń:

1. Budynek 10 kondygnacyjny (rys 7) , w poziomie 6 powtarzalnych modułów (rys 8,9) ; wysokość modułu 3,00 m , długość modułu 8,5 m . Dł. budynku 8,5 x 6 = 51 m , wysokość budynku 3 x 10 = 30 m
2. Balkony na kondygnacjach 1-9 - razem 54 szt.  dł. balkonu 3 m
3. Taras z pionową balustradą żelbetową na ostatniej kondygnacji – dł. balustrady 51 m
4. Okno 1,5 x 1,5 = 2,25m2 ; obwód 4 x 1,5 = 6,0 mb po 2 szt./moduł ;  okno (przylegające do drzwi balkonu) 1,2 x 1,5 = 1,8m2 ;  obwód 2 x 1,2+1,5 = 3,9 mb    po 1 szt./moduł ; drzwi balkonowe 2,3 x 0,9 = 2,07 m2 ; obwód 2 x 0,9+2,3+ (2,3-1,5) = 4,9 mb  po 1 szt./moduł
5. Współczynnik U dla ściany zewn. = 0,193 [W/m²K] ,  Współczynnik U dla okien i drzwi balkonowych = 0,90 [W/m²·K]  .
6. Współczynnik y_e dla balkonów: 0,102 [W/mK] – schemat  a-2 ;  0,421 [W/m·K]  – schemat b ;  0,854 [W/m·K]  - schemat c 
7. Współczynnik y_e dla balustrad: -0,014 [W/mK]  – schemat  d ; 0,109 [W/m·K]  – schemat e  ; 0,417 [W/m·K]   - schemat f 
8. Współczynnik y_e dla okien: 0,00 [W/mK]  (schemat W1 – wg PN EN 14683 [3] - okno montowane w izolacji)
9. Współczynnik y_e dla połączenia ściany zewn. ze stropem : 0,00 [W/mK]  (schemat IF1 – wg PN EN 14683) [3]

Współczynnik straty ciepła przez przenikanie z przestrzeni ogrzewanej (i) na zewnątrz (e) HT,ie [W/K] obliczono wg PN EN 12831 [4]: HT,ie = SA·U+Sy·l [W/K]

Tabela 7 - wyniki obliczeń dla ściany budynku z balkonami i balustradami betonowymi: wariant 1 – balkony i balustrady z łącznikami termoizolacyjnymi ; wariant 2 - balkony i balustrady z obustronną izolacją ; wariant 3 - balkony i balustrady z mostkami cieplnymi

W rozpatrywanym przykładzie udział strat ciepła przez liniowe mostki cieplne w całkowitych stratach ciepła przez przegrodę wynosi 2,4 % ÷ 19,7%.

Duży udział strat ciepła przez liniowe mostki cieplne wskutek niewłaściwego zaprojektowania detali skutkuje znacznym wzrostem całkowitych strat ciepła przez rozpatrywaną przegrodę.

Porównując rozwiązania w balkonach i balustradach betonowych z zastosowanymi łącznikami termoizolacyjnymi (wariant 1) z rozwiązaniem polegającym na obustronnej izolacji balkonu i balustrady (wariant 2)  otrzymujemy wzrost strat ciepła w tym drugim rozwiązaniu o 8,5%.

W przypadku całkowitego braku zabezpieczenia balkonu / balustrady (wariant 3) wzrost ten sięga aż 21,6%.

Rys. 7  Model ściany zewnętrznej budynku przyjęty w przykładzie obliczeniowym.

Rys. 8  Model ściany zewnętrznej budynku przyjęty w przykładzie obliczeniowym – moduł powtarzalny z balkonem

Rys. 9  Model ściany zewnętrznej budynku przyjęty w przykładzie obliczeniowym – moduł powtarzalny z balustradą tarasu

Podsumowanie najważniejszych informacji o mostkach cieplnych

• Skuteczność eliminowania mostków cieplnych w elementach konstrukcji żelbetowej, która znajduje się w strefie nieogrzewanej budynku (m.in. balkony , daszki , balustrady) najefektywniej zapewni zastosowanie łącznika termoizolacyjnego. Bardzo istotnym jest, aby stosowany łącznik miał możliwie mały współczynnik leq (związany z parametrami komponentów , z których jest zbudowany) i możliwie dużą wartość Req (ekwiwalentny opór cieplny zależny od grubości samego łącznika). Zastosowanie łączników o takich parametrach zapewni niską wartość współczynnika ye (w przypadku balkonów optymalnym jest uzyskanie ye poniżej 0,2).
• Obustronna izolacja balkonu, czy też balustrady tylko częściowo rozwiązuje problem. Straty ciepła w tych miejscach w dalszym ciągu są duże. Często też w tych miejscach w trakcie eksploatacji pojawiają się usterki (uszkodzenia izolacji).
• Pozostawienie balkonu, czy też balustrady bez jakiejkolwiek izolacji termicznej to bardzo duże straty ciepła oraz duże zagrożenie tworzenia się pleśni wskutek mocno obniżonej temperatury na powierzchni przegrody.

Literatura i normy:
[1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75, poz. 690 z późn. zm.)
[2] Raport na temat efektywności energetyczne budynków , KAPE , Warszawa 2013
[3] PN-EN ISO 14683:2017 Mostki cieplne w budynkach – Liniowy współczynnik przenikania ciepła – Metody uproszczone i wartości orientacyjne
[4] PN-EN 12831-1:2017 Charakterystyka energetyczna budynków – Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego ; Część 1: Obciążenia cieplne, Moduł M3-3

źródło i zdjęcia: Schöck