Izolacja ścian zewnętrznych

#Budowa 7 czerwca 2020

 

Izolacyjność termiczna przegrody uzależniona jest od jej konstrukcji oraz rodzaju i jakości zastosowanych materiałów. Miarą termoizolacyjności jest opór cieplny R, który zależy od grubości poszczególnych warstw ściany, ich współczynników przewodzenia ciepła l oraz od współczynników przejmowania ciepła Rsi (od powietrza wewnętrznego do przegrody) i Rse (od przegrody do powietrza zewnętrznego). Całkowity opór cieplny przegrody można wyrazić następującym wzorem:

R=Rsi+Σdi/li+Rse, m2K/W

gdzie:

Rsi, Rse — współczynniki przejmowania ciepła po stronie wewnętrznej i zewnętrznej; przy poziomym przepływie ciepła równe odpowiednio Rsi=0,13 m2K/W i Rse=0,04 m2K/W;

di — grubość poszczególnych warstw ściany, m;

li — współczynnik przewodzenia ciepła poszczególnych warstw ściany (przyjmowany wg normy lub podawany przez producenta), W/(mK).

Na podstawie znajomości całkowitego oporu cieplnego można określić współczynnik przenikania ciepła przez przegrodę, który stanowi jego odwrotność:

U=1/R, W/(m2K)

Zgodnie z aktualnie obowiązującymi przepisami (rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, wraz z późniejszymi zmianami), współczynnik przenikania ciepła U przez ściany zewnętrzne w budynkach mieszkalnych nie może być większy niż 0,30 W/(m2K) w przypadku pomieszczeń o temperaturze większej niż 16°C oraz 0,80 W/(m2K) dla pomieszczeń o temperaturze mniejszej niż 16°C. Wymagania te znajdują odzwierciedlenie także w innych aktach prawnych, związanych m.in. z certyfikacją energetyczną budynków.

W zależności od konstrukcji ścian zewnętrznych, wyróżniamy przegrody jedno-i wielowarstwowe. Ściany jednowarstwowe zbudowane są z jednego materiału, spełniającego zarówno funkcję konstrukcyjną, jak i termoizolacyjną. Jako że stopień izolacyjności cieplnej jest w takim przypadku proporcjonalny do grubości ściany, przegrody te powinno wykonywać się z materiałów o jak najniższym współczynniku przewodzenia ciepła, np. z ceramiki poryzowanej, betonu komórkowego czy keramzytobetonu z wkładkami termoizolacyjnymi (drążenia wypełnione styropianem lub pianką poliuretanową). Cechą charakterystyczną budulców tego typu jest ich porowatość, a więc mniejsza wytrzymałość niż materiałów o litej strukturze. Wykonane z nich ściany są stosunkowo grube — z reguły liczą ok. 40–50 cm.

Ściany jednowarstwowe muruje się na dwa sposoby: w przypadku betonu komórkowego stosuje się cienkie spoiny z zaprawy klejowej, natomiast w przypadku ceramiki poryzowanej i keramzytobetonu — tradycyjne, grube spoiny z zaprawy ciepłochronnej. Przegrody te wymagają od wykonawców dużej precyzji oraz staranności w wykonaniu takich elementów, jak słupy, nadproża i wieńce stropowe.

Żeby uniknąć nadmiernej grubości ścian oraz związanych z tym kosztów, stosuje się ściany wielowarstwowe (np. dwu- lub trójwarstwowe). W takim przypadka ściana składa się z części konstrukcyjnej (cegła, pustak itp.) oraz termoizolacyjnej (styropian, wełna mineralna itp.). Zastosowanie ściany wielowarstwowej daje możliwość spełnienia wymogu podstawowego — U<0,30 W/ (m2K) — już przy grubości termoizolacji na poziomie 10–15 cm. Dodatkowo, zastosowanie wentylowanej szczeliny powietrznej pozwala zapobiec kondensacji pary wodnej (przy braku takiej szczeliny istnieje możliwość wystąpienia niewielkiej ilości kondensatu pary wodnej zimą, który następnie odparowuje latem).

W przypadku ścian dwuwarstwowych ocieplenie wykonywane jest w technologii mokrej lub suchej. W technologii mokrej izolacja przytwierdzana jest do muru za pomocą zaprawy klejącej i kołków, a następnie pokrywana warstwą zaprawy wapienno-cementowej. Wierzchnią dekorację stanowi tynk cienkowarstwowy. W technologii suchej elewację montuje się na ruszcie drewnianym, stalowym lub wykonanym z tworzywa sztucznego i przymocowanym do muru przy użyciu kołków rozporowych. Pomiędzy elementami rusztu układany jest materiał termoizolacyjny, a ocieplenie przykrywa zewnętrzne wykończenie ściany złożone z elementów osłonowych — sidingu, oblicówki drewnianej, płyt falistych itp.

Z kolei ściany trójwarstwowe to ściany dwuwarstwowe rozszerzone o dodatkowy mur osłonowy, przykrywający warstwę termoizolacyjną. Każda z warstw takiej ściany odpowiada za inne cechy użytkowe przegrody: mur konstrukcyjny — za wytrzymałość ściany, ocieplenie — za izolację termiczną, a mur osłonowy — za ochronę przed działaniem czynników atmosferycznych. Budowa ścian trójwarstwowych z punktu widzenia ekonomicznego ma największy sens wtedy, gdy trzeba połączyć wysoką wytrzymałość z dobrymi parametrami izolacji cieplnej. Innym powodem budowy ścian trójwarstwowych jest konieczność zapewnienia dobrej izolacji akustycznej. Podczas budowy przegród trójwarstwowych ocieplanych wełną mineralną należy pozostawić szczelinę wentylacyjną pomiędzy ociepleniem a ścianą osłonową (zapewni to prawidłowe odparowywanie wilgoci z warstwy izolacji).

Materiały termoizolacyjne

Jako izolację ścian wielowarstwowych stosuje się najczęściej styropian, wełnę mineralną, a także polistyren ekstrudowany XPS oraz poliuretan. Polistyren ekspandowany (EPS), czyli styropian, jest najczęściej stosowanym materiałem w bezspoinowych systemach ociepleń (BSO). Odznacza się on bardzo dobrym współczynnikiem przewodzenia ciepła, kształtującym się na poziomie l=0,031÷0,045 W/(mK), a także wysoką odpornością na działanie wilgoci, niskim współczynnikiem paroprzepuszczalności oraz nienasiąkliwością. Do jego wad należy niska odporność na wysokie temperatury, ogień oraz działanie rozpuszczalników organicznych. Styropian produkowany jest w płytach o różnej grubości i twardości, różniących się gęstością objętościową. Dla poszczególnych rodzajów styropianu gęstość objętościowa wynosi 12– 15 (odmiana „15”), 16–20 (odmiana „20”), 21–30, 31–40 i 41–50 kg/m3. Styropian jest materiałem tzw. samogasnącym, tzn. przy zetknięciu się z ogniem zapala się, ale płomień się nie rozszerza i po chwili gaśnie.

Wełna mineralna (kamienna i szklana) to drugi z najczęściej stosowanych materiałów do izolacji termicznej, akustycznej i ogniochronnej. Charakteryzuje się bardzo dobrymi parametrami termoizolacyjnymi — współczynnik przewodzenia ciepła jest zbliżony do styropianu i wynosi l=0,038–0,040 W/(mK). Wełna mineralna odznacza się wysoką paroprzepuszczalnością, odpornością na uszkodzenia mechaniczne, niepalnością, wodoodpornością, a także wysoką dźwiękochłonnością. Nie podlega degradacji w kontakcie z rozpuszczalnikami i jest nietoksyczna. Wełna mineralna występuje w postaci płyt laminowanych czy lamelowych, mat oraz filców, które różnią się kształtem, wykończeniem, parametrami użytkowymi oraz właściwościami mechanicznymi. Gęstość objętościowa izolacji z wełny mineralnej może wynosić 35, 50, 60, 80, 120 i 150 kg/m3.

Polistyren ekstrudowany (XPS)— jest materiałem twardym, o zwartej, jednolitej budowie i ciężarze objętościowym ok. 30 kg/m3. Odznacza się bardzo niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła l=0,025–0,038 W/ (mK), wysoką wytrzymałością na ściskanie, bardzo niską nasiąkliwością, a także odpornością chemiczną, odpornością na korozję biologiczną i promieniowanie UV. Oferowany jest w postaci płyt z gładkimi lub frezowanymi krawędziami oraz gładką, wytłaczaną powierzchnią. Znakomicie sprawdza się w izolacji konstrukcji o dużych obciążeniach mechanicznych i jednocześnie narażonych na działanie wilgoci. Poliuretan to materiał twardy, odporny na działanie kwasów i rozpuszczalników. Występuje w postaci płyt lub pianki. Płyty poliuretanowe są bardzo lekkie, sztywne i odporne na ściskanie. Odznaczają się niską nasiąkliwością, wysoką gęstością oraz niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła l=0,028 W/(mK). Jeszcze niższym współczynnikiem przewodzenia ciepła charakteryzują się pianki poliuretanowe, które służą do wykonywania izolacji termicznych metodą natryskową. W ich przypadku l wynosi od 0,021 do 0,023 W/(mK). Zastosowanie pianki poliuretanowej pozwala na budowę lekkiej i odpornej na wilgoć warstwy o bardzo dobrych właściwościach izolacyjnych.

 

Dobór optymalnej grubości warstwy izolacyjnej

Zapewnienie wysokiego stopnia ochrony cieplnej budynku wiąże się z jednej strony z wyższymi nakładami inwestycyjnymi, z drugiej — umożliwia obniżenie wieloletnich kosztów eksploatacyjnych budynku. Dobór efektywnej ekonomicznie grubości izolacji termicznej związany jest ze zbadaniem relacji pomiędzy nakładami i efektami możliwych wariantowych rozwiązań. Należy przy tym pamiętać, że grubość ta nie może być mniejsza, niż to wynika z wymagań dotyczących współczynnika przenikania ciepła przez przegrody budowlane. Na ogół ekonomicznie uzasadnione są grubości, przy których wartość współczynnika przenikania ciepła jest niższa od wartości granicznych wskazanych w przepisach.

Optymalną grubość warstwy izolacji termicznej wyznacza się w oparciu o kryteria:

• maksymalnego efektu ekonomicznego w trakcie całego okresu eksploatacji — optymalną grubość termoizolacji wyznacza się w tej metodzie na podstawie wyliczenia i porównania wskaźnika NPV,

czyli wartości zaktualizowanej inwestycji netto (z ang. net present value), obliczonej dla każdego z rozważanych wariantów; im wyższa wartość NPV, tym inwestycja jest bardziej opłacalna;

• minimalnych sumarycznych nakładów — w tym przypadku optymalną grubość warstwy izolacyjnej wyznacza się przyjmując jako kryterium minimum kosztów poniesionych w ciągu całego okresu eksploatacji LCC — sumę wieloletnich kosztów i nakładów inwestycyjnych (z ang. life cycle cost); dla każdego z wariantów oblicza się sumę nakładów inwestycyjnych oraz zdyskontowanych kosztów ogrzewania;

• najkrótszy czas zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych — jest to uproszczona metoda, która polega na obliczeniu ilorazu nakładów inwestycyjnych wartości rocznych oszczędności, wynikających z obniżenia kosztów eksploatacyjnych; metoda ta służy do szybkiego, orientacyjnego porównania efektywności różnych wariantów grubości izolacji termicznej; wariant o najkrótszym czasie zwrotu jest wariantem optymalnym.

Mostki termiczne

W kwestii izolacyjności ścian zewnętrznych istotne jest zagadnienie mostków cieplnych, czyli elementów przegrody budowlanej o znacznie wyższym współczynniku przewodzenia ciepła niż w przypadku sąsiadujących z nimi obszarów ściany. Wskutek występowania mostka termicznego dochodzi do punktowego lub liniowego wychładzania przegrody, a w związku z tym — do wzmożonej, niekontrolowanej straty ciepła do otoczenia. W przypadku, gdy temperatura ściany w miejscu występowania mostka cieplnego obniży się poniżej temperatury punktu rosy, występuje

skraplanie się pary wodnej (zjawisko to niesie ryzyko zawilgocenia ścian oraz wystąpienia np. grzyba lub pleśni). Przyczyną występowania mostków cieplnych jest brak izolacji lub niewystarczająca izolacja w danym miejscu, niedoskonałości materiałów termoizolacyjnych lub nieprawidłowe wykonanie izolacji. Inną przyczyną powstawania mostków termicznych jest skomplikowany kształt geometryczny budynku (naroża, załamania itp.). Niejednokrotnie zdarza się, że mostki termiczne powstają w wyniku błędów na etapie realizacji — niestaranności wykonawców, zastępowania rozwiązań przyjętych w projekcie innymi, np. tańszymi, o gorszych właściwościach.

Generalnie mostki termiczne występują w takich miejscach, jak:

— połączenia poszczególnych elementów budynku (np. ścian ze stropem i dachem), przecinające warstwę izolacji — w miejscach tych należy wykonać dodatkowe, specjalne zabezpieczenie przed powstawaniem mostków termicznych;

— naroża budynku, gdzie na niewielką powierzchnię wewnętrzną przypada zwiększona powierzchnia zewnętrzna;

— miejsca połączenia okien i drzwi z przegrodą: słabszym punktem izolowania ściany jest zazwyczaj nadproże, które ze względów wytrzymałościowych musi zawierać elementy żelbetowe lub stalowe, które wymagają większego izolowania niż pozostała część ściany;

— balkony: tradycyjne rozwiązanie konstrukcyjne, w którym żelbetowa płyta balkonowa jest przedłużeniem stropu nad kondygnacją położoną poniżej balkonu powoduje, że izolacja ściany jest przerwana w miejscu płyty balkonowej, tworząc szeroki mostek cieplny.

Wyeliminowanie mostków termicznych nie zawsze jest możliwe, w związku z czym należy dążyć do jak największego ograniczenia ich wpływu na gospodarkę cieplną budynku. Zastosowanie termoizolacji o dobrych parametrach będzie wtedy w pełni uzasadnione.

Pasywne systemy słoneczne

W nowoczesnym budownictwie niskoenergetycznym i pasywnym kładzie się nacisk nie tylko na izolację termiczną ścian, ale także na maksymalne wykorzystanie darmowej energii z otoczenia. W tym celu stosuje się takie konstrukcje przegród zewnętrznych, które zapewniają bezpośrednie lub pośrednie wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do wytwarzania ciepła w budynku. W tym drugim przypadku energia cieplna zawarta w promieniowaniu słonecznym jest akumulowana w przegrodach zewnętrznych, a następnie oddawana w chwili, kiedy istnieje na nią zapotrzebowanie. Podstawowym elementem tego systemu jest ściana kolektorowa, której zadaniem jest absorpcja, gromadzenie, rozprowadzanie i magazynowanie energii. Klasycznym przykładem ściany kolektorowej jest ściana Trombe’a-Michela. Występują również takie rozwiązania konstrukcyjne, jak ściana wodna, ściana z cegły słonecznej oraz ściana diodowa. Innym rodzajem systemu pasywnego są szklarnie wkomponowane w bryłę budynku i wykorzystujące tzw. efekt szklarniowy. Opisane rozwiązania pozwalają nie tylko na wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania budynku, ale także na ograniczenie strat ciepła przez przegrody zewnętrzne (pełnią więc funkcję izolacji termicznej).

 

Krzysztof Sornek