2 Wymagania w zakresie cieplno-wilgotnościowym budynków
Pojęcie stanu ochrony cieplnej budynków ogrzewanych wiąże się nieodłącznie z pojęciem współczynnika przenikania ciepła dla przegród zewnętrznych (k, U). Współczynnik ten od kilkudziesięciu lat w wielu krajach jest regulowany przepisami państwowymi. Regulacje te praktycznie we wszystkich krajach UE zmierzają do jego zmniejszenia, aby obniżyć straty ciepła przez przegrody budowlane. Projektanci są zobowiązania do przestrzegania wymagań ochrony cieplnej przegród budowlanych, aby spełniały aktualne przepisy państwowe. Budynki wznoszone w latach ubiegłych spełniały ówczesne wymagania co do stanu ochrony cieplnej. Wymagania te zostaną omówione w podrozdziale 2.1. Przegrody o niskiej izolacyjności cieplnej generują duże koszty w zakresie utrzymania odpowiedniej temperatury w pomieszczeniach mieszkalnych i użytkowych. Chęć obniżenia kosztów eksploatacji mieszkań, poprawy jakości mikroklimatu wewnętrznego zrodziły koncepcję poprawy izolacyjności przegród budowlanych. Zabieg polegający na zmianie współczynnika przenikania ciepła przez dołożenie materiału termoizolacyjnego wraz z odpowiednim wykończeniem powierzchni zewnętrznej nazwano ociepleniem i/lub dociepleniem budynku. Oba pojęcia stosowano zamiennie przez długi czas, bez szczególnego rozróżniania. Od początku lat dziewięćdziesiątych XX w. zaczęto masowo ocieplać budynki niewielką warstwą materiału termoizolacyjnego, na ogół grubości 5 cm. Po 20 latach okazało się, że wzrost cen energii do ogrzewania budynków spowodował, iż opłacalny stał się zabieg ponownego dołożenia warstwy termoizolacji wraz z nową warstwą wierzchnią na istniejące już ocieplenie. Zabieg taki zaczęto nazywać dociepleniem budynku, a z czasem dociepleniem na docieplenie. Zmiana taka nie do końca została przyjęta w sposób oficjalny. Obecnie w literaturze używa się zamiennie pojęć docieplenia/ocieplenia, bez specjalnego rozróżnienia, rozumiejąc przez to prace polegające na wykonaniu dodatkowej warstwy izolacji termicznej na przegrodach zewnętrznych poprawiające stan ochrony cieplnej przegrody.
2.1. Rys historyczny - wymagania dla budynków wznoszonych przed 1945 r.
Budownictwo realizowane przed naszą erą miało znamiona budownictwa energooszczędnego i ze wszech miar ekologicznego. Ponad 3500 lat temu, w epoce brązu, ludzkie domostwa realizowane w postaci szałasów charakteryzowały się wysoką izolacyjnością termiczną. W tamtym okresie średnioroczne temperatury zewnętrzne były niższe o ok. 4?C od obecnych, co niejako wymuszało zastosowanie dobrej izolacyjności ścian i dachów. Najprostsze ściany były wykonywane jako osłonowe z wikliny wypełnionej sianem, mchem, torfem, a materiał konstrukcyjny stanowiły drewno i kamień. Dachy pokrywano trzciną, słomą i sianem o grubościach do 30 cm. Współczynnik przenikania ciepła tych przegród wynosił ok. 0,3 W/m2-K. Pozostałości takich ścian zostały odkryte przez archeologów na terenach dzisiejszych Niemiec i Polski. Konstrukcja nośna ścian była obustronnie zabezpieczona warstwą plecionej wikliny powiązanej ze słomą i gliną. Przy grubości 10 cm oraz poprawnym zagęszczeniu ówczesnej izolacji termicznej możemy oszacować, iż współczynnik przenikania ciepła takiej przegrody mieścił się w przedziale 0,5-1,0 W/m2-K.
Do XV wieku większość obiektów budowlanych na terenach zarówno miejskich, jak i wiejskich było budowanych z drewna i w niewielkim stopniu z kamienia. Budowle wykonywane w całości jako kamienne lub ceglane stanowiły wyjątki. W czasach późniejszych ściany drewniane belkowe (rys. 2.1) zastąpiły w wielu
Rys. 2.1. Fragment ściany z belek drewnianych
przypadkach ściany plecione. W zależności od grubości stosowanych belek drewnianych współczynnik przenikania ciepła ścian wynosił 0,5-0,8 W/m2-K [8]. Do uszczelniania połączeń między elementami drewnianymi stosowano mech, słomę lub siano, czasami wysuszony torf. Wadą budynków wznoszonych w tamtych czasach była ograniczona wytrzymałość konstrukcji drewnianej, niewystarczająca ochrona przeciwpożarowa oraz częste zawilgocenie przegród i związana z tym przyspieszona korozja biologiczna.
Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na drewno, trudnościami związanymi z jego pozyskaniem, a także wzrostem ceny rozpoczęto budowanie ścian w nowo wznoszonych budynkach w postaci muru szachulcowego, a później tzw. muru pruskiego (rys. 2.2, rys. 2.3). Izolacyjność termiczna tego typu ściany grubości 16 cm wynosi ok. 1,6 W/m2-K, a ściany grubości 12 cm - ok. 1,9 W/m2-K. W zależności od zamożności inwestora wypełnieniem konstrukcji szachulcowej była na ogół glina mieszana z sieczką i wapnem, piaskiem lub żwirem. Stosowano także cegłę glinianą niewypalaną lub stosowaną obecnie cegłę ceramiczną. Grubość muru wypełniającego konstrukcję drewnianą zależała na ogół od czynników lokalnych, w tym również od klimatu, a warstwa zewnętrzna od zamożności właściciela obiektu lub lokalnych tradycji. Była ona wykonywana w postaci cegły lub tynku glinianego malowanego farbą wapienną. W przypadku wypełnienia za pomocą kamieni lub na przykład ceramiki współczynnik przenikania ciepła dla takiej ściany wynosił ok. 2,5-3,0 W/m2-K. Było to istotne obniżenie izolacyjności cieplnej przegród ściennych w stosunku do wcześniejszych rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych.
Rys. 2.2. Ściana typu mur pruski z elewacją z cegły ceramicznej
Rys. 2.3. Ściana typu mur pruski z elewacją tynkowaną
Wraz z rozwojem budownictwa masywnego, począwszy od ok. 1850 r., coraz bardziej dostępnym materiałem budowlanym stała się cegła. Związane to było z udoskonaleniem jej produkcji oraz obniżeniem kosztów wytwarzania. Wraz z początkiem industrializacji nastała istotna zmiana w sposobie budowania. Tradycyjne rozwiązania w postaci konstrukcji drewnianych były wypierane przez trwalsze, niepalne i bardziej wytrzymałe materiały, przede wszystkim ceramikę; cegłę produkowano fabrycznie na dużą skalę. Stała się ona podstawowym materiałem wznoszenia obiektów budowlanych. Cieśla i kamieniarz będący do tej pory architektami przeważającej części budownictwa mieszkaniowego musiał ustąpić miejsce architektowi i mistrzowi budowlanemu.
W XIX wieku obecne terytorium Polski było podzielone między trzech zaborców. Znaczna część wschodnia kraju znajdowała się w granicach carskiej Rosji, część zachodnia i południowa była w granicach ówczesnego państwa pruskiego i austriackiego, następnie niemieckiego, podlegając ich jurysdykcji praktycznie do końca II wojny światowej. Zaborcy odcisnęli swoje piętno we wszystkich dziedzinach życia gospodarczego, w tym w budownictwie. Fakt ten jest o tyle istotny, że część budynków wznoszonych pod koniec XIX i na początku XX w. przetrwa ło do dzisiaj i stanowi zamieszkałą substancję mieszkaniową. Okres ten charakteryzował znaczący rozwój budownictwa mieszkaniowego w zabudowie miejskiej. Duża część budownictwa mieszkaniowego projektowana była jako osiedla robotnicze (rys. 2.4). Warto zatem poznać choćby wyjątki z ówczesnych przepisów budowlanych w zakresie ochrony cieplnej oraz tradycji budowania budynków.
Rys. 2.4. Budynki w zabudowie miejskiej, osiedle robotnicze z początków XX w.
Do końca XIX wieku nie istniały formalne przepisy budowlane, które można by traktować jako wymagania w zakresie ochrony cieplnej budynków. Akceptowalną wówczas ochronę przed zimnem, wiatrem i opadami zapewniały tradycyjne ściany i dachy budynków, a ciepło było wytwarzane wewnątrz budynków, prostymi na ogół metodami - przez spalanie drewna, a później węgla. Przepisy, jakie w zakresie użytkowania paliw (w tym ogrzewania budynków i przygotowywania ciepłej wody) istniały od czasów budowania pierwszych miast starożytnych, dotyczyły zasadniczo ochrony przeciwpożarowej związanej z użytkowaniem palenisk. Wieloletnia praktyka budowania domów w klimatach umiarkowanych: ciepłym i chłodnym, nakazywała stosowanie określonych grubości ścian wznoszonych z cegły lub drewna. W dziewiętnastowiecznych przepisach normatywnych w dokumencie "Bau-Polizei Ordnung für Berlin" [8] są podane minimalne grubości ścian zewnętrznych z cegły pełnej, grubości 1,5 cegły (38 cm), a ścian szczytowych bez okien - grubości 1 cegły (25 cm) [9]. Obliczenia niezbędnych grubości ścian ceramicznych, podawanych jako konieczne do zastosowania, wyprowadzano wówczas przy założeniu uniknięcia wykroplenia się pary wodnej na wewnętrznej powierzchni ściany. W tym samym czasie na terenach zaboru rosyjskiego jako minimalną grubość przyjmowano ścianę grubości 2 cegieł (51 cm). W zależności od lokalizacji ściana wykonana z cegły grubości 38 cm lub 51 cm została nazwana ścianą normalną. Wraz ze wzrostem znaczenia ścian murowanych pogorszeniu uległa ich izolacyjność termiczna w porównaniu do ścian drewnianych.
Jednym z pierwszych dokumentów normatywnych było Rozporządzenie ministerialne z 24 marca 1901 r., wydane w ówczesnym Cesarstwie Niemieckim [47]. Rozporządzenie to podawało wartości liczbowe współczynnika przenikania ciepła K, zalecając zwiększenie o 10% izolacyjności termicznej ściany narażonej na zwiększone oddziaływanie wiatru. Przełomem w zakresie ochrony cieplnej i przeciwwilgociowej było sformułowanie w 1919 r. przez Henckyego kryterium, według którego na wewnętrznej powierzchni przegrody zewnętrznej pełnej nie powinna występować kondensacja pary wodnej, z czego wynika warunek co do wartości współczynnika przenikania ciepła, jaki powinna spełniać przegroda, aby nie dochodziło do kondensacji powierzchniowej [4]. Warunek ten wyrażał się wzorem:
(2.1)
gdzie:
hsi - współczynnik przejmowania ciepła [W/m2 - K],
?i - temperatura wewnętrznej powierzchni przegrody [?C],
ti - temperatura powietrza wewnętrznego [?C],
te - temperatura powietrza zewnętrznego [?C],
ts - punkt rosy powietrza wewnętrznego [?C].
W polskim dokumencie normatywnym "Prawo budowlane i zabudowanie osiedli" (rozporządzenie Prezydenta Rzeczpospolitej z 16 lutego 1928 r. wraz ze zmianami wprowadzonymi w 1936 r. oraz zmianami wprowadzonymi Ustawą Śląską z 10 marca 1938 r.) w zakresie termoizolacyjności ścian stwierdza się: ściany budynków powinny być w sposób skuteczny izolowane od wilgoci (art. 206 część II pt. "Przepisy policyjno-prawne") oraz ściany budynku powinny czynić zadość wymogom statycznym. Grubość zewnętrznych ścian budynków przeznaczonych na pobyt ludzi powinna być dostosowana do warunków klimatycznych (art. 207) [48]. Należy więc przyjąć, że grubość przegród zewnętrznych w zakresie izolacyjności termicznej była dobierana zwyczajowo na podstawie praktyki rzemieślniczej, a nie inżynierskich obliczeń. Utrzymywane w tamtym czasie temperatury w pomieszczeniach mieszkalnych wynosiły zimą 15-18?C, choć w praktyce nierzadko były niższe.
2.2. Rys historyczny - wymagania dla budynków wzniesionych po 1945 r.
Pierwsze polskie normy dotyczące izolacyjności cieplnej przegród PN-50/B-03404 [N4] , PN-53/B-02405 [N5], PN-57/B-02405 [N6] podają ogólne zasady obliczeń współczynnika przenikania ciepła k, przy czym norma PN-57/B-02405 podaje wielkości maksymalne, chociaż nie są one traktowane jako obligatoryjne. Zalecana minimalna izolacyjność termiczna odnoszona była do ściany grubości 2 cegieł. Termoizolacyjność przegród budowlanych w tym czasie była traktowana jako tzw. grubość równoważna cegły (z niem. gleichwertige Ziegeldicke). Efektem tego były okresowe niejasności co do możliwości budowania przegród z innego materiału o zróżnicowanej (mniejszej) grubości, lecz o tym samym oporze cieplnym.
W podręczniku pt. "Fizyka konstrukcji budowlanych" z 1958 r. S. Kołodziejczyk [24] odnosząc się do zagadnienia związanego ze zmianą materiałów ściennych, podaje:
[...] prowadziło to do stosowania przegród mało statecznych pod względem cieplnym, co stworzyło złe warunki sanitarne użytkowania budynków - dalszym następstwem było zamarzanie wody w murze prowadzące do zniszczenia przegród zewnętrznych. Tego rodzaju niepowodzenia stworzyły sugestię, że cegła jest materiałem niezastąpionym, szczególnie w budynkach o ogrzewaniu okresowym, kiedy ściany są z cegły pełnej.
Na bazie tych doświadczeń w normie PN-64/B-03404 wprowadzono (dla stref klimatycznych) obligatoryjne maksymalne wielkości współczynnika przenikania ciepła k = 1,0-1,25 kcal/(m2-h-?C), sprawdzenie temperatury punktu rosy oraz obliczanie mostków cieplnych [N8]. W kolejnej normie PN-B/74-03404 pominięto strefy klimatyczne oraz sprawdzenie temperatury punktu rosy. Minimalny współczynnik przenikania ciepła dla przegród budowlanych określono na poziomie kmax = 1,0 kcal/(m2-h-?C), dodatkowo podano wartości współczynnika k dla istniejących przegród zewnętrznych poddawanych przebudowie (ociepleniu) [N10]. W dalszej kolejności zakres zagadnień cieplno-wilgotnościowych zaczął obejmować nowe elementy fizyczne, na przykład kondensację pary wodnej w przegrodzie budowlanej, na wewnętrznej powierzchni przegrody, wielkość powierzchni okien i ich szczelność. Wprowadzono dodatkowo ograniczenia co do wartości projektowej współczynnika przenikania kśc dla całej ściany oraz kB dla całego budynku.
Istotne zaostrzenie wymagań ochrony cieplnej budynków nastąpiło po wprowadzeniu normy PN-B/82-02020 [N11], a później normy PN-B/91-02020 [N14]. Pierwsza z nich, wprowadzona praktycznie w 1981 r., w sposób istotny nakazywała obniżyć projektowaną wartość maksymalną współczynnika przenikania ciepła przegród zewnętrznych pełnych, wynoszących dla ścian kmax = 0,75 W/m?-K [N11]. Wprowadzono także maksymalną wartość współczynnika przenikania ciepła okien i zalecenie ograniczenia powierzchni przegród przezroczystych oraz postawiono wymaganie ograniczenia górnej wartości współczynnika infiltracji powietrza dla okien i drzwi balkonowych. W normie PN-91/B-02020 zaostrzono jeszcze bardziej wartość maksymalną współczynnika przenikania ciepła przegród zewnętrznych, który wynosił dla ścian zewnętrznych kmax = 0,55 W/m?-K i wprowadzono obligatoryjne ograniczenia powierzchni przegród szklonych. Zmieniono wymagania związane z kondensacją międzywarstwową, wprowadzając dość niejasne dla projektantów przepisy co do paroprzepuszczalności i związanego z tym układu warstw w przegrodzie [N14].
Aspekty oszczędności energii, jako elementu strategii energetycznej państwa, po raz pierwszy znalazły się w rozporządzeniu Ministra Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa z 1994 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (skrót WT) [49]. Wprowadzono wtedy nowe pojęcie wskaźnika E określającego obliczeniowe zapotrzebowanie na energię końcową budynku w standardowym sezonie grzewczym. Rozporządzenie to zostało następnie znowelizowane w 1997 r. Określone zostały wówczas wartości graniczne w zakresie powyższego wskaźnika oraz dodano do rozporządzenia załącznik "Wymagania izolacyjności cieplnej i inne wymagania związane z oszczędnością energii" zawierający graniczne wartości współczynników przenikania ciepła przez przegrody zewnętrzne kmax dla budynków jednorodzinnych, użyteczności publicznej i przemysłowych [49]. Kolejna istotna zmiana przepisów w tym zakresie nastąpiła po wydaniu w 2002 r. nowego rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [50]. Uściślono w nim treść przepisów, powołując się na wymagania określone w załączniku. W 1999 r. współczynnik przenikania ciepła oznaczono symbolem U zamiast k, zgodnie z normą PN-EN ISO 6946 [N39].
2.3. Wymagania współczesne
Wymagania dotyczące ochrony cieplno-wilgotnościowej przegród budowlanych są zawarte w różnych aktach prawnych. Jednym z wymagań podstawowych, zawartych w art. 5 ustawy Prawo Budowlane [63], jest odpowiednia charakterystyka energetyczna budynku oraz racjonalizacja użytkowania energii. Sposób sporządzania takiej charakterystyki omówiono szczegółowo w ustawie z dnia 29 sierpnia 2014 r. o charakterystyce energetycznej budynków [66]. Wymóg związany z racjonalnością zużycia energii w budownictwie dotyczy etapów: projektowania, budowy, użytkowania i utrzymania budynków. Akty wykonawcze do ustawy zawierają wiele wymagań szczegółowych dotyczących zagadnień fizyki cieplnej.
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [50], w dziale X "Oszczędność energii i izolacyjność cieplna" zawiera wymóg, by budynki i ich instalacje były zaprojektowane i wykonane w sposób zapewniający spełnienie wymagań minimalnych dotyczących:
1) przegród budowlanych:
- izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych,
- izolacyjności termicznej przegród wewnętrznych,
- izolacyjności termicznej okien i drzwi balkonowych oraz drzwi zewnętrznych;
2) przewodów instalacyjnych;
3) elementów wyposażenia technicznego budynków co do ich sprawności i/lub wydajności.
W zakresie izolacji cieplnej przewodów rozdzielczych i komponentów w instalacjach centralnego ogrzewania, ciepłej wody użytkowej (w tym przewodów cyrkulacyjnych), instalacji chłodu i ogrzewania powietrznego izolacja termiczna winna spełniać wymagania co do grubości otuliny i jej jakości cieplnej wyrażonej przez współczynnik przewodzenia ciepła ?.
Szczegółowo wymagania te są zawarte w załączniku nr 2 do rozporządzenia [50].
W zakresie dotyczącym izolacyjności cieplnej przegród stwierdza się, że wartości współczynnika przenikania ciepła Uc ścian, stropów i stropodachów dla wszystkich rodzajów budynków, uwzględniające poprawki ze względu na pustki powietrzne w warstwie izolacji, łączniki mechaniczne przechodzące przez warstwę izolacyjną oraz opady na dach o odwróconym układzie warstw, obliczone zgodnie z Polskimi Normami dotyczącymi obliczania oporu cieplnego i współczynnika przenikania ciepła oraz przenoszenia ciepła przez grunt, nie mogą być większe niż wartości UCmax.
Maksymalne wartości współczynników przenikania ciepła dla przegród zewnętrznych i wewnętrznych, budynków nowoprojektowanych i przebudowywanych (w tym poddawanych termomodernizacji) przedstawiono w tabeli 2.1. Zmiany izolacyjności termicznej ścian zewnętrznych, dachów i stropodachów większości ogrzewanych budynków są zaostrzane w kolejnych latach.
Tabela 2.1. Wartości współczynników przenikania ciepła dla przegród budowlanych [50]
Lp.
Rodzaj przegrody i temperatura w pomieszczeniu
Współczynnik przenikania ciepła UCmax
[W/m2-K]
od 1.01.2014
od 1.01.2017
od 1.01.2021
1
Ściany zewnętrzne:
a) przy ti ? 16°C
0,25
0,23
0,20
b) przy 8°C ? ti < 16°C
0,45
c) przy ti < 8°C
0,90
2
Ściany wewnętrzne:
a) przy ?ti ? 8°C oraz oddzielające pomieszczenia ogrzewane od klatek schodowych i korytarzy
1,00
b) przy ?ti < 8°C
bez wymagań
c) oddzielające pomieszczenie ogrzewane od nieogrzewanego
0,30
3
Ściany przyległe do szczelin dylatacyjnych o szerokości:
a) do 5 cm, trwale zamkniętych i wypełnionych izolacją cieplną na głębokości co najmniej 20 cm
1,00
b) powyżej 5 cm, niezależnie od przyjętego sposobu zamknięcia i zaizolowania szczeliny
0,70
4
Ściany nieogrzewanych kondygnacji podziemnych
bez wymagań
5
Dachy, stropodachy i stropy pod nieogrzewanymi poddaszami lub nad przejazdami:
a) przy ti ? 16°C
0,20
0,18
0,15
b) przy 8°C ? ti < 16°C
0,30
c) przy ti < 8 °C
0,70
6
Podłogi na gruncie:
a) przy ti ? 16°C
0,30
b) przy 8°C ? ti < 16°C
1,20
c) przy ti < 8 °C
1,50
7
Stropy nad piwnicami nieogrzewanymi i zamkniętymi przestrzeniami podpodłogowymi:
a) przy ti ? 16°C
0,25
b) przy 8°C ? ti < 16°C
0,30
c) przy ti < 8 °C
1,00
8
Stropy nad ogrzewanymi pomieszczeniami podziemnymi i stropy międzykondygnacyjne:
a) przy ?ti ? 8°C
1,00
b) przy ?ti < 8°C
bez wymagań
c) oddzielające pomieszczenie ogrzewane od nieogrzewanego
0,25
Pomieszczenie ogrzewane - pomieszczenie, w którym na skutek działania systemu ogrzewania lub w wyniku bilansu strat i zysków ciepła jest utrzymywana temperatura, której wartość została określona w § 134 ust. 2 rozporządzenia.
ti - temperatura obliczeniowa w pomieszczeniu zgodnie z § 134 ust. 2 rozporządzenia.
Projektant powinien jednak wiedzieć, iż rozporządzenie [50] przewiduje pewne odstępstwa od rygorystycznych wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych. Punkt 1.3. Załącznika nr 1 do omawianego rozporządzenia przewiduje możliwość podwyższenia współczynnika przenikania ciepła Uc w następującym przypadku: dla budynku produkcyjnego, magazynowego i gospodarczego większe wartości współczynnika U niż UCmax oraz Umax określone w punktach 1.1. i 1.2. rozporządzenia [50], jeżeli uzasadnia to rachunek efektywności ekonomicznej inwestycji obejmujący koszty budowy i eksploatacji budynku. W rozporządzeniu nie określono szczegółowo rodzaju rachunku ekonomicznego, ani czasu eksploatacji, jaki powinien być brany pod uwagę. Można założyć, iż dla inwestycji związanych z termomodernizacją takich obiektów przyjmuje się prosty rachunek obejmujący obliczenia SPBT (ang. Simpy Pay Back Time - prosty czas zwrotu nakładu), a w niektórych przypadkach obliczenia NPV (ang. Net Present Value - wartość bieżąca netto) lub NPVR. Zaleca się przyjąć, że dla takich inwestycji okres eksploatacji docieplenia wynosi minimum 15 lat.
W budynkach nowoprojektowanych oraz poddawanych termomodernizacji jest też regulowana powierzchnia otworów okiennych. W budynku mieszkalnym i zamieszkania zbiorowego pole powierzchni A0, wyrażone w m2, okien oraz przegród szklanych i przezroczystych o współczynniku przenikania ciepła nie mniejszym niż 0,9 W/m2 - K, obliczone według ich wymiarów modularnych, nie może być większe niż wartość A0max obliczona według wzoru [50]:
A0max = 0,15 - Az + 0,03 - Aw
gdzie:
Az - suma pól powierzchni rzutu poziomego wszystkich kondygnacji nadziemnych (w zewnętrznym obrysie budynku) w pasie szerokości 5 m wzdłuż ścian zewnętrznych,
Aw - suma pól powierzchni pozostałej części rzutu poziomego wszystkich kondygnacji po odjęciu Az.
W budynku użyteczności publicznej pole powierzchni A0, wyrażone w m2, okien oraz przegród szklanych i przezroczystych o współczynniku przenikania ciepła nie mniejszym niż 0,9 W/m2 - K, obliczone według ich wymiarów modularnych nie może być większe niż wartość A0max obliczona według wzoru określonego w punkcie 2.1.1., jeżeli nie jest to sprzeczne z warunkami dotyczącymi zapewnienia niezbędnego oświetlenia światłem dziennym określonymi w § 57 rozporządzenia [50].
Oprócz powyższych wymagań przywołane rozporządzenie reguluje kwestie dotyczące m.in. cząstkowych maksymalnych wartości wskaźnika EP, maksymalnych współczynników przenikania ciepła okien i drzwi, kondensacji pary wodnej w przegrodach budowlanych i szczelności przegród na przenikanie powietrza. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [50], w dziale VIII "Higiena i zdrowie" stawia dodatkowe wymagania dla przegród budowlanych dotyczące kondensacji pary wodnej, zagrzybienia i korozji biologicznej. W § 321 i § 322 stwierdza się, że:
[...] na wewnętrznej powierzchni nieprzezroczystej przegrody zewnętrznej nie może występować kondensacja pary wodnej umożliwiająca rozwój grzybów pleśniowych. We wnętrzu przegrody, o której mowa w ust. 1, nie może występować narastające w kolejnych latach zawilgocenie spowodowane kondensacją pary wodnej. W celu zachowania warunku, o którym mowa w § 321 ust. 1 rozporządzenia, w odniesieniu do przegród zewnętrznych budynków mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej, produkcyjnych, magazynowych i gospodarczych rozwiązania przegród zewnętrznych i ich węzłów konstrukcyjnych powinny charakteryzować się współczynnikiem temperaturowym fRsi o wartości nie mniejszej niż wymagana wartość krytyczna obliczona zgodnie z Polską Normą dotyczącą metody obliczania temperatury powierzchni wewnętrznej koniecznej do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacji międzywarstwowej.
Rozwiązania materiałowo-konstrukcyjne zewnętrznych przegród budynku, warunki cieplno-wilgotnościowe, a także intensywność wymiany powietrza w pomieszczeniach powinny uniemożliwiać powstanie zagrzybienia. Do budowy należy stosować materiały, wyroby i elementy budowlane odporne lub uodpornione na zagrzybienie i inne formy biodegradacji, odpowiednio do stopnia zagrożenia korozją biologiczną.
Wymagania prawne dotyczące szczelności obudowy budynku na przenikanie powietrza zawarte w warunkach technicznych wskazują, że:
[...] w budynku mieszkalnym, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej i produkcyjnym przegrody zewnętrzne nieprzezroczyste, złącza między przegrodami i częściami przegród (m.in. połączenie stropodachów lub dachów ze ścianami zewnętrznymi), przejścia elementów instalacji (takie jak kanały instalacji wentylacyjnej i spalinowej przez przegrody zewnętrzne) oraz połączenia okien z ościeżami należy projektować i wykonywać pod kątem osiągnięcia ich całkowitej szczelności na przenikanie powietrza. Zalecana szczelność powietrzna budynków wynosi: w budynkach z wentylacją grawitacyjną lub wentylacją hybrydową n50 < 3,0 1/h, w budynkach z wentylacją mechaniczną lub klimatyzacją n50 < 1,5 1/h.
Kolejnym aktem prawnym związanym z zagadnieniami ochrony cieplnej budynków jest rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego [53]. Rozporządzenie nakłada na projektanta obowiązek wykazania, że przyjęte w projekcie architektoniczno-budowlanym rozwiązania budowlane i instalacyjne spełniają wymagania dotyczące oszczędności energii zawarte w przepisach techniczno-budowlanych. Dodatkowym wymogiem, w stosunku do budynku ogrzewanego, wentylowanego i klimatyzowanego, jest przedstawienie rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych przegród zewnętrznych wraz z niezbędnymi szczegółami budowlanymi, które mają wpływ na właściwości cieplne i szczelność powietrzną przegród, jeżeli ich odwzorowanie nie było wystarczające na innych rysunkach (np. rzutach lub przekrojach).
W odniesieniu do budynków poddawanych termomodernizacji, dla których jest wykonywany audyt energetyczny, są stawiane wymagania dotyczące minimalnej wartości oporu cieplnego R przegród po termomodernizacji. Są one zawarte w załączniku nr 1 do rozporządzenia Ministra Infrastruktury z 17 marca 2009 r. w sprawie szczegółowego zakresu i form audytu energetycznego [51].
Wymagania, obowiązujące w momencie tworzenia niniejszej publikacji, zestawiono w tabeli 2.2. Należy jednak się spodziewać, że w najbliższym czasie zostaną znacznie zaostrzone z uwagi na fakt, że wymagania te praktycznie zrównały się co do wartości z wymaganiami dla budynków nowoprojektowanych, zawartymi w [50].
W Polsce od 2013 roku, przy okazji wprowadzania programu wsparcia finansowego budownictwa energooszczędnego, Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (NFOŚiGW) określił wymagania co do budynków realizowanych w standardzie energooszczędnym NF15 i NF40 [44]. Każdy budynek, który będzie realizowany w ramach programu dopłat do kredytów na budowę domów energooszczędnych, musi spełniać obligatoryjne wymagania techniczne określone w załączniku nr 3 do programu, w tym minimalne wymagania w zakresie izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych (tab. 2.3 i 2.4). Wymagana przez NFOŚiGW szczelność powietrzna dla budynków NF15 powinna wynosić n50 < 0,6 1/h, dla budynków NF40 - n50 < 1,0 1/h [44].
Tabela 2.2. Minimalne wartości oporu cieplnego przegród po termomodernizacji [51]
Rodzaj przegrody
Minimalny opór cieplny przegrody Rmin
[m2 - K/W]
Ściany zewnętrzne
4,0
Stropodachy i stropy pod nieogrzewanym poddaszem lub nad przejazdem
4,5
Stropy nad nieogrzewanymi piwnicami i zamkniętymi przestrzeniami podpodłogowymi
2,0
Tabela 2.3. Graniczne wartości współczynników przenikania ciepła dla przegród budowlanych w budynkach jednorodzinnych [44]
Graniczne wartości współczynników przenikania ciepła U
[W/m2 - K]
NF15
NF40
budynki jednorodzinne
Ściany zewnętrzne
0,1
0,15
Stropodachy i stropy pod nieogrzewanym poddaszem lub nad przejazdem
0,1
0,12
Stropy nad nieogrzewanymi piwnicami i zamkniętymi przestrzeniami podpodłogowymi
0,12
0,20
Tabela 2.4. Graniczne wartości współczynników przenikania ciepła dla przegród budowlanych w budynkach wielorodzinnych [44]
Graniczne wartości współczynników przenikania ciepła U
[W/m2-K]
NF15
NF40
budynki wielorodzinne
Ściany zewnętrzne
0,15
0,12
Stropodachy i stropy pod nieogrzewanym poddaszem lub nad przejazdem
0,12
0,15
Stropy nad nieogrzewanymi piwnicami i zamkniętymi przestrzeniami podpodłogowymi
0,15
0,20
Proces projektowania i realizacji budynków typów NF15 i NF40 jest obwarowany wieloma zróżnicowanymi przepisami, kładącymi nacisk na energooszczędność budynku. Przepisy te dotyczą zarówno etapu projektowania, jak i realizacji budynku. Pewną nowością w zakresie projektowania jest to, iż są to jedyne przepisy, w których wymagania co do izolacyjności cieplnej przegród poszerzono o wymagania dotyczące mostków cieplnych występujących na połączeniach przegród. Realizacja robót budowlanych powinna spełniać wymagania prawne w sposób szczegółowy, regulujące zróżnicowane aspekty techniczne budownictwa, a także powinna się odbywać zgodnie z zapisami zawartymi w Kodeksie cywilnym [62]. W tytule rozdziału XVI "Umowa o roboty budowlane" Art. 647 istnieje zapis dotyczący umowy na roboty budowlane, w którym stwierdza się, że:
[...] wykonawca zobowiązuje się do oddania przewidzianego w umowie obiektu, wykonanego zgodnie z projektem i z zasadami wiedzy technicznej, a inwestor zobowiązuje się do dokonania wymaganych przez właściwe przepisy czynności związanych z przygotowaniem robót, w szczególności do przekazania terenu budowy i dostarczenia projektu, oraz do odebrania obiektu i zapłaty umówionego wynagrodzenia.
Obok pojęcia zgodności z zasadami wiedzy technicznej w wielu umowach pojawia się także pojęcie zgodności wykonywania robót z uznanymi zasadami sztuki budowlanej. Pojęcie sztuki budowlanej nie zostało określone w obowiązujących przepisach prawnych. Prawo budowlane ustanowione w drodze rozporządzenia Prezydenta RP zawierało pojęcie sztuki budowlanej, jednak bez szczegółowego jego zdefiniowania [48]. Kolejne nowelizacje Prawa budowlanego, począwszy od 1961 r., nie zawierały już wymagań wykonania robót budowlanych oraz dokumentacji projektowych zgodnie ze sztuką budowlaną. W zamian pojawiły się wymagania zgodności z zasadami wiedzy technicznej.
W ustawie Prawo budowlane z 7 lipca 1994 r. (Dz.U. nr 89, poz. 414 z późn. zm.) w art. 5 [63] występuje zapis: Obiekt budowlany wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi należy, biorąc pod uwagę przewidywany okres użyt-
kowania, projektować i budować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej [...]".
Pojęcie wiedzy technicznej można zdefiniować jako zbiór normatywów (PN, PN-EN, PN ISO itp.), opracowań naukowych, wytycznych, poradników i instrukcji technicznych w zakresie projektowania, wykonywania i odbioru robót budowlanych.
Na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat istotnym zmianom uległy nie tylko wymagania z zakresu ochrony cieplnej budynków i budowli, ale zmieniły się też sposoby obliczania izolacyjności termicznej przegród. Zmiany te, choć nieznaczne, powodują pewne różnice uzyskiwanych wyników obliczeń.
Stosowanymi obecnie metodami obliczeń i przyjmowanymi właściwościami materiałów służącymi do projektowania nowych obiektów nie zawsze w pełni można odzwierciedlić faktyczny stan izolacyjności przegród w obiektach istniejących.
Wykonując obliczenia izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych budynków istniejących, związane na przykład z termomodernizacją, projektant lub audytor energetyczny napotyka duże trudności dotyczące braku danych właściwości fizycznych materiałów z okresu projektowania i wznoszenia obiektu.
Analizując przepisy i dane materiałowe w tym zakresie, oparto się głównie na dostępnych materiałach archiwalnych, w tym na normach:
PN-EN ISO 6946:1998
Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła
PN-91/B-02020
Ochrona cieplna budynków
PN-82/B-02020
Ochrona cieplna budynków
PN-74/B-03404
Współczynnik przenikania ciepła
K dla przegród budowlanych
PN-64/B-03404
Współczynnik przenikania ciepła
K dla przegród budowlanych
PN-57/B-02405
Współczynnik przenikania ciepła
K
PN-B-02405 (lata 50.)
Współczynnik przenikania ciepła
K
PN-B-02025
Obliczenia sezonowego zapotrzebowania na ciepło
PN-82/B-02403
Najniższe temperatury obliczeniowe otoczenia budynków nieogrzewanych przestrzeni zamykanych
PN-57/B-02403
Najniższe temperatury obliczeniowe otoczenia budynków nieogrzewanych przestrzeni zamykanych
PN-82/B-02402
Temperatura obliczeniowa pomieszczeń ogrzewanych w budynkach
PN-64/B-02402
Temperatura obliczeniowa pomieszczeń ogrzewanych w budynkach
Zmiany na przestrzeni lat dotyczyły przede wszystkim zróżnicowania wartości liczbowych współczynników przewodzenia ? ciepła dla materiałów stosowanych
w budownictwie oraz współczynników przejmowania ciepła na powierzchniach przegród. W tabeli 2.5 zestawiono przykładowe wartości liczbowe równoważnego współczynnika przewodzenia ciepła dla warstwy powietrza obowiązujące w różnym czasie.
Tabela 2.5. Równoważny współczynnik przewodzenia ciepłą warstwy powietrza grubości 5 cm
PN-57/B-02405
Warstwy powietrzne pionowe w ścianach i w oknach
Warstwy powietrzne poziome w stropodachach oraz w stropach i w otworach świetlnych
przepływ ciepła z dołu do góry
przepływ ciepła z góry do dołu
?'
[W/m-K]
e/?'
[m2-K/W]
?'
[W/m-K]
e/?'
[m2-K/W]
?'
[W/m-K]
e/?'
[m2-K/W]
0,30
0,16
0,30
0,16
0,29
0,17
PN-64/B-03404
-/-
R = d/?'
-/-
R = d/?'
-/-
R = d/?'
0,28
0,18
0,30
0,16
0,28
0,21
PN-74/B-03404
Warstwy pionowe
Warstwy poziome
bez folii Rp
z folią Rp
bez folii Rp
z folią Rp
bez folii Rp
z folią Rp
0,24
0,54
0,22
0,40
0,30
1,20
PN-82/B-02020
Warstwy pionowe
Warstwy poziome
przepływ z dołu do góry
przepływ z góry do dołu
0,17
0,15
0,22
Opór cieplny nie wentylowanej warstwy powietrznej. PN-91/B-02020
Warstwy pionowe
Warstwy poziome
przepływ z dołu do góry
przepływ z góry do dołu
0,17
0,15
0,22
ISO 6946
Kierunek strumienia cieplnego
w górę
poziomy
w dół
0,16
0,18
0,21
e, d - grubość przegrody, według oznaczeń z cytowanych norm.
Na podstawie tabeli 2.5 i jej graficznego przedstawienia (rys. 2.5) jest zauważalny wzrost równoważnego współczynnika przewodzenia ciepła warstwy powietrza w poszczególnych normach do lat siedemdziesiątych XX w. Następnie wartość tego współczynnika została obniżona i utrzymuje się na stałym poziomie.
Graficzne przedstawienie zmian wartości oporów cieplnych zamkniętych warstw powietrza, w zależności od Polskich Norm, przedstawiono na rysunku 2.5.
Rys. 2.5. Graficzne przedstawienie zmian wartości oporów cieplnych zamkniętych warstw powietrza, w zależności od Polskich Norm
Rys. 2.6. Zmiany współczynnika przewodzenia ciepła dla wybranych materiałów w zależności od okresu publikacji danych
Podobne zmiany następowały dla wszystkich normowanych materiałów. Dla przykładu wybrano najczęściej stosowane w budownictwie materiały i porównano obowiązujące w różnym czasie współczynniki przewodzenia ciepła (tab. 2.6, rys. 2.6).
Jednym z elementów stanu ochrony cieplnej budynku, który zgodnie z rozporządzeniem [50] jest wymaganym warunkiem projektowym przy realizacji projektów architektoniczno-budowlanych budynków ogrzewanych, jest warunek uniknięcia kondensacji na powierzchni elementu budowlanego. Cytując rozporządzenie [50], możemy przeczytać: W celu zachowania warunku, o którym mowa w § 321 ust. 1 rozporządzenia, w odniesieniu do przegród zewnętrznych budynków mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej i produkcyjnych, rozwiązania przegród zewnętrznych i ich węzłów konstrukcyjnych powinny charakteryzować się współczynnikiem temperaturowym fRsi o wartości nie mniejszej niż wymagana wartość krytyczna, obliczona zgodnie z Polską Normą dotyczącą metody obliczania temperatury powierzchni wewnętrznej koniecznej do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacji międzywarstwowej.
Oznacza to, że przegrody zewnętrzne i połączenia między przegrodami zewnętrznymi a wewnętrznymi powinny być tak zaprojektowane, aby w żadnym okresie ich eksploatacji nie występowało ryzyko wykraplania się pary wodnej na wewnętrznej powierzchni, zwłaszcza w miejscach trudnodostępnych.
W przypadku ryzyka wystąpienia kondensacji powierzchniowej sprawdzany jest następujący warunek:
gdzie:
fRsi > fRsi,max
(2.2)
fRsi,max - czynnik temperaturowy miesiąca krytycznego,
fRsi - czynnik temperaturowy wewnętrznej powierzchni komponentu.
Czynnik temperaturowy miesiąca krytycznego przyjmuje się dla miesiąca, którego wartość fRsi,min jest największa. Czynnik temperaturowy wewnętrznej powierzchni komponentu wyznaczony dla płaskiego elementu oblicza się ze wzoru:
(2.3)
gdzie:
U - współczynnik przenikania ciepła przegrody [W/m2-K],
Rsi - opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody [m2-K/W].
Tabela 2.6. Współczynnik przewodzenia ciepła materiału warstw składowych przegrody ?
Nazwa materiału i rodzaj normy
PN-57/B-02405
Gęstość objętościowa [kg/m3]
Współczynnik przewodzenia ciepła ?
[W/m-K]
Beton z kruszywem kamiennym
Gips - płyty i bloki
Styropian
2200
80
-
1,57
0,33
-
PN-64/B-03404
Gęstość objętościowa [kg/m3]
Współczynnik przewodzenia ciepła ?
dla przegród w warunkach [W/m-K]
suchych
średniowilgotnych
wilgotnych
Beton z kruszywem kamiennym
Gips - płyty i bloki
Styropian
2200
1000
35-25
1,10
0,35
0,037
1,28
0,41
0,037
1,51
0,49
0,041
PN-74/B-03404
Gęstość objętościowa [kg/m3]
Współczynnik przewodzenia ciepła ?
dla przegród w warunkach [W/m-K]
-
średniowilgotnych
wilgotnych
Beton z kruszywem kamiennym
Gips - płyty i bloki
Styropian
2200
1000
20-40
-
1,45
0,41
0,041
1,51
0,49
0,047
PN-82/B-02020
Gęstość objętościowa [kg/m3]
Współczynnik przewodzenia ciepła ?
dla przegród w warunkach [W/m-K]
-
średniowilgotnych
wilgotnych
Beton z kruszywem kamiennym
Gips - płyty i bloki
Styropian
2200
1000
20-40
-
1,30
0,40
0,045
1,50
0,48
0,050
PN-91/B-02020
Gęstość objętościowa [kg/m3]
Współczynnik przewodzenia ciepła ?
dla przegród w warunkach [W/m-K]
-
średniowilgotnych
wilgotnych
Beton z kruszywem kamiennym
Gips - płyty i bloki
Styropian
2200
1000
20-40
-
1,30
0,35
0,040
1,50
0,40
0,045
ISO 6946
Gęstość objętościowa [kg/m3]
Współczynnik przewodzenia ciepła ?
dla przegród w warunkach [W/m-K]
-
średniowilgotnych
wilgotnych
Beton z kruszywem kamiennym
Gips - płyty i bloki
Styropian
2200
1000
15-40
-
1,30
0,35
0,042
1,50
0,40
0,042
Dla wielowymiarowego strumienia cieplnego czynnik temperaturowy wewnętrznej powierzchni komponentu wyznacza się, korzystając na przykład z metody elementów skończonych, zgodnie z PN ISO 10211 [N30], stosując wzór:
(2.4)
gdzie:
?si - temperatura wewnętrznej powierzchni elementu w miejscu połączenia przegród [?C],
ti - temperatura powietrza wewnętrznego [?C],
te - temperatura powietrza zewnętrznego [?C].
Do sprawdzenia ryzyka wystąpienia kondensacji na powierzchni wewnętrznej przegrody należy przyjmować następujące wartości oporu przejmowania ciepła na powierzchni wewnętrznej Rsi:
oszklenie i ramy: 0,13 m2-K/W, górna część pomieszczenia: 0,25 m2-K/W, dolna część pomieszczenia: 0,35 m2-K/W, znaczne ekranowanie powierzchni przez przedmioty, na przykład meble: 0,50 m2-K/W.
Z punktu widzenia projektowego, niedotrzymanie warunku ze wzoru (2.2) może skutkować zawilgoceniem, a w konsekwencji zagrzybieniem fragmentu ściany. Warunek ten w dużym stopniu zależy od lokalnej izolacyjności cieplnej ściany. Najczęściej jest niespełniony w miejscach typowych mostków cieplnych o dużym natężeniu.
W Polsce, ze względu na klimat, na ogół zajmujemy się ograniczaniem strat ciepła przez przegrody budowlane, które są główną przyczyną kosztów ponoszonych na ogrzewanie w okresie zimowym. Tematyka przegrzewania się pomieszczeń w okresie letnim jest traktowana drugorzędnie. Przegrzewanie się pomieszczeń dotyczy pomieszczeń o niskiej izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych, na przykład poddaszy o słabo izolowanym termicznie dachu lub pomieszczeń o dużej liczbie przeszkleń od strony południowej. Obszerne omówienie izolowania przegród, w tym przegród w pomieszczeniach specjalnych, na przykład chłodni, mroźni lub pomieszczeń, w których ze względów technologicznych należy utrzymywać temperaturę znacznie niższą niż powietrza zewnętrznego, wykracza znacznie poza zakres tej książki. Dla przegród przeszklonych, zgodnie z zapisem Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 5 lipca 2013 r. [49] zmieniającego Rozporządzenie [50], należy obliczyć współczynnik przepuszczalności energii całkowitej promieniowania słonecznego (oznaczonego symbolem g). Zgodnie z zapisem w punkcie 2.1.4. załącznika przytoczonego wyżej rozporządzenia, współczynnik g w okresie letnim nie powinien być większy niż 0,35.
Współczynnik ten oblicza się z poniższego wzoru:
g = fC - gn
(2.5)
gdzie:
fC - współczynnik redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne,
gn - współczynnik całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego dla typu oszklenia.
Współczynnik gn przyjmuje się na podstawie deklaracji właściwości użytkowych okna lub zgodnie z tablicą zamieszczoną w punkcie 2.1.5. załącznika wspomnianego rozporządzenia [50] (tab. 2.7).
Tabela 2.7. Wartości współczynnika gn dla poszczególnych typów oszklenia [50]
Typ oszklenia
Współczynnik całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego gn
Pojedynczo szklone
0,85
Podwójnie szklone
0,75
Podwójnie szklone z powłoką selektywną
0,67
Potrójnie szklone
0,70
Potrójnie szklone z powłoką selektywną
0,50
Podwójne
0,75
