Materiały i technologie Ocieplenia fundamentów i podłóg na gruncie w budynkach energooszczędnych mgr inż. Jerzy Zembrowski*) Od momentu naszego wstąpienia do UE jesteśmy zobowiązani do wdrażania dyrektyw UE, m.in. dyrektywy 2002/91/EC wprowadzającej konieczność uzyskiwania od 2009 r. certyfikatów energetycznych budynków, dyrektywy 93/76/EWG dotyczącej ograniczenia emisji CO2 oraz obowiązku certyfikacji budynków w tym zakresie, a także dyrektywy 2006/32/ WE, która nakazuje uzyskanie w krajach członkowskich 9% oszczędności zużycia energii w latach 2008–2016. Dyrektywy te nie są wynikiem mody czy pomysłów biurokratów, lecz wynikają z dwóch ważnych konieczności: powstrzymania efektu cieplarnianego oraz ograniczania zużycia energii z powodu wyraźnie kurczących się zasobów energetycznych. Pierwszy aspekt wiąże się z potrzebą ochrony środowiska, drugi zaś ma uchronić nas – użytkowników budynków – przed wysokimi kosztami utrzymania domów, ceny energii rosną bowiem w zawrotnym tempie i nadal będą rosły. W W praktyce projektowej i wykonaw-PROJEKTOWANIE ocieplenia czej popełnia się wiele błędów, np. fundamentów i podłóg na gruncie grubość warstw termoizolacyjnych określa się wedle granicznych wartości współ-Projektowanie i budowa domów energoczynników przenikania ciepła U, zaś za-oszczędnych wymagają pełnej współpracy gadnienia dyfuzji pary wodnej się pomi-architekta ze specjalistą fizyki budowli, nieja. W rezultacie powstające obiekty nie zbędne jest bowiem wspieranie się wieloma mają jasno określonych charakterystyk analizami z tego zakresu. cieplnych, natomiast stan wilgotnościo-Podstawowa jest analiza określająca ekowy przegród tracących ciepło jest loso-nomicznie uzasadnione wartości współczynwy. Ponieważ jednak projektowanie bu-ników przenikania ciepła U poszczególnych tQswtztQpgQoQfQdwQc.w.u. Qdynków energooszczędnych staje się ko-przegród budynku. Analizę taką wykonuniecznością, niezbędna jest zmiana meto-je się po sporządzeniu wstępnego projektu dyki projektowania. Swoboda wykonaw-architektonicznego oraz po ustaleniu przez ców w wyborze technologii będzie wtedy inwestora oczekiwanej klasy energetycznej wykluczona. obiektu (model budynku energooszczędneCzęsto słyszy się, iż domy energoosz-go i jego zapotrzebowanie na energię cieplczędne to takie, w których wystarczy za-ną przedstawiono na rys. 1). Podstawowym stosować ocieplenie o gr. 25–30 cm w ścia-celem jest minimalizacja sumarycznego zanach i podłogach. Nic bardziej błędnego, potrzebowania na ciepło, tj. znalezienie roza praktyka wskazuje, że kwestia ocieplania wiązania sumy Qs + Qo + Qd + Qf + Qp+ fundamentów czy podłóg na gruncie jest Qw + Qc.w.u. = minimum. Człon Qw oraz Qc.w.u. kompletnie nie rozpoznana. Jedni do ocie-(mający największy udział w domach enerplenia podłóg stosują termoizolacje o tej gooszczędnych) wymaga oddzielnego roz- Rys. 1. Bilans strat ciepła budynkusamej gr., co na ścianach, inni – o mniej-patrzenia. mieszkalnego: tw – temp. wewnętrzna, tz – temp. szych grubościach. Jedni ocieplają funda-Zajmijmy się fundamentami i podłogą na zewnętrzna, tg – temp. gruntu, Qs – straty ciepła menty od zewnątrz, inni – od środka. Zda-gruncie. Po zbilansowaniu zapotrzebowania przez ściany, Qo – straty ciepła przez okna i drzwi, Qd – straty ciepła przez dach, Qf – straty nia są jak zwykle podzielone. budynku na ciepło określa się poziom odnie ciepła przez fundamenty, Qp – straty ciepła przez sienia – przegrodę o największym udziale podłogi na gruncie, Qw – zapotrzebowanie na *) Baza Doradztwa Budowlanego BDB, w stratach cieplnych, dla której oblicza się ciepło do wentylacji, Qc.w.u. – zapotrzebowanie na www.bdb.com.pl ekonomicznie uzasadnioną wartość współ- moc cieplną na cele przygotowania c.w.u. Fot. 1. Ocieplenie fundamentu Fot. 2. Ocieplenie podłogi na gruncie PREZENTACJA IZOLACJEV2008 Materiały i technologie czynnika przenikania ciepła Ue oraz wynikającą stąd grubość i rodzaj warstwy termoizolacyjnej. Zwykle przegrodą odniesienia są ściany zewnętrzne lub dach i ich straty cie- pła przez przenikanie Qs lub Qd. Następnie przystępuje się do analizy cieplno-wilgotnościowej takiej przegrody w aspekcie uniknięcia kondensacji pary wodnej lub jej minimalizacji i wykluczenia przez to korozji biologicznej. Kolejnym krokiem jest określenie grubości warstwy termoizolacyjnej podłogi na gruncie. GRUBOŚĆ termoizolacji podłogi Spośród kilku modeli przenikania ciepła przez podłogę na gruncie największe uznanie znalazł model Henrikssona przedstawiony w 1959 r. (rys. 2). Wyróżnia on dwie strefy przenikania ciepła: strefę wzdłuż ścian ze- wnętrznych o szer. s1 (gdzie strumień cie- pła przenikającego Q1 jest zależny od zmian temperatury powietrza zewnętrznego tz) oraz strefę s2 (gdzie nie ma zależności strat ciepła Q2 od zmian tz). Ilość ciepła przenikającego w strefie o szer. s1 i dł. L określa się równaniem: Q = U (t - t )s ·L [W] (1). 1 1w z1 Współczynnik przenikania ciepła U1 w tej strefie wynosi: . .... . . 1 .. . 1 .. 1 .·s1 .. U =. . ln .1+. ..+ .. [W/(m2·K)] (2). 11 .·s1 .. . 1 .. + R .wg gg.. .. . + . .. . ... . p .. . . wg . w . Ilość ciepła przenikającego w strefie o szer. s2 i tej samej dł. L określa się jako: Q = U (t - t )s ·L [W] (3). 2 2w g2 Współczynnik przenikania ciepła U2 w tej strefie wynosi: .. . 1 .. 1 .(s1 + s2 ). 1+...+ . 1 . 2. .+ R ..wg . . p . .. 2w . U2 = .·s ln [W/(m2·K)] (4), 1 + 2 .. .. . 1 .. 1 .·s . wg 1 1 11+. ..+ . .. 1 + R .. .w2.g .. ..wp . gdzie: .w – współczynnik przejmowania ciepła przy podłodze [W/(m2·K)], .g – współczynnik przewodzenia ciepła gruntu [W/(m·K)] Rp – opór cieplny przewodzenia wszystkich warstw podłogi [m2·K/W]. Po ustaleniu wartości Ue dla przegrody odniesienia można określić jednostkowy strumień ciepła qe w warunkach obliczeniowych. Idealnym rozwiązaniem dla budynku energooszczędnego jest takie, w którym jednostkowe strumienie ciepła przenikającego przez poszczególne przegrody będą so t w t z s1 s2 Q1 t g Q2 Rys. 2. Model strat ciepła do gruntu według Henrikssona: tw – temp. wewnętrzna, tz – temp. zewnętrzna, tg – temp. gruntu, Q1 – strumień ciepła w strefie o szer. s1, Q2 – s strumień ciepła w strefie o szer. s2 bie równe. Wówczas wyeliminuje się mostki cieplne oraz uzyskuje rozwiązanie energetyczne najbardziej zbliżone do optymalnego. Dla lepszego wyjaśnienia oprzyjmy się na konkretnym przykładzie budynku jednorodzinnego zlokalizowanego pod Warszawą, dla którego założono klasę energetyczną z zapotrzebowaniem na ciepło w wysokości 78 kWh/m2·rok. Wartość Ue ścian wynosi 0,16 W/(m2·K) (ściana: bloczek gazobetonowy 500 o gr. 24 cm ocieplony styropianem o gr. 20 cm z wyprawą mineralną). ponieważ ilość ciepła Q2 przenikającego przez strefę s2×L daje strumień ciepła q2, to ze wzorów (3) i (4) uzyskuje się zależność określającą grubość warstwy ocieplenia podłogi w tej strefie. Jako ocieplenie podłogi przyjmijmy płyty ze styropianu STEINODUR ® PSN HD (producent: Izoterm) o współczynniku przewodzenia ciepła . = 0,034 W/(m·K). Ich wytrzymałość na ściskanie wynosi 250 kPa (przy odkształceniu 2%), co gwarantuje nie tylko wysokie parametry cieplne, lecz także przenoszenie dużych obciążeń użytkowych i własnych podłogi. Dla strumienia ciepła qe oraz pod podłogą gruntu piaszczystego średnio wilgotnego (.g= 0,40 W/(m·K) oraz warstwy betonu podkładowego podłogi o gr. 10 cm i warstwy dociskowej o gr. 6 cm uzyskuje się gr. warstwy termoizolacyjnej dp2 = 0,06 m. Postępując identycznie (ze wzorów (1) i (2)), w strefie s1 uzyskuje się gr. warstwy termoizolacji wynoszącą od dp1 = 0,08 m. W Polsce w latach 1972–1973 J.A. Pogorzelski przeprowadzał analizę wpływu oporu cieplnego podłóg na gruncie na oba współczynniki przenikania U1 oraz U2. Na podstawie badań Henrikssona uwzględniał szer. stref odpowiednio: s1 = 0,75 m, zaś s2 równą połowie szerokości podłogi. W ostatnich polskich normach strefy te określa się podobnie, chociaż s1 przyjmu je się 1,0 m (z zapasem ze względów bezpieczeństwa). Z analizy tej wynikało, że wpływ grubości ocieplenia w strefie s2 na wielkość strat ciepła podłogi jest niewielki – szczególnie położonych na gruntach przepuszczalnych i relatywnie suchych. W strefie s1 powstała graniczna wartość oporu cieplnego podłogi 0,86 m2·K/W, po- wyżej którego nie jest opłacalne ocieplanie tej strefy podłogi. Opór ten odpowiada grubości styropianu ok. 4 cm. Trzeba zaznaczyć, że fundamenty analizowanego wówczas budynku nie były izolowane termicznie, zaś współczynniki przenikania ciepła ścian budynku określane wówczas przez normy wynosiły ok. 1,16 W/(m2·K). Wnioski z tamtych badań długo obowiązywały w Polsce, a i dzisiaj nierzadko spotyka się projekty, gdzie podłogi na gruncie ociepla się wyłącznie w pasie o szer. 1 m od ścian zewnętrznych. Skoro jednak mówimy o budynkach energooszczędnych, przypadki rezygnacji z ocieplania całych podłóg nie będą miały miejsca. LOKALIZACJA warstw ocieplenia podłogi i fundamentów Niezwykle ważnym zagadnieniem jest lokalizacja obliczonych warstw ocieplenia. Z punktu widzenia ruchu ciepła możliwe są do zastosowania dwa rozwiązania (rys. 3). Mimo iż są to rozwiązania równoważne, to wariant A ma tę wadę, iż w linii zmiany grubości warstw ocieplenia występuje realne za- grożenie pęknięcia warstwy dociskowej na skutek karbu w tym miejscu (ocieplenia będą leżeć na jednej płaszczyźnie betonu podkładowego, warstwa dociskowa będzie zaś miała różną grubość). Polecanym rozwiązaniem jest zatem wariant B. Wariant ten byłby do przyjęcia, gdyby nie fakt ocieplania ścian zewnętrznych w domach energooszczędnych i związana z tym konieczność uniknięcia kondensacji pary wodnej w fundamencie w strefie przemarzania gruntu. Z tego względu celowe jest zastosowanie warstwy ocieplenia o gr. dp2 na całej powierzchni podłogi, a przenieść warstwę o gr. dp1 na zewnętrzną powierzchnię fundamentu. W ten sposób można wyeliminować nie tylko przemarzanie fundamentu, lecz także wykorzystać pojemność cieplną jego masy w celu podniesienia stateczności cieplnej budynku. Rozwiązanie to przedstawiono na rys. 4. Ma ono pewną ważną wadę: groźbę istnienia mostka cieplnego (oznaczonego czerwoną strzałką), który skutkować będzie nie tylko zwiększonymi stratami ciepła przez ścianę budynku i fundament do gruntu, lecz także zawilgoceniem i pleśnią IZOLACJEV2008 PREZENTACJA Materiały i technologie Q2ddp2p1 poziomej warstwy ocieplenia podłogi. Wymagana wysokość Hd ocieplenia dodatkowego dp3 wyniesie: . t b Hd = dp2 · [] (5). g m .op Dla omawianego przykładu współczynnik t ścian w strefie tuż nad podłogą. By uniknąć cie ścian fundamentowych. Do tego trzeba w t tego zjawiska, należy wprowadzić dodatko-spełnić trzy warunki: s s z 1 2 wą warstwę ocieplenia po drugiej stronie • zasypanie wykopów nie powinno nastąfundamentu o gr. dp3 zbliżonej do dp2. Dłu-pić później niż wczesną wiosną, aby do zimy Q1 A gość tej warstwy powinna być tak określona, pozostało przynajmniej 7 mies., żeby opór przewodzenia ciepła przez ścianę • płyty STEINODUR® PSN HD należy fundamentową był równy oporowi cieplnemu układać na ścianach fundamentowych row kami w stronę gruntu, natomiast bezpośrednio na całej ich powierzchni przed zasypaniem wykopów należy położyć warstwę mocnej geowłókniny, • opaska wokół budynku musi być wykonana z kruszywa płukanego 16–32 mm (lub grubszego) na szer. przynajmniej 50 cm. przewodności cieplnejściany fundamentowej (bloczki betonowe 1900 kg/m3) wynosi = 1,0 W/(m·K). Dzięki zastosowaniu płyt STEINODUR® PSN HD uzyskujemy gr. Hd = 1,77 m. Wartość ta była możliwa do zastosowania, ponieważ ściany fundamentowe zagłębiono w gruncie na 1,0 W ten sposób zapewni się swobodne ujście pary wodnej, która z mokrych fundamentów poprzez hydroizolację oraz ocieplenie będzie dyfundować do otoczenia na zewnątrz przez rowki płyt, aż fundamenty wyschną. *** Obliczenia grubości warstw ociepleń twtztgQ1Q2s1s2dp2dp1 m (do wierzchu ław), a wymaganą wysokość podłóg na gruncie oraz fundamentów w bu- B wyniesienia podłogi ponad teren projektant zmienił na 0,77 m (zamiast planowanego 0,35 m). Przykład ten przedstawiono rys. 5. Na uwagę zasługuje fakt, iż płytkie posadowienia domów jednorodzinnych (tak często i chętnie stosowane w różnych regionach kraju) będą wykluczone w domach energooszczędnych, chyba że zamiast popularnych bloczków betonowych będą zastosowane inne materiały o wymaganej wytrzymałości na ściskanie, ale mniejszym współczynniku przewodzenia ciepła, lub będą przewidziane głębsze posadowienia fundamentów. Zasypywanie WYKOPÓW Jeśli posadowienia z betonu będą głębsze, ale wykonawca nie odczeka przed zasypaniem wykopów, zanim beton osiągnie wilgotność masową poniżej 5%, można się spo dynkach energooszczędnych należy wykonywać dla każdego projektu indywidualnie, gdyż klasa energetyczna obiektu musi być zawsze zweryfikowana ilością stopniodni dla danej miejscowości, tj. musi uwzględniać położenie danego budynku na terenie kraju. Nie jest możliwe unifikowanie rozwiązań w domach energooszczędnych, gdyż te same rozwiązania materiałowe nawet jednakowych architektonicznie budynków, ale znajdujących w różnych strefach, dają różne wartości charakterystyk cieplnych. Przykładowo przy temp. wewnętrznej +20°C budynek we Wrocławiu mający zużycie energii na poziomie 83 kWh/m2·rok w Suwałkach osiągnie wskaźnik w wysokości 97 kWh/m2·rok – wykonany w tej samej technologii i według tego samego projektu. LITERATURA Rys. 3. Równoważne pod względem cieplnym ocieplenia podłogi: A – poziome, B – pionowe twtztgs1s2dp2dp1 Rys. 4. Rozdzielenie ocieplenia na część dziewać występowania mostków cieplnych 1. J.A. Pogorzelski, „Fizyka cieplna budowli”, poziomą podłogi i pionową fundamentu PWN, Warszawa, 1976. w ścianach zewnętrznych tuż nad podłogą 2. J.B. Zembrowski, „Nowoczesne izolacje piw- i związanych z tym poważnych problemów - nic”, „Kalejdoskop Budowlany”, nr 6/1998. J.B. Zembrowski, „Ruch ciepła i wilgoci przez szczególnie w regionach kraju o niskich tem 3. 0,77 m 1,00 m z dp2 H d wych płyt STEINODUR® PSN HD do ocie dp2 pleń fundamentów istnieje możliwość wcześniejszego zasypywania wykopów nawet przy wyższej wilgotności betonu, ponieważ t w peraturach zimą (strefa IV i V). przegrody budowlane”, „Kalejdoskop Budowlany”, nr 3/2000. W przypadku zastosowania przykłado t KONTAKT można wykorzystać ukształtowane w nich po jednej stronie rowki o głębokości kilku dp1 mm. W takiej sytuacji do wykonania hydro-Izoterm Sp. z o.o. izolacji pionowych ścian fundamentowych ul. Gdańska 14 t 05-152 Cząstków Maz. k. W-wy g należy użyć nie mas bitumicznych, lecz poli tel.: (0-22) 785 06 90, fax: (0-22) 785 06 89 merowo-cementowych typu „flex”. Stawia- Rys. 5. Poprawne ocieplenie podłogi na gruncie i fundamentu w przykładowym budynku izoterm@izoterm.waw.pl ją one niski opór dyfuzyjny wobec pary wod www.izoterm.waw.pl, www.steinbacher.pl niepodpiwniczonym nej, co pozwoli na wystarczające wyschnię PREZENTACJA IZOLACJEV2008