izolacyjności cieplnej na konstrukcję fasad wentylowanych · 1 dr inż. Aleksander Byrdy...
Transcript of izolacyjności cieplnej na konstrukcję fasad wentylowanych · 1 dr inż. Aleksander Byrdy...
1
dr inż. Aleksander Byrdy
Politechnika Krakowska
Wpływ zastosowania materiałów o wysokiej
izolacyjności cieplnej na konstrukcję fasad
wentylowanych
2
Rozwiązania materiałowe fasad wentylowanych
Fasady wentylowane są powszechnie stosowane w przegrodach zewnętrznych
budynków użyteczności publicznej, obiektów sportowych, budynków wystawowych, czy w
obiektach infrastruktury komunikacyjnej. Fasady wentylowane pozwalają na realizacje ścian
z okładziną zewnętrzną wykonaną z najwyższej jakości materiałów co wpływa na możliwość
kształtowania nowoczesnej architektury budynków.
Typowe rozwiązanie materiałowe przegrody składa się z warstwy termoizolacyjnej
układanej na warstwie konstrukcyjnej ściany, szczeliny wentylującej przegrodę oraz warstwy
elewacyjnej mocowanej na tak zwanej podkonstrukcji (por. rys.1). Na warstwy elewacyjne
mogą być stosowane bardzo różnorodne materiały takie jak okładziny drewniane i
drewnopochodne, panele aluminiowe, szkło, kamień naturalny, beton architektoniczny,
konglomeraty, ceramika, gresy, czy płyty z włóknocementu. Warstwy okładzinowe
mocowane są do konstrukcji budynku za pomocą rusztu podporowego z profili
aluminiowych, ze stali ocynkowanej lub nierdzewnej, a w przypadku lekkich materiałów
elewacyjnych z impregnowanych łat drewnianych.
Rys.1 Uwarstwienie przykładowej fasady wentylowanej. Oznaczenia: 1-lekka okładzina
elewacyjna, 2- ruszt drewniany, 3- termoizolacja, 4- ściana wypełniająca, 5- pojedynczy kołek
rozporowy (podpora stabilizująca rusztu), 6- układ kołków rozporowych tworzących podporę
nośną rusztu, 7- wieniec stropowy, 8- warstwy podłogi pływającej.
W przypadku elewacji kamiennych płyty elewacyjne mogą być indywidualnie mocowane do
podłoża za pomocą kotwi z płaskownika (por. rys.2). Profile rusztu nośnego mocowane są
najczęściej za pomocą konsol w przestrzeni wentylowanej przegrody-rys.3. Szczelina
wentylująca ma grubość od 2 do 4 cm i jest połączona z powietrzem zewnętrznym poprzez
układ wlotów zlokalizowanych przy podstawie elewacji oraz poprzez otwory wylotowe w
strefach zwieńczenia fasady.
3
W przypadku okładzin z fugami ażurowymi przepływ powietrza odbywa się swobodnie
szczeliny miedzy płytami okładzinowymi. Kolejną warstwę fasad wentylowanych stanowi
warstwa izolacji termicznej mocowana do podłoża za pomocą łączników mechanicznych lub
w połączeniu z mocowaniem techniką klejenia. Izolacja termiczna powinna być zrealizowana
jako ciągła i równomierna warstwa, przymocowana do ściany nośnej. Podłożem nośnym
warstw fasad wentylowanych jest ściana zewnętrzna budynku. Może ona być zrealizowana
jako konstrukcja nośna wzniesiona z żelbetu lub drobnowymiarowych elementów murowych
ewentualnie jako element wypełniający np. z betonu komórkowego lub ceramiki
poryzowanej. W tym drugim przypadku obciążenia pionowe z ciężkich okładzin
zewnętrznych przekazywane są na zakotwienia nośne mocowane do wieńców stropowych.
Rys.2 Schematy mocowania płyt kamiennych w technologii "na sucho" a) płyty mocowane
w na krawędziach poziomych, b) płyty mocowane na krawędziach pionowych. Oznaczenia:
1- tynk wewnętrzny, 2 -warstwa konstrukcyjna ściany, 3 - okładzina kamienna, 4 - pustka
powietrzna, 5 - kotew nośna mocowana w fudze pionowej, 6 - termoizolacja ściany, 7- kotew
stabilizująca, 8 - kotew nośna mocowana w fudze poziomej.
Rys.3 Fasada wentylowana z ciężką okładziną elewacyjną. Oznaczenia: 1- płyta
okładzinowa, 2- uchwyt mocujący płytę elewacyjną, 3- kotwa niewidoczna (tzw. tyłowkręt),
4- konsola nośna, 5- podkładka izolacyjna, 6- szyna rusztu (szczelina wentylująca), 7-
termoizolacja, 8- tynk wewnętrzny, 9 -warstwa konstrukcyjna ściany.
4
Wymagania techniczne stawiane fasadom wentylowanym
Fasady wentylowane stanowią wierzchnią warstwę ścian zewnętrznych. Poza ciężarem
własnym muszą przenosić obciążenia środowiskowe oddziaływujące na okładzinę. W
zakresie bezpieczeństwa konstrukcji fasady muszą spełniać wymagania dotyczące odporności
na uderzenia, muszą także przenosić obciążenia wiatrem i temperaturą. W zakresie
użytkowym fasady wentylowane są weryfikowane pod względem ich wodoszczelności,
zdolności odprowadzania wody deszczowej i trwałości elementów składowych.
Straty cieplne przez ściany zewnętrzne mają największy udział w stratach ciepła budynku,
dlatego rozwiązanie materiałowe izolacji termicznej jest ważnym etapem projektowania
budynków z fasadami wentylowanymi. Podstawowym kryterium określania izolacyjności
cieplnej ścian zewnętrznych jest określany obliczeniowo współczynnik przenikania ciepła U.
Według aktualnych wymagań maksymalne wartości współczynników przenikania ciepła U
dla ścian nie powinny przekraczać wartości U= 0,25 [W/(m2K)]. W Rozporządzeniu Ministra
Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej [1] dopuszczalny współczynnik U maleje do
wartości U= 0,23 [W/(m2K)] i w kolejnych latach nadal będzie obniżany do wartości
pokazanych na rys.4.
Rys.4 Wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej ścian graniczących z pomieszczeniami
ogrzewanymi ( ti>16oC) zawarte w [1].
Przy obliczaniu współczynnika ciepła U fasad wentylowanych nie uwzględnia się warstw
zewnętrznych od strony przestrzeni wentylowanej przegrody oraz izolacyjności szczelin
wentylacyjnych. Najważniejszą warstwą izolacyjną jest izolacja termiczna wykonywana
najczęściej z wełny mineralnej, styropianu EPS, płyt XPS, płyt z pianki poliuretanowej lub z
twardej pianki rezolowej. Miarą sprawności materiałów izolacyjnych jest współczynnik
przewodności cieplnej λ. Zestawienie krzywych zależności pomiędzy grubością izolacji o
różnych współczynnikach λ a współczynnikiem przenikania ciepła fasad wentylowanych
pokazano na rys.5.
0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26
do 31.12. 2016
do 31.12. 2020
od 01.01. 2021
Umax [W/(m2K)]
Czas trwania wymagań
5
Przy określaniu współczynnika przenikania ciepła U fasad wentylowanych, zalecane jest
zgodnie z [2] uwzględnienie niejednorodności (nieciągłości) warstw izolacyjnych elewacji
wentylowanych. Przykładowo należy uwzględniać punktowe mostki termiczne występujące w
miejscach zastosowania konsol mocujących podkonstrukcję warstw elewacyjnych (por.
rys.3).
Rys.5 Zależność między grubością termoizolacji o różnym współczynniku λ i uzyskanym
obliczeniowo współczynnikiem przenikania ciepła U dla fasad wentylowanych mocowanych
do ściany żelbetowej o grubości 20 cm bez uwzględnienia punktowych mostków
termicznych.
W sytuacjach wyjątkowych np. w warunkach pożaru fasady wentylowane powinny zapewnić
bezpieczeństwo prowadzenia ewakuacji i pracy ekip ratowniczych. Fasady wentylowane
powinny ograniczać rozprzestrzenianie się pożaru na sąsiednie kondygnacje budynku i
sąsiadujące budynki. Zgodnie z [1] elementy okładzin elewacyjnych powinny być mocowane
do konstrukcji budynku w sposób uniemożliwiający ich odpadanie w przypadku pożaru w
czasie krótszym niż wynikający z wymaganej klasy odporności ogniowej dla ściany
zewnętrznej, odpowiednio do klasy odporności pożarowej budynku, w którym są one
zamocowane. Warstwy izolacji termicznej ścian zewnętrznych budynków podlegających
klasyfikacji pożarowej powinny być wykonane z materiałów nierozprzestrzeniających ognia
(NRO), a na wysokości budynku powyżej 25 m od poziomu terenu okładziny elewacyjne, ich
zamocowanie, a także izolacja cieplna ściany zewnętrznej powinny być wykonane z
materiałów niepalnych [1], [3].
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22
Umax [W/(m2·K)]
d [m]
λ = 0,038 [W/(m·K)]
λ = 0,035 [W/(m·K)]
λ = 0,034 [W/(m·K)]
λ = 0,031 [W/(m·K)]
λ = 0,021 [W/(m·K)]
λ = 0,02 [W/(m·K)]
6
Wyjątek stanowią elewacje wentylowane ścian zewnętrznych budynków ZL II, w których
dopuszcza się do wysokości 25 m od poziomu terenu, zastosowanie izolacji cieplnej palnej,
jeżeli osłaniająca ją od wewnątrz okładzina jest niepalna i ma klasę odporności ogniowej co
najmniej:
1) w budynku klasy odporności pożarowej „B" - EI 60,
2) w budynku klasy odporności pożarowej „C" i „D" - EI 30.
W praktyce oznacza to, że ściany z fasadami wentylowanymi powinny być izolowane
termicznie materiałami niepalnymi (np. wełna mineralna) lub nierozprzestrzeniającymi ognia
(np. płytami z piany rezolowej [4]).
Zalecane materiały termoizolacyjne do fasad wentylowanych
Tradycyjnie w fasadach wentylowanych stosowana jest wełna mineralna kamienna lub
szklana. W celu poprawy jej parametrów użytkowych wełna przeznaczona do elewacji
wentylowanych powinna być od zewnętrznej strony zabezpieczona warstwą wiatroizolacyjną.
W zastosowaniach praktycznych najczęściej stosowana jest wełna pokryta fabrycznie
welonem szklanym po stronie zewnętrznej.
Nowym materiałem stosowanym do fasad wentylowanych są płyty z pianki rezolowej. Płyty
izolacyjne mają postać twardej pianki na bazie rezoli w 100% wolnej od zawartości chloro- i
fluoropochodnych węglowodorów alifatycznych (freonów CFC/HCFC). Twarda pianka
rezolowa powstaje w procesie łączenia żywicy rezolowej, mocznika, węglanu wapnia,
katalizatora i bezpiecznego dla środowiska środka spieniającego. Struktura komórkowa w
żywicy powstaje pod wpływem temperatury uwalnianej podczas zachodzącej reakcji
chemicznej. W rezultacie, środek spieniający zostaje zamknięty w masie surowca
umożliwiając powstanie solidnej, bardzo delikatnej i prawie w 100% zamkniętej struktury
komórkowej. Tradycyjnie rezole wchodziły w skład dawniej powszechnie stosowanych
tworzyw sztucznych produkowanych pod nazwą bakelit. Bakelit był jednym z pierwszych
tworzyw sztucznych wykorzystywanych do wytwarzania gniazdek elektrycznych i
telefonów. Obecnie stosuje się go jako składnik klejów, farb kryjących , płyt
wiórowych, MDF itp. Formułę twardą pianki na bazie rezoli opracowano jako lepsza
alternatywa dla obecnie produkowanych materiałów izolacyjnich. Pianka rezolowa ma
najniższą wartość współczynnika izolacyjności cieplnej na rynku (λ=0,020÷0,021 W/(mK))
[5].
7
Wpływ rozwiązania mocowania fasad wentylowanych na izolacyjność termiczną
przegrody
Grubość izolacji termicznych w ścianach z fasadami wentylowanymi ma bezpośredni
wpływ na przekrój i rozstaw konsol mocujących i podpierających podkonstrukcję okładzin
elewacyjnych. Układ konstrukcji wsporczej zależy od ciężaru elewacji, rozwiązania
mocowania systemowego, czy koncepcji architektonicznej konkretnej fasady. Z tych
powodów izolacyjność każdej przegrody z fasadą wentylowaną trzeba określać
indywidualnie. Na podstawie przeprowadzonych analiz numerycznych trójwymiarowych
modeli mostków termicznych stwierdzono znaczny spadek izolacyjności cieplnej ścian z
uwzględnieniem strat cieplnych przez konstrukcję wsporczą w stosunku do analiz bez
uwzględniania tego efektu [6], [7]. W celu określenia wpływu punktowego mostka
termicznego w postaci zakotwienia zaleca się przeprowadzanie analiz MES dla modelu 3D
mostka termicznego. Jako przykładową analizę punktowych mostków cieplnych w ścianach z
okładziną kamienną przeprowadzono na przykładzie ściany zewnętrznej biurowca IBM w
Katowicach. Rzeczywiste uwarstwienie ścian budynku i przykład równoważnego
uwarstwienia z użyciem płyt rezolowych w analizowanym budynku pokazano na rys.6.
Rys.6 Układ zakotwień płyty i uwarstwienie analizowanej przegrody: a) ściana izolowana
wełną mineralną, b) ściana izolowana płytami rezolowymi. Oznaczenia: 1- żelbetowa ściana
konstrukcyjna, 2- wełna mineralna, 3- wentylowana szczelina powietrzna, 4- płyta
okładzinowa z piaskowca, 5- kotew nośna ze stali nierdzewnej, 6- płyta rezolowa.
Analizę obliczeniową przepływu ciepła przez przegrodę przeprowadzono za pomocą
programu Psi-Therm 3D 2012. Sprawdzono przepływ ciepła przez 1 m2 przegrody przy
założeniu stałych warunków brzegowych wewnątrz budynku i w szczelinie wentylowanej. Do
obliczeń przyjęto różnicę temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego budynku
równą 25oC (+20 oC powietrze wewnętrzne i -5 oC powietrze w szczelinie wentylowanej).
8
Rozkład izoterm temperatur dla węzła kotwiącego z płaskownikiem ze stali nierdzewnej
pokazanego na rys. 6b wraz z temperaturą kotwi na styku z zewnętrzną powierzchnią
termoizolacji przedstawia rys.7.
Rys.7 Rozkład izoterm temperaturowych w przegrodzie izolowanej płytami rezolowymi w
modelu 3D.
Zgodnie z [2] efekt punktowych mostków termicznych można obliczać wg wzoru (1):
UU cU (1)
w którym:
U - współczynnik przenikania ciepła przegrody bez mostków [W/(m2K)],
ΔU - poprawka do współczynnika przenikania ciepła uwzględniająca łączniki
mechaniczne [W/(m2K)].
Zgodnie z [8] w analizach dokładnych poprawka do współczynnika przenikania ciepła
uwzględniająca łączniki mechaniczne wyrażona jest wzorem (2):
ff nU (2)
w którym:
nf - ilość łączników przypadających na 1 m2 przegrody,
9
χ - punktowy współczynnik przenikania ciepła obliczany wg
wzoru (3) [].
iiD AUL 3 (3)
gdzie:
L3D - współczynnik sprzężenia cieplnego otrzymany z obliczenia
komponentu 3-D [W/K],
Ui - współczynnik przenikania ciepła komponentu 1-D
[W/(m2K)],
Ai - pole powierzchni komponentu[m2],
Na podstawie wzoru 2 i wzoru 3 przeprowadzono obliczenia poprawki do współczynnika
przenikania ciepła ΔU uwzględniającej wpływ zakotwień na izolacyjność termiczną
przykładowej ściany z okładziną kamienną, który wyniósł 0,033 [W/(m2K)].
Podsumowanie
Zastosowanie izolacji termicznych o wysokim współczynniku izolacyjności cieplnej pozwala
na znaczne zredukowanie grubości przegród zewnętrznych budynków. W analizowanym
przykładzie ściana zewnętrzna przy identycznych parametrach izolacyjności cieplnej dzięki
zastosowaniu wysokosprawnej izolacji termicznej była o 10 cm cieńsza.
Ze względu na znaczną różnicę izolacyjności cieplnej wełny mineralnej i płyt rezolowych
znacznie zmniejszył się także wysięg kotew nośnych (por. rys.6). W rozwiązaniu z wełną
mineralną zgodnie z przeprowadzonymi obliczeniami przekrój kotwi wynosił 6/35mm,
natomiast w rozwiązaniu z płytami rezolowymi 6/25 mm. Ma to wpływ nie tylko na koszt
realizacji elewacji, ale także znacznie redukuje nakłady na robociznę przy osadzaniu
zakotwienia.
Zredukowany przekrój podpór i zakotwień pozwala też na zmniejszenie strat ciepła w
budynkach z fasadami wentylowanymi. Jednakże ze względu na małą grubość izolacji istnieje
ryzyko intensyfikacji strat ciepła przez mostki termiczne, dlatego w fazie projektowej
zalecane jest określenie poprawki do współczynnika przenikania ciepła ΔU w oparciu o
analizy 3D.
Ze względu na indywidualny charakter każdej realizacji mocowania fasad wentylowanych,
wpływ jej mocowania na izolacyjność cieplną ścian powinien być każdorazowo analizowany.
Dla zredukowania wpływu punktowych mostków termicznych zalecane jest stosowanie
podkładek ze spienionego PVC lub konsol kompozytowych.
10
Literatura
1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny
odpowiadać budynki i ich usytuowanie z dnia 12 kwietnia 2002 (Dz. U. Nr 75, poz. 690) z
późniejszymi zmianami.
2. PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i
współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.
3. Niziurska M., Wieczorek M.: Bezpieczeństwo pożarowe ścian zewnętrznych budynków.
Izolacje 1/2013
4. Klasyfikacja ogniowa w zakresie rozprzestrzeniania ognia przez ściany przy działaniu
ognia od strony elewacji 01284/15/Z00NP. ITB Warszawa 2015
5. Karta techniczna Kooltherm K15.
6. Byrdy A.: Point thermal bridges in walls with external stone layer . Czasopismo techniczne
3-B/8/2014, Politechnika Krakowska Kraków 2014 ISSN 0011-4561 p.49-55
7. Patrika R., Kalousek M.: Spidi kotvy u provětrávaných fasád. XII th. International Conference Defects and Renovation of Building Envelope Structures. Podbanske 07th.-09th. March 2012 p.261-268. ISBN 978-80-553-0798.
8. PN-EN ISO 10211:2008 Mostki cieplne w budynkach . Strumienie ciepła i temperatury
powierzchni. Obliczenia szczegółowe