Budujesz z betonu komórkowego ???

Zapotrzebowanie na ciepło w pierwszych latach eksploatacji budynku  

Skrócony okres wzniesienia budynku w istotny sposób wpływa na stan wilgotnościowy ścian zewnętrznych.

Współczesne budynki jednorodzinne są często wznoszone w ciągu trzech kwartałów (wiosna–jesień) i zasiedlane zazwyczaj w sezonie zimowym. Jest to szczególny przypadek, w którym wilgoć eksploatacyjna nakłada się na technologiczną, powodując tym samym niekorzystne warunki wilgotnościowe przez pierwsze lata użytkowania. W konsekwencji parametry cieplne przegród odbiegają od założonych w projekcie. Czas do osiągnięcia wilgotności ustabilizowanej zależy od warunków wysychania – problem ten szczegółowo zostanie omówiony w niniejszym artykule.

Budownictwo jednorodzinne bazuje przede wszystkim na technologiach tradycyjnych, które charakteryzują się znaczną ilością wilgoci wprowadzanej do wnętrza konstrukcji w trakcie budowy. W fazie budowy stan wilgotnościowy ścian ustala się w wyniku wprowadzenia wody:

– związanej z produkcją i składowaniem wyrobów,

– technologicznej wprowadzanej w trakcie murowania i tynkowania ścian,

– pochodzącej z opadów atmosferycznych.

1

Rys. 1 Suma miesięcznych opadów atmosferycznych dla Bydgoszczy

Zgodnie ze sztuką budowlaną ta wilgoć powinna być usunięta z przegrody do momentu oddania budynku do użytkowania, ponieważ obniża izolacyjność termiczną przegród i podnosi wilgotność powietrza we wnętrzu budynku. Jednak w praktyce często nie ma możliwości, aby budynek wysechł – pełny cykl budowy zamyka się w trzech kwartałach (wiosna–jesień). W tym czasie ściany są wielokrotnie nawilgacane w wyniku opadów atmosferycznych – w polskich warunkach klimatycznych okresy bezdeszczowe są bardzo krótkie, a miesiące wiosenno-letnie charakteryzują się wysokim poziomem opadów.  Analiza sum miesięcznych opadów atmosferycznych dla Bydgoszczy w wybranych trzech kolejnych latach wykazuje, że najwyższe opady wystąpiły w lipcu i sierpniu każdego roku (rys. 1).

W stanie nałożenia wilgoci atmosferycznej i technologicznej ściany są ocieplane i tynkowane. Zasiedlenie następuje zazwyczaj w sezonie zimowym. Należy jednak pamiętać, że w takim przypadku wilgoć eksploatacyjna nakłada się na technologiczną, powodując tym samym szczególne warunki wilgotnościowe przez pierwsze lata użytkowania.

2

Rys. 2 Układy materiałowe ścian przyjęte do analizy

Wpływ wilgotności na przewodność cieplną autoklawizowanego betonu komórkowego (ang. Aerated Autoclaved Concrete, AAC) jest przedmiotem badań w wielu krajach. Autorzy [1] przedstawiają problem określenia współczynnika przewodzenia ciepła w różnych warunkach wilgotnościowych, uwzględniając obowiązującą normę ISO 10456 [2] i badania eksperymentalne. W wyniku badań laboratoryjnych [1] ustalono, że w zakresie wilgotności do 5% poprawna jest zależność normowa (funkcja ekspotencjalna). Powyżej 5% przebieg zmian jest zbliżony do liniowych, co potwierdzają badania wykonane na polskich wyrobach w zakresie wysokich wilgotności [3].

Zgodnie z normą [2] zależność przewodności cieplnej od zawartości wilgoci jest funkcją ekspotencjalną.

gdzie: lmoist – przewodność obliczeniowa materiału, W/mK

l10, dry – wartość deklarowana przewodności cieplnej, W/mK

fu – współczynnik konwersji ze względu na wilgotność

u1 – zawartość wagowa wilgoci w pierwszej klasie warunków brzegowych, kg/kg

u2 – zawartość wagowa wilgoci w drugiej klasie warunków brzegowych, kg/kg

Zmiany wilgotności wpływają również na pojemność cieplną AAC. Badania [4] wskazują, że wartości te zmieniają się liniowo od (r·c) 0% 5,82·10-5 do (r·c) 20% 12,6·10-5. Zmiany przewodności cieplnej i pojemności cieplnej betonu komórkowego wpływają bezpośrednio na bilans energetyczny budynku. Problem wpływu zawilgocenia ścian z betonu komórkowego szeroko przeanalizowano w [5] i [6], wskazując na istotne znaczenie wszystkich czynników kształtujących zapotrzebowanie budynków na energię.

Praca stanowi inżynierską propozycję szacowania nadwyżki zapotrzebowania na ciepło wynikającej z eksploatacji budynku w stanie wilgoci technologicznej.

3

Rys. 3 Zmiany przewodności cieplnej materiałów termoizolacyjnych w zależności od poziomu zawilgocenia wg WUFI®

Najczęściej stosowane układy materiałowe ścian zewnętrznych

W budownictwie jednorodzinnym najczęściej stosowane są ściany dwuwarstwowe. Warstwa konstrukcyjna wykonana jest zazwyczaj z autoklawizowanego betonu komórkowego z ociepleniem w postaci wełny mineralnej lub styropianu. W związku z tym do analizy przyjęto dwa układy materiałowe ścian (rys. 2).

Bloczki betonu komórkowego opuszczają autoklaw z wilgotnością do ok. 50% i wbudowywane są często z wilgotnością przekraczającą 40% w stosunku do masy suchych składników. Wykonana ściana charakteryzuje się zawartością wody na poziomie ok. 15%.

Materiały termoizolacyjne są wbudowywane w stanie suchym. W trakcie wznoszenia i eksploatacji budynku ich przewodność cieplna ulega zmianie w zależności od stanu wilgotnościowego (rys. 3).

4

Rys. 4 Zmiana stanu wilgotnościowego warstwy konstrukcyjnej w okresie marzec–sierpień

Badania symulacyjne

Analizę cieplno-wilgotnościową przyjętych układów materiałowych ścian dwuwarstwowych wykonano przy zastosowaniu  programu komputerowego WUFI® PRO 5. Do analizy przyjęto dane pogodowe TMY dla Warszawy. We wszystkich analizowanych modelach nie uwzględniono absorpcji promieniowania krótko- i długofalowego. Założono współczynnik absorpcji deszczu zgodny z nachyleniem i typem projektowanej przegrody, wynoszący 0,7.

Główna analiza dotyczy niekorzystnego przypadku nałożenia się wilgoci budowlanej z eksploatacyjną.

Rozważono dwa etapy funkcjonowania ściany:

  1. Pierwszy – wznoszenie warstwy konstrukcyjnej i ekspozycja na oddziaływanie opadów. Wymodelowano warstwę konstrukcyjną, narażoną z obu stron na środowisko zewnętrzne. Założono najbardziej niekorzystną wilgotność początkową 50% i funkcjonowanie wznoszonej ściany bez warstw zabezpieczających w okresie od marca do sierpnia.
  2. Drugi – po zasiedleniu od października z okresem eksploatacji 8 lat.

W badaniach uwzględniono dwie klasy wilgotności wewnętrznej pomieszczeń [7]:

– klasa odpowiadająca świadomemu użytkowaniu pomieszczeń przy uwzględnieniu konieczności intensywnej wentylacji i dogrzania;

– klasa odpowiadająca użytkowaniu pomieszczeń z niedostateczną wentylacją.

Dla celów porównawczych rozpatrzono przypadek funkcjonowania przegród w budynku, w których cykl budowy pozwolił na usunięcie wilgoci budowlanej przed zasiedleniem. Wyniki analiz przedstawiono na rys. 5 i 6.

Na etapie wznoszenia i funkcjonowania niezabezpieczonej ściany przez okres marzec–sierpień nastąpił znaczny spadek wilgotności – do 15% (rys. 4).

W kolejnym etapie założono wykonanie tynków wewnętrznych i ocieplenia w wyszczególnionych dwóch wariantach.

5

Rys. 5 Zmiana stanu wilgotnościowego (3 klasa) ściany dwuwarstwowej ocieplonej styropianem

Przeprowadzona analiza wykazała, że okres wysychania ściany jest zależny zarówno od przyjętego rozwiązania materiałowego ocieplenia, jak i warunków wilgotnościowych w budynku (rys. 5, 6).

W przypadku ocieplenia styropianem wbudowane materiały osiągnęły wilgotność ustabilizowaną:

– po 3,5 roku dla 3 klasy wilgotności,

– po 5 latach dla 4 klasy wilgotności.

Wilgotność ściany z ociepleniem wełną mineralną niezależnie od wewnętrznych warunków wilgotnościowych stabilizuje się po 1,5 roku.

6

Rys. 6 Zmiana stanu wilgotnościowego (4 klasa) ściany dwuwarstwowej ocieplonej wełną mineralną

W okresie dochodzenia do poziomu wilgotności ustabilizowanej autoklawizowany beton komórkowy wykazywał wyższą wilgotność w przypadku ocieplenia styropianem (tabl. 1–2) w porównaniu z wełną mineralną (tab. 3–4). Izolacja termiczna w postaci styropianu charakteryzuje się tendencją rosnącą wilgotności w pierwszych dwóch latach eksploatacji, po czym maleje. W odróżnieniu do EPS (polistyrenu ekspandowanego) wilgotność wełny mineralnej uzyskuje maksymalny poziom w pierwszym roku eksploatacji, po czym w ciągu kolejnego roku spada do wilgotności ustabilizowanej. W pierwszym okresie przy zwiększonej wilgotności wbudowanych materiałów ich przewodność cieplna jest również wyższa (tabl. 1–4). W konsekwencji rzeczywisty współczynnik przenikania ciepła U jest znacznie wyższy od założonego w projekcie. Zawartość wody w AAC w istotny sposób zmienia również pojemność cieplną [4]. W celu uwzględnienia wpływu zawilgocenia na wartość sezonowego zapotrzebowania na ciepło budynku wykonano symulację w programie ArCADia-TERMO. Do analizy przyjęto prosty budynek wolno stojący, z poddaszem użytkowym, niepodpiwniczony, zlokalizowany w Bydgoszczy. Wyniki zestawiono w tabl. 1–4.

 

Tabl. 1 Zmiany wilgotności ściany ocieplonej styropianem w pierwszych pięciu latach eksploatacji przy założonej 3 klasie wilgotności wewnętrznej

Rok eksploatacji 1 2 3 4 5
Średnia wilgotność wbudowanych materiałów w sezonie grzewczym (%) ABK600 10,8 5,1 2,8 1,5 1,5
Styropian 33,3 40 40 20 13,3
Przewodność cieplna λ (W/m·K) ABK600 0,196 0,166 0,154 0,148 0,148
Styropian 0,1 0,15 0,15 0,045 0,042
Sezonowe zapotrzebowanie
na ciepło budynku (kWh/rok)
13073 11789 12378 11842 9486

 

Tabl. 2 Zmiany wilgotności ściany ocieplonej styropianem w pierwszych pięciu latach eksploatacji przy założonej 4 klasie wilgotności wewnętrznej

Rok eksploatacji 1 2 3 4 5
Średnia wilgotność wbudowanych materiałów w sezonie grzewczym (%) ABK600 11,3 5,8 3,3 1,5 1,5
Styropian 33,3 40 40 23,3 13,3
Przewodność cieplna λ (W/m·K) ABK600 0,199 0,170 0,157 0,148 0,148
Styropian 0,1 0,15 0,15 0,08 0,042
Sezonowe zapotrzebowanie
na ciepło budynku (kWh/rok)
13073 11820 12450 11864 10575

 

Wyniki i wnioski

Tabl. 3 Zmiany wilgotności ściany ocieplonej wełną mineralną w pierwszych pięciu latach eksploatacji przy założonej 3 klasie wilgotności wewnętrznej

Jak wynika z przedstawionej analizy, skrócony okres wzniesienia budynku w istotny sposób wpływa na stan wilgotnościowy ścian zewnętrznych. Poziom zawilgocenia jest zależny od zastosowanego materiału termoizolacyjnego i warunków wewnętrznych[8]. Ściany ocieplone styropianem charakteryzują się dłuższym okresem wysychania w porównaniu do ścian ocieplonych wełną mineralną. Wynika to z różnych wartości współczynnika oporu dyfuzyjnego (dla wełny mineralnej wynosi µ = 1, dla styropianu µ = 60) [7]. Styropian stanowi barierę dla wilgoci zawartej w warstwie konstrukcyjnej – wysychanie odbywa się w kierunku wnętrza budynku. Wełna mineralna nie blokuje przepływu wilgoci na zewnątrz.

Rok eksploatacji 1 2 3 4 5
Średnia wilgotność wbudowanych materiałów w sezonie grzewczym (%) ABK600 9,2 2,5 1,5 1,5 1,5
Styropian 41,7 12,5 3,3 3,3 3,3
Przewodność cieplna λ (W/m·K) ABK600 0,188 0,153 0,148 0,148 0,148
Styropian 0,17 0,045 0,042 0,042 0,042
Sezonowe zapotrzebowanie
na ciepło budynku (kWh/rok)
13073 9506 9366 9366 9366

 

Tabl. 4 Zmiany wilgotności ściany ocieplonej wełną mineralną w pierwszych pięciu latach eksploatacji przy założonej 4 klasie wilgotności wewnętrznej

Rok eksploatacji 1 2 3 4 5
Średnia wilgotność wbudowanych materiałów w sezonie grzewczym (%) ABK600 10,0 2,5 1,5 1,5 1,5
Styropian 41,7 12,5 3,3 3,3 3,3
Przewodność cieplna λ (W/m·K) ABK600 0,192 0,153 0,148 0,148 0,148
Styropian 0,17 0,045 0,042 0,042 0,042
Sezonowe zapotrzebowanie
na ciepło budynku (kWh/rok)
13144 9506 9366 9366 9366

 

Tabl. 5 Zmiany zapotrzebowania na ciepło w pierwszych pięciu latach eksploatacji wybranego budynku mieszkalnego

Rok eksploatacji 1 2 3 4 5
Ściana dwuwarstwowa ocieplona styropianem 3 klasa wilgotności wewnętrznej 126% 132% 126% 101% 100%
4 klasa wilgotności wewnętrznej 126% 133% 127% 113% 100%
Ściana dwuwarstwowa ocieplona wełną mineralną 3 klasa wilgotności wewnętrznej 140% 101% 100% 100% 100%
4 klasa wilgotności wewnętrznej 140% 101% 100% 100% 100%

 

Wilgoć budowlana obniża izolacyjność termiczną przegrody. W analizowanych ścianach rzeczywista wartość współczynnika przenikania ciepła w pierwszym roku eksploatacji wynosiła:

– dla ściany ocieplonej styropianem U = 0,33, przy czym maksymalną wartość osiągnęła w drugim roku U = 0,37 [W/m2·K];

– dla ściany ocieplonej wełną mineralną U = 0,42 [W/m2·K] i była to wartość maksymalna.

Zmiany te powodują wzrost zapotrzebowania na ciepło (tabl. 5).

Przy przyjętym rozwiązaniu materiałowym ścian w okresie pierwszych pięciu lat eksploatacji na dogrzanie pomieszczeń należy przewidzieć nadwyżkę wynoszącą od 85 do 99% rocznego zużycia dla ściany ocieplonej styropianem i 41% dla ściany ocieplonej wełną mineralną.

Uzyskane wyniki znajdują potwierdzenie w rzeczywistych kosztach eks­ploatacyjnych budynków.

 

dr inż. Maria Wesołowska
dr inż. Anna Kaczmarek
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska

2015-05-11

Literatura

  1. T. Schoch, O. Kreft, The influence of moisture on the thermal conductivity of AAC proceedings of the international AAC conference in Bydgoszcz, Securing a sustainable future, Bydgoszcz 2011, po. 361-369.
  2. PN-EN ISO 10456:2009 Building materials and produck – Hygrothermal properties – Tabulated design values and procedures for determining declared and design theramal values
  3. Z. Suchorab, D. Barnat-Hunek, Analiza przewodności cieplnej przegród z betonu komórkowego w zależności od zmian wilgotności, „Budownictwo i Architektura” nr 8/2011.
  4. S. Uncik, A. Struharova, M. Hlavinkowa, A. Sabova, Measuring the thermo-technical parameters of aerated autoclaved concrete by dynamic method, proceedings of the international AAC conference in Bydgoszcz, Securing a sustainable future, Bydgoszcz 2011, po. 391-402.
  5. D. Gawin, M. Koniorczyk, J. Kośny, A. Więckowska, Effect of moisture on the energy consumption during the initial period of use of a single-family house, Proc. of VI Scientific and Technological Conf. „Problems of Disigning, Realization and Utilization of Low Energy Consuming Buildings” – ENERGO-DOM, Kraków 2002.
  6. H. Garbalińska, A. Siwińska, Oszacowanie niekorzystnych zmian w bilansie cieplnym budynku wywołanych zawilgoceniem ścian zewnętrznych, „Inżynieria i Budownictwo” nr 5/2005.
  7. A. Dylla, Practical thermal physics of buildings. School of design of construction junctions, Wydawnictwa Uczelniane UTP, Bydgoszcz 2009.
  8. General construction, Collective work, Volume 2, Physics of buildings, Arkady, Warszawa 2005.

 

Uwaga: Praca powstała z wykorzystaniem aparatury zakupionej w ramach projektu „Realizacja II etapu Regionalnego Centrum Innowacyjności” współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego województwa kujawsko-pomorskiego na lata 2007–2013.

 

Artykuł opublikowano w Inżynier Budownictwa – maj 2015 – http://www.inzynierbudownictwa.pl/technika,materialy_i_technologie,artykul,zapotrzebowanie_na_cieplo_w_pierwszych_latach_eksploatacji_budynku,8218

You may also like...

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *