Mostki cieplne w szkielecie drewnianym

W wielu zagadnieniach budownictwo, i to nie tylko drewniane, w zakresie izolacyjności cieplnej opiera się wymaganiach, często określanych konkretną wartością, która okazuje się łatwa do zrozumienie i łatwa do porównania. Jedną z takich wartości liczbowych jest współczynnik przenikania ciepła przegrody zewnętrznej – ścian, dachów i stropodachów – określany literą U.

Współczynnik przenikania ciepła U określa ilość energii wyrażoną w watach, jaka przenika przez przegrodę zewnętrzną, w odniesieniu do powierzchni tej przegrody i różnicy temperatur po obu jej stronach. Jednostką współczynnika przenikania ciepła U jest W/m²K. Im mniejszy współczynnik U, tym dana przegroda posiada lepszą izolacyjność ciepną, tym powoduje mniejsze straty ciepła w budynku.

By móc określić współczynnik przenikania ciepła U przegrody, niezbędna jest znajomość właściwości cieplnych poszczególnych materiałów tworzących przegrodę, tj. znajomość współczynnika przewodzenia ciepła ʎ (lambda) każdego z tych materiałów oraz ich grubość.

Współczynnik przewodzenia ciepła materiału λ jest wielkością charakterystyczną dla danego materiału. Zależy on od jego składu chemicznego, porowatości, ale i również od wilgotności. Przewodność cieplna określa strumień energii, jaki przepływa przez jednostkową powierzchnię warstwy materiału o grubości 1m, przy różnicy temperatury po obydwu stronach tej warstwy 1K (1°C). Jednostką współczynnika przewodzenia ciepła jest W/mK. Im mniejszy jest współczynnik λ tym materiał posiada lepsze właściwości izolacyjne.

Rodzaje przegród

Obliczenia izolacyjności przegród można wykonywać na dwa sposoby, które co trzeba podkreślić, dają różne wielkości współczynnika U dla tej samej przegrody. Pierwszy sposób to obliczenia dla przegrody jako przegrody jednorodnej, która wykazuje niższy (lepszy) współczynnik U, ale nie obrazuje rzeczywistej izolacyjności przegrody. Drugi sposób to obliczenia dla przegrody jako przegrody niejednorodnej, z uwzględnieniem mostków cieplnych w przegrodzie, która wykazuje wyższy (gorszy) współczynnik U przegrody, ale obrazuje rzeczywistą izolacyjność przegrody.

Obliczenia dla przegrody jednorodnej

Przegrodą jednorodną określa się przegrodę bez uwzględnienia elementów konstrukcji tworzących mostki cieplne obniżające izolacyjność przegrody.

Jest to prosty sposób obliczenia, gdyż uwzględnia się w nich jedynie poszczególne warstwy ściany. Jednak tak wykonane obliczenia zakłamują rzeczywistą wartość współczynnika przenikania ciepła, gdyż nie uwzględniają mostków cieplnych tworzonych przez elementy konstrukcji przegrody.

Obliczenia dla przegrody niejednorodnej

Przegrodą niejednorodną określa się przegrodę, w której uwzględnia się elementy konstrukcji tworzących mostki cieplne, które obniżają izolacyjność przegrody.

Tak wykonane obliczenia, uwzględniające mostki cieplne w miejscu elementów konstrukcji ściany, pokazują rzeczywistą wartość współczynnika przenikania ciepła.

Są to jednak obliczenia dotyczące przekroju ściany a nie całej ściany. Chcąc bowiem obliczyć izolacyjność całej przegrody, w obliczeniach należy uwzględnić otwory okienne i drzwiowe i właściwości izolacyjne znajdującej się w nich stolarki okiennej czy drzwiowej.

Przedstawiona poniżej analiza powinna zwrócić uwagę nie tylko projektantom czy firmom wykonawczym, ale w szczególności inwestorom jaka jest faktyczna izolacyjność cieplna przegrody ich budynku.

Wiele projektantów czy firm wykonawczych zamieszcza na swoich stronach internetowych wartości współczynnika U przegrody, które nie zawsze odzwierciedlają rzeczywistą izolacyjność cieplną przegrody. Często bowiem spotyka się przekroje przegród z określonym współczynnikiem U, z pokazaniem poszczególnych warstw materiałowych, jednak bez określenia ich właściwości, a w szczególności wielkości współczynnika przewodzenia ciepła ʎ (lambda). Brak jest także informacji czy określony współczynnik przenikania ciepła U został obliczony dla przegrody jednorodnej czy niejednorodnej. A to, co wykażą poniżej przeprowadzone obliczenia w poważnym stopniu zmienia wielkość współczynnika przenikania ciepła.

Konstrukcja ściany szkieletowej

Przegroda zewnętrzna to zespół kilku warstw różnych materiałów, o różnych właściwościach fizyczno-mechanicznych, w tym właściwościach przewodzenia ciepła ʎ (lambda). Zespół tych warstw tworzy przegrodę, której zadaniem jest odgrodzenie środowiska wewnętrznego od środowiska zewnętrznego. Występujące pomiędzy tymi środowiskami różnice temperatur wymagają od przegrody odpowiedniej izolacyjności cieplnej gwarantującej środowisku wewnętrznemu odpowiedni komfort cieplny. Im różnica temperatur na zewnątrz i wewnątrz budynku jest wyższa tym przegroda wymaga lepszej izolacyjności cieplnej.

W drewnianym budownictwie szkieletowym przegrody zbudowane są z konstrukcji wypełnionej materiałem izolacyjnym i obustronnie obłożone odpowiednimi materiałami; od zewnątrz drewnopochodną płytą poszycia oraz okładzinami elewacyjnymi, od wewnątrz wewnętrzną płyta poszycia, najczęściej płytą gipsowo-kartonową.

W niniejszych rozważaniach zostają pominięte powłoki osłonowe takie jak folia wiatroizolacyjna czy opóźniacz pary, gdyż materiały te wykazują minimalny udział w obliczeniach izolacyjności cieplnej przegrody.

Do obliczeń przyjęto powszechnie stosowane konstrukcje ścian i ich warstwy – od zewnętrz:

• płyta poszycia zewnętrznego – płyta MFP grub. 12 mm,
• konstrukcja ściany – 40 x 150 mm lub 60 x 150 mm,
• wełna mineralna – grub. 150 mm,
• płyta gipsowo-kartonowa grub. 12 mm,

Nie uwzględniono okładziny elewacyjnej, gdyż może być różnego rodzaju – od okładziny drewnianej, raczej nie uwzględnianej w obliczeniach, po różnej grubości materiały izolacyjne.

W obliczeniach, w powierzchni ścian, uwzględniono jedynie słupki grub. 40 i 60 mm, w rozstawie osiowym co 400 mm i 600 mm. Nie uwzględniono podwalin, oczepów i nadproży czy innych elementów konstrukcyjnych występujących w ścianach zewnętrznych. Należy jednak pamiętać, że elementy te jeszcze bardziej obniżają izolacyjność cieplną ścian niż wykazują wykonane poniżej obliczenia.

Warstwy ścian zewnętrznych

Typowy, powszechnie stosowany układ warstw ściany zewnętrznej – od wewnątrz:

• płyta gipsowo-kartonowa,
• konstrukcja wypełniona materiałem izolacyjnym,
• płyta poszycia, np. MFP,

W poniższych obliczeniach uwzględniono następujące materiały z określonymi współczynnikami przewodzenia ciepła:

• płyta gipsowo-kartonowa   – λ = 0,250 W/mK
• drewno konstrukcyjne        – λ = 0,160 W/mK
• wełna mineralna                  – λ = 0,035 W/mK
• płyta wiórowa MFP              – λ = 0,130 W/mK

Płyta gipsowo-kartonowa, drewno konstrukcyjne i płyta MFP posiadają jeden stały określony współczynnik przewodzenia ciepła λ. Natomiast materiały izolacyjne, w zależności od rodzaju i gatunku posiadają różne wielkości współczynnika λ. I to właśnie ten współczynnik w poważnym stopniu wpływa na izolacyjność ściany – im mniejszy tym bardziej podnosi izolacyjność cieplną przegrody.

Opory przejmowania ciepła dla ściany – R_si – 0,13 m²K/W i R_se – 0,04 m²K/W.

Przedstawione obliczenia są tylko obliczeniami przykładowymi, mającymi zwrócić uwagę jaki wpływ na rzeczywistą izolacyjność cieplną ściany zewnętrznej ma udział współczynnika przewodzenia ciepła danego materiału izolacyjnego a także udział drewnianych elementów konstrukcji, w tym ich rozstaw osiowy oraz grubość.

Wpływ materiału izolacyjnego na izolacyjność cieplną przegrody

Rynek obfituje w różnego rodzaju materiały izolacyjne szczególnie w zakresie ich właściwości izolacyjnych określanych współczynnikiem przewodzenia ciepła λ (lambda). W zakresie wełen mineralnych współczynnik ten waha się w granicach od 0,030 do 0,045 W/mK. Podobnie wśród innych materiałów izolacyjnych.

Obliczenia wykonano jako dla przegrody jednorodnej, tj. bez uwzględniania mostków cieplnych.

Ściana grub. 150 mm, o okładzie warstw:

• płyta gipsowo-kartonowa grub. 12 mm
• konstrukcja wypełniona wełną mineralną, grub. 150 mm,
• płyta wiórowa MDF grub. 12 mm

Izolacyjność cieplna, w zależności od współczynnika ʎ materiału izolacyjnego wynosi:

• wełna ʎ = 0,030 W/mK        U = 0,189 W/m²K
• wełna ʎ = 0,035 W/mK        U = 0,219 W/m²K
• wełna ʎ = 0,045 W/mK        U = 0,277 W/m²K

Przy współczynniku λ = 0,030 W/mK współczynnik U jest najniższy; przegroda posiada wysoką izolacyjność cieplną. Przy współczynniku λ = 0,045 W/mK współczynnik U jest najwyższy; przegroda posiada niską izolacyjność cieplną.

Na powyższych przykładach widać jak duże znaczenie dla izolacyjności przegrody ma wpływ współczynnika przewodzenie ciepła λ danego materiału. Różnica w wysokości współczynnika U w zależności od współczynnika λ = 0,030 czy λ = 0,045 W/mK wynosi ok. 47%.

Zastosowanie materiałów o niskim współczynniku przewodzenia ciepła λ w znacznym stopniu zwiększa izolacyjność przegrody.

Obliczanie współczynnika U dla przegrody jednorodnej

Układ warstw w ścianie – od zewnątrz:

• płyta gipsowo-kartonowa grub. 12 mm,
• wełna mineralna, ʎ = 0,035 W/mK, grub. 150 mm,
• płyta drewnopochodna MFP grub. 12 mm,

Obliczona izolacyjność cieplna przegrody j/w jako przegrody jednorodnej wynosi U = 0,219 W/m²K.

Dla obliczenia współczynnika U przegrody jednorodnej nie ma znaczenia rozstaw osiowy słupków i ich grubość, gdyż nie są one uwzględniane o obliczeniach.

Obliczanie współczynnika U dla przegrody niejednorodnej

W przegrodach niejednorodnych drewniane elementy konstrukcji – podwalina, słupki, obramowania otworów, nadproża i oczepy – posiadają ok. cztero- i pięciokrotnie wyższe współczynniki przewodzenia ciepła λ, co w istotny sposób wpływa na obniżenie izolacyjności przegrody. Uwzględnienie ich w obliczeniach określa rzeczywistą izolacyjności cieplną przegrody zewnętrznej.

Układ warstw w ścianie – od zewnątrz:

• płyta gipsowo-kartonowa grub. 12 mm,
• słupki ściany – 40 x 150 mm, co 400 mm
• wełna mineralna, ʎ = 0,035 W/mK, grub. 150 mm,
• płyta drewnopochodna MFP grub. 12 mm,

Obliczona izolacyjność cieplna przegród jako przegrody niejednorodnej z rozstawem osiowym słupków co 400 mm wynosi U = 0,291 W/m²K

Porównanie izolacyjności cieplnej przegrody jednorodnej i niejednorodnej

Dla układu j/w

• współczynnik U dla przegrody jednorodnej wynosi            – 0,219 W/m²K
• współczynnik U dla przegrody niejednorodnej wynosi –    – 0,291 W/m²K

Współczynnik U dla tego samego układu warstw, obliczony dla przegrody jednorodnej jest o ok. 25% niższy niż współczynnika U obliczonego dla przegrody niejednorodnej.

Słupki 40 x 150 mm w rozstawie osiowym co 400 mm obniżają izolacyjność przegrody o ok. 25%.

Wpływ osiowego rozstawu słupków na izolacyjność cieplną

Układ warstw w ścianie – od zewnątrz:

• płyta gipsowo-kartonowa grub. 12 mm,
• wełna mineralna, ʎ = 0,035 W/mK, grub. 150 mm,
• słupki 40 x 150 mm w osiowym rozstawie co 400 lub 600 mm
• płyta drewnopochodna MFP grub. 12 mm,

Izolacyjność cieplna przegrody wynosi:

• przy osiowym rozstawie słupków co 400 mm – U = 0,291 W/m²K
• przy osiowym rozstawie słupków co 600 mm – U = 0,265 W/m²K

Zmiana osiowego rozstawu słupków z 400 do 600 mm zwiększa izolacyjność o ok. 10%.

Wpływ grubości elementów konstrukcji na izolacyjność cieplną przegrody

Układ warstw w ścianie – od zewnątrz:

• płyta gipsowo-kartonowa grub. 12 mm,
• słupki 40 lub 60 x 150 mm w osiowym rozstawie co 400 mm,
• wełna mineralna, ʎ = 0,035 W/mK, grub. 150 mm,
• płyta drewnopochodna MFP grub. 12 mm,

Izolacyjność cieplna przegrody wynosi:

• ściana z elementów grub. 40 mm – U = 0,291 W/m²K
• ściana z elementów grub. 60 mm – U = 0,337 W/m²K

Zmiana grubości słupków z 40 na 60 mm zwiększa izolacyjność przegrody o około 14%.

Przegroda jednorodna a przegroda niejednorodna dla różnych grubości ścian

Układ warstw w ścianie – od zewnątrz:

• płyta gipsowo-kartonowa grub. 12 mm,
• słupki 40 x 150 mm w osiowym rozstawie co 400 mm
• wełna mineralna, ʎ = 0,035 W/mK, grub. 150 lub 200 mm,
• płyta drewnopochodna MFP grub. 12 mm,

Przegroda grub. 150 mm,

Przegroda jednorodna wykazuje lepszą izolacyjność cieplną niż przegroda niejednorodna:

• przegroda jednorodna                    – U = 0,219 W/m²K
• przegroda niejednorodna               – U = 0,291 W/m²K

Słupki konstrukcji ściany obniżają izolacyjność cieplną ściany o ok. 25%.

Przegroda grub. 200 mm

Przegroda jednorodna wykazuje lepszą izolacyjność cieplną niż przegroda niejednorodna:

• przegroda jednorodna              – U = 0,167 W/m²K
• przegroda niejednorodna         – U = 0,224 W/m²K

Słupki konstrukcji ściany obniżają izolacyjność cieplną przegrody o ok. 25%.

Przegroda jednorodna 150 i 200 mm

• przegroda grub. 150 mm                 – U = 0,219 W/m²K
• przegroda grub. 200 mm                – U = 0,167 W/m²K

Zwiększenie grubości ściany z 150 na 200 mm zwiększa izolacyjność o ok. 30%

Przegroda niejednorodna 150 i 200 mm

• przegroda grub. 150 mm                – U = 0,291 W/m²K
• przegroda grub. 200 mm                – U = 0,224 W/m²K

Zwiększenie grubości ściany z 150 na 200 mm zwiększa izolacyjność o ok. 30%.

Przy zmianie szerokości słupków ze 150 na 200 mm, tak w przegrodzie jednorodnej, jak i w przegrodzie niejednorodnej, izolacyjność przegrody zwiększa się o ok. 30%.

Należy zwrócić uwagę, że grubość ściany ściśle związana jest z szerokością elementów konstrukcji ściany oraz grubością izolacji cieplnej pomiędzy słupkami. Zwiększenie grubości izolacji cieplne w ścianach podnosi izolacyjność cieplną przegrody (obniża współczynnik U). Wymaga jednak szerszych elementów konstrukcji, które wpływają na zwiększenie mostków cieplnych, a tym samy, choć w niewielkim stopniu, wpływają na obniżenie izolacyjności cieplnej przegrody.

Przegroda z izolacją zewnętrzną

Elementy konstrukcji ściany (podwalina, słupki, nadproża, oczepy) stanowią średnio ok. 15 % całej powierzchni ściany. Nie uwzględniając otworów okiennych i drzwiowych, izolowana powierzchnia ściany zajmuje ok. 85%. Dodając zewnętrzną warstwę izolacji, nie tylko podniesiemy izolacyjność ściany (obniżając wartość współczynnika U), ale także ograniczymy mostki termiczne utworzone przez drewniane elementy konstrukcji, co w konsekwencji znacznie poprawia wartości współczynnika U na całej powierzchni przegrody. Im grubsza warstwa dodatkowej izolacji, tym większy wzrost izolacyjności cieplnej przegrody.

Izolacyjność cieplną ściany można zwiększyć np. poprzez dodanie dodatkowej warstwy materiału izolacyjnego po zewnętrznej stronie ściany. Można zastosować np. płyty z wełny mineralnej lub styropianu (EPS) bądź styroduru (XPS).

Przy odpowiedniej grubości izolacji zewnętrznej możliwe jest kontrolowanie kondensacji pary wodnej w ścianie; izolacja zapobiega wychłodzeniu płyty poszycia dzięki temu para wodna nie skrapla się na płycie.

Przegroda jednorodna

Ściana grub. 150 mm, o układzie warstw – od wewnątrz:

• płyta gipsowo-kartonowa grub. 12 mm,
• wełna mineralna grub. 150 mm (λ = 0,035 W/mK)
• płyta MFP grub. 12 mm,
• warstwa np. sztywnego styroduru – grub. 50 lub 100 mm (λ = 0,042 W/mK)

Bez dodatkowej warstwy izolacji cieplnej współczynnik U dla ściany wynosi U = 0,219 W/m²K.

Przy dodatkowej warstwie izolacji:

• grubości 50 mm – współczynnik U zmniejsza się z U = 0,219 do U = 0,173 W/m²K, zwiększając izolacyjność o ok. 21%,
• grubość 100 mm – współczynnik U zmniejszy się z U = 0,219 do U = 0,143 W/m²K, zwiększając izolacyjność o ok. 35%,

Przegroda niejednorodna – rozstaw słupków co 400 mm

Bez dodatkowej warstwy izolacji cieplnej współczynnik U dla ściany wynosi U = 0,291 W/m2K.

Ściana grub. 150 mm, o układzie warstw – od wewnątrz:

• płyta gipsowo-kartonowa grub. 12 mm,
• konstrukcja ściany – słupki 40 x 150 mm co 400 mm (λ = 0,16 W/mK)
• wypełnione wełna mineralną grub. 150 mm (λ = 0,035 W/mK)
• warstwa np. sztywnego styroduru – grub. 50 lub 100 mm, (λ = 0,042 W/mK)
• płyta MFP grub. 12 mm,
• warstwa np. sztywnego styroduru – grub. 50 lub 100 mm (λ = 0,042 W/mK)

Przy dodatkowej warstwie izolacji:

• grubości 50 mm – współczynnik U zmniejsza się z U = 0,291 do U = 0,208 W/m²K, zwiększając izolacyjność o ok. 29%,
• grubość 100 mm – współczynnik U zmniejszy się z U = 0,291 do U = 0,165 W/m²K, zwiększając izolacyjność o ok. 43%.

Podsumowanie

Z przedstawionych obliczeń wynika, że wartość współczynnika U dotycząca przegrody jednorodnej w poważnym stopniu różni się od współczynnika U dla przegrody niejednorodnej. Wartość izolacyjności przegrody niejednorodnej, a taką w rzeczywistości są wszystkie zewnętrzne ściany budynku o drewnianej konstrukcji szkieletowej jest niższa o 25%, w stosunku do przegrody jednorodnej.

W powyższych obliczeniach jako mostki cieplne uwzględniono jedynie słupki ścian. Nie uwzględniono podwalin, nadproży i oczepów, które dodatkowo wpływają na obniżenie izolacyjności przegrody.

Zatem opierając się na podawanych przez projektantów czy wykonawców domów o drewnianej konstrukcji szkieletowej wielkości współczynników przenikania ciepła U dla ścian zewnętrznych należy zapytać:

• z jakim współczynnikiem przewodzenia ciepła λ materiał uwzględniono w obliczeniach,
• czy obliczane wykonano dla przegrody jednorodnej czy niejednorodnej,
• jaki rozstaw słupków uwzględniono w obliczeniach,
• jakiej grubości elementów konstrukcji ściany uwzględniono w obliczeniach,

Izolacyjność przegrody a stolarka okienna i drzwiowa

Jak wspomniano powyżej elementy konstrukcji jako mostki cieplne, obniżają izolacyjność ścian zewnętrznych. Oprócz elementów konstrukcji ściany posiadają otwory okienne i drzwiowe, które także mają wpływ na obniżanie izolacyjności cieplnej przegrody, gdyż mają znacznie niższe wartość izolacyjne niż przegroda j

Przyjmuje się, że otwory okienne i drzwiowe zajmują średnio ok. 15% – 20% powierzchni ściany. Zamontowana w nich stolarka najbardziej wpływa na obniżenie izolacyjności całej przegrody zewnętrznej. Dla zminimalizowania obniżenie izolacyjności cieplnej całej przegrody należy stosować okna o maksymalnej izolacyjności tak dla ram okiennych jak i oszklenia. Stosowanie stolarki o niskiej izolacyjności nie ma sensu, gdyż w poważnym stopniu wpłynie na obniżenie izolacyjności całej przegrody.

Wpływ stolarki na izolacyjność całej przegrody można zobrazować na przykładzie ściany o wymiarach 6,00 x 2,50 m co daje powierzchnię 15,00 m² i współczynniku przenikania ciepła U = 0,2 W/m²K, W ścianie jest okna o ogólnym współczynniku Uw = 1,0 W/m²K i wymiarach 2,0 x 1,0 m, tj. o powierzchni 2,0 m².

Izolacyjność całej przegrody oblicza się według wzoru:

U = (A₁ x U₁) + (A₂ x U²) / A₁ x U₁

gdzie:

• A₁ – powierzchnia otworu okiennego,
• U₁ – współczynnik U otworu okiennego
• A₂ – powierzchnia przegrody
• U₂ – współczynnik U przegrody

Jak widać z powyższego wyliczenia, okno, nawet o niskim współczynniku izolacyjności cieplnej, które stanowi ok. 13% powierzchni ściany obniża izolacyjność całej przegrody o prawie 50%

Dla tej samej ściany, ale o współczynniku przenikania ciepła U = 0,1 W/m²K i z takim samym oknem współczynnik izolacyjności całej przegrody będzie wynosił 0,2 W/m²K

I w tym przypadku, okno, o niskim współczynniku izolacyjności cieplnej, które stanowi ok. 13% całej powierzchni ściany obniża izolacyjność całej przegrody o ok. 50%.

Obniżenie izolacyjności całych przegród zewnętrznych przez stolarkę okienną i drzwiową można poprawić poprzez zwiększenie (pogrubienie) izolacji ścian.

Podsumowanie

Na ścianę zewnętrzną, składają się z trzy główne elementy – drewniana konstrukcja szkieletu, izolacja cieplna wypełniająca przestrzeń pomiędzy elementami konstrukcji oraz otwory okienne i drzwiowe z zamontowaną stolarką. Te trzy elementy, należy rozpatrywać, chcąc określić rzeczywistą izolacyjność całej powierzchni przegrody zewnętrznej.

Wartość współczynniku U dla całej przegrody jest zwykle znacznie niższa niż wartość współczynnika U obliczona dla przegrody jednorodnej czy też niejednorodnej a to głównie ze względu na znacznie niższą wartość współczynnika U stolarki okiennej i drzwiowej.