Izolacyjność cieplna ścian
Współczynnik przenikania ciepła 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 jest W/m²K. Im mniejszy jest współczynnik U, tym dana przegroda posiada lepszą izolacyjność ciepną, tym mniejsze są straty ciepła.

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 grubość tych materiałów.
Współczynnik przewodzenia ciepła λ (lambda)
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 jest lepszym izolatorem.

Współczynnik λ (lambda) niektórych materiałów
Wełna mineralna – skalna i szklana – λ = 0,030 – 0,045 W/mK
Styropian ekstrudowany (XPS) – λ = 0,030 – 0,036 W/mK
Wełna celulozowa – granulat – λ = 0,037 – 0,042 W/mK
Przegroda
Przegroda 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 zewnątrz i wewnątrz budynku jest wyższa tym przegroda wymaga lepszej izolacyjności cieplnej.
W budownictwie szkieletowym przegrody zbudowane są z konstrukcji drewnianej wypełnionej materiałem izolacyjnym i obustronnie obłożone odpowiednimi materiałami; od zewnątrz zewnętrzną płytą poszycia oraz okładzinami elewacyjnymi , od wewnątrz wewnętrzną płyta poszycia, w większości płytą gipsowo-kartonową.
W niniejszych rozważaniach zostają pominięte powłoki osłonowe takie jak opóźniacz pary czy folia wiatroizolacyjna, gdyż wykazują one minimalny udział w obliczeniach izolacyjności cieplnej przegrody.
Izolacyjność cieplna ścian
W obliczeniach dotyczących izolacyjności przegród uwzględnione zostaną następujące materiały z określonymi współczynnikami przewodzenia ciepła:
– płyta gipsowo-kartonowa ʎ = 0,025 W/mK
– drewno konstrukcyjne ʎ = 0,160 W/mK
– wełna mineralna ʎ = 0,035 W/m
– płyta wiórowa MFP ʎ = 0,130 W/mK
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 jednorodnej, która wykazuje niższy (lepszy) współczynnik U, ale nie obrazuje rzeczywistej izolacyjności przegrody.
Drugi sposób to obliczenia dla przegrody niejednorodnej, która wykazuje wyższy (gorszy) współczynnik U przegrody, ale wynik obrazuje rzeczywistą izolacyjność przegrody.

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.
Przegrodą niejednorodną określa się przegrodę z uwzględnieniem elementów konstrukcji tworzących mostki cieplne obniżające 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.
Ale o tym później…
Projektanci i wykonawcy
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, 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.
Przedstawiona poniżej analiza powinna zwrócić uwagę nie tylko projektantom czy firmom wykonawczym, ale w szczególności inwestorom jaka jest faktyczna izolacyjność cieplna przegrody.
Konstrukcja ściany szkieletowej
Według literatury powierzchnia elementów konstrukcji w ścianie zewnętrznej, w zależności od grubości elementów, waha się od 5 do nawet 12%. Powyższe zależy od poziomu zaawansowania konstrukcji. Średnio przyjmuje się 8%. Można jednak spotkać domy gdzie powierzchnia drewna w ścianie wynosi nawet 22%, co podnosi średnią do ok. 14%.
Różnica wynika z grubości elementów konstrukcji, osiowego rozstawu słupków, a także od wielkości nadproży lub ilości podwalin i oczepów.
W poniższych 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.
Elementy te jeszcze bardziej obniżają izolacyjność cieplną ścian niż wykazują wykonane poniżej obliczenia
Warstwy ścian zewnętrznych
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.
Oczywiście układy warstw w przegrodach mogą być zróżnicowane. Przedstawione w obliczeniach są tylko układami przykładami, mającymi zwrócić uwagę jaki wpływ na izolacyjność przegrody ma udział drewnianych elementów konstrukcji oraz współczynnik przewodzenia ciepła danego materiału izolacyjnego.
Materiał izolacyjny a izolacyjność cieplna przegrody
Rynek obfituje w różnego rodzaju materiały izolacyjne szczególnie w zakresie ich właściwości izolacyjnych określanych współczynnikiem λ.
W zakresie wełen mineralnych współczynnik ten waha się w granicach od 0,03 do 0,045 W/mK. Podobnie wśród innych materiałów izolacyjnych.
Nie uwzględniając otworów okiennych i drzwiowych izolowana powierzchnia ściany wynosi średnio ok. 85% – 90%. Pozostałe 10 – 15% wypełniają elementy konstrukcji ściany.
Izolacyjność cieplna ściany grubości 150 mm
Izoalcyjność cieplna ściany grubości 200 mm
Widoczny wpływ współczynnika λ na izolacyjność cieplną ściany.
Na powyższych przykładach widać jak duże znaczenie dla izolacyjności przegrody ma wpływ współczynnika przewodzenie ciepła lambda danego materiału. Różnica w izolacyjności przegrody, w zależności od zastosowanego materiału może wynieść nawet ok. 45%.
Obliczenia wykonano jako dla przegród jednorodnych, tj. bez uwzględniania mostków cieplnych.
Zastosowanie materiałów o niskim współczynniku przewodzenia ciepła w znacznym stopniu zwiększa izolacyjność przegrody.
Izolacyjność przegrody jednorodnej grubości 150 i 200 mm
Zwiększając grubość izolacji cieplnej ze 150 mm na 200 mm poprawiamy izolacyjność przegrody o ok. 24%.
Dla obliczenia współczynnika U przegrody jednorodnej nie ma znaczenia rozstaw osiowy słupków, gdyż nie są one uwzględniane o obliczeniach.
Współczynnik U dla przegrody niejednorodnej
W przegrodach niejednorodnych drewniane elementów konstrukcji – podwalina, słupki, obramowania otworów, nadproża i oczepy – posiadają ok. czterokrotnie wyższe współczynniki przewodzenia ciepła lambda, co w istotny sposób wpływa na obniżenie izolacyjności przegrody.
Uwzględnienie elementów konstrukcji w obliczeniach określa rzeczywistą izolacyjność cieplną przegrody zewnętrznej.
Ściany grub. 150 i 200 mm o osiowym rozstawie słupków 400 mm
Zwiększenie grubości izolacji cieplnej ze 150 mm na 200 mm poprawia izolacyjność przegrody o ok. 23%.
Izolacyjność przegrody jednorodnej a niejednorodnej
Słupki ściany, w osiowym rozstawie co 400 mm, obniżają izolacyjność cieplną o ponad 30%.
Przegroda niejednorodna grubości 150 i 200 mm
Należy zwrócić uwagę, że grubość ściany ściśle związana jest z szerokością elementów konstrukcji oraz grubością izolacji cieplnej pomiędzy słupkami.
Zwiększenie grubości izolacji cieplne w ścianach podnosi izolacyjność cieplną przegrody (obniża współczynnik U).
Grubsza izolacja wymaga szerszych elementów konstrukcji, które wpływają na zwiększenie mostków cieplnych, a tym samy, choć w niewielkim stopniu, wpływają na obniżenie izolacyjności cieplnej przegrody.
Szersze elementy konstrukcji w większym stopniu obniżają izolacyjność przegrody niż elementy o mniejszym wymiarze.
Rozstaw słupków a izolacyjność cieplna
Typowy rozstaw słupków wynosi – 400, 600 lub 625 mm.
Zwiększenie osiowego rozstawu słupków z 400 do 600 mm poprawia izolacyjność przegrody o ok. 9-10%.
Grubość słupków a izolacyjność cieplna
Izolacyjność przegrody niejednorodnej z słupków grub. 40 mm przy rozstawie słupków co 400 mm wynosi – U = 0,288 W/m2K
Izolacyjność przegrody niejednorodnej z słupków grub. 60 mm przy rozstawie słupków co 400 mm wynosi – U = 0,326 W/m2K
Zmiana grubości elementów konstrukcji z 40 na 60 mm przy szerokości 150 mm obniża izolacyjność cieplną przegrody o ok. 13%.
Przegroda z izolacją zewnętrzną
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). Zewnętrzna warstwa izolacji zwiększa izolacyjność cieplną przegrody oraz ogranicza oddziaływania mostków cieplnych elementów konstrukcji.
Preferowanym rozwiązaniem jest montaż sztywnej izolacji bezpośrednio do konstrukcji budynku i pokrycie jej płytą poszycia zewnętrznego ściany.
Dzięki 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 niej.
Przegroda jednorodna
Przegroda jednorodna – U = 0,218 W/m2K

Przegroda jednorodna – U = 0,166 W/m2K
Przegroda niejednorodna – rozstaw słupków co 400 mm – U = 0,228 W/m2K
Przegroda niejednorodna – rozstaw słupków co 600 mm – U = 0,222 W/m2K
Porównanie izolacyjności
- czy obliczane wykonano dla przegrody jednorodnej czy niejednorodnej,
- jaki materiał i z jakim współczynnikiem przewodzenia ciepła λ uwzględniono w obliczenia,
- jaki rozstaw słupków uwzględniono w obliczeniach,
- jakiej grubości elementów konstrukcji ściany uwzględniono w obliczeniach,
Izolacyjność cieplna ściany a stolarka okienna i drzwiowa

Podsumowanie
-
czy obliczenia wykonano dla przegrody jednorodnej czy niejednorodnej,
-
dla jakiej wartości współczynnika λ danego materiału izolacyjnego,
Ponadto należy pamiętać, że ściana zewnętrzna, składa się z trzech głównych czynników mających wpływ na izolacyjność przegrody
- drewniane elementy konstrukcji,
- jakości izolacji cieplnej wypełniającej przestrzeń pomiędzy elementami konstrukcji
- otworów okiennych i drzwiowych wypełnionych oknami i drzwiami.
Czy nie wkradł się błąd w wyniku obliczeń dla przegrody niejednorodnej z izolacją wełną 200mm i styro 100mm? Jest taki sam jak dla styro 50mm przy tej samej przegrodzie – U=0,171, a nawet wyższy niż przy izolacji 150mm wełny.
Lambda dla „Płyta wiórowa MFP” powinna chyba wynosić 0,13, a nie 0,013. Podobnie dla płyty GK