Mostki cieplne w świadectwach energetycznych.

W listopadzie 2008 roku zostało podpisane, długo oczekiwane przez wszystkich zainteresowanych tematem świadectw energetycznych, rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynków. Jeden z punktów rozporządzenia dotyczy mostków cieplnych. W niniejszym artykule przeanalizuję punkt 3.2.3 załącznika nr 5 i spróbuję odpowiedzieć na pytanie czy przedstawione w nim zalecenia będzie można bezpośrednio wdrożyć do stosowania.
Wyżej wymieniony punkt projektu rozporządzenia przyjął następujące brzmienie:

3.2.3. Wsłczynniki strat ciepła przez przenikanie należy obliczać ze wzoru:

 

Htr = Σi [btr,i · (Ai · Ui + Σi li · Ψi)] W/K (1.14)

gdzie:

btr,i

współczynnik redukcyjny obliczeniowej żnicy temperatur i-tej przegrody (tabl.

6); dla przegród pomiędzy przestrzenią ogrzewaną i środowiskiem zewnętrznym btr = 1

-

Ai

pole powierzchni i-tej przegrody otaczającej przestrzeń o regulowanej

temperaturze, obliczanej wg wymiarów zewnętrznych przegrody, (wymiary okien i drzwi przyjmuje się jako wymiary otworów w ścianie)

m2

Ui

współczynnik przenikania ciepła i-tej przegrody pomiędzy przestrzenią ogrzewa

i stroną zewnętrzną, obliczany w przypadku przegród nieprzezroczystych według normy PN EN ISO 6946, w przypadku okien, świetlików i drzwi przyjmuje się według Aprobaty Technicznej lub zgodnie z normą wyrobu PN-EN 14351-1; w odniesieniu do ścian osłonowych metalowo-szklanych według Aprobaty Technicznej lub zgodnie z normą wyrobu PN-EN ISO 13830, a w przypadku podłogi na gruncie przyjmowany jako Ugr i obliczany jak w pkt. 3.2.4.

W/(m2K)

li

długość i-tego liniowego mostka cieplnego

m

Ψi

liniowy współczynnik przenikania ciepła mostka cieplnego przyty wg PN-EN

14683:2001 lub obliczony zgodnie z PN-EN 10211-1:2002

W/(mK)

...

Wsłczynniki przenikania liniowych mostków ciepła uwzględnione we wzorze (1.14)

wyznacza się w oparciu o:

a) dokumentację technicz budynku,

b) tablice mostków cieplnych,

c) obliczenia szczegółowe mostków cieplnych.”

Punkt ten określa podstawowy parametr wpływu izolacyjności/przewodności cieplnej przegród zewnętrznych budynku na straty ciepła do środowiska zewnętrznego. Jest więc to wielkość podstawowa i powinna być ściśle określona dla danego budynku.
Pierwszy problem pojawia się w samym wzorze (1.14). Łatwo zauważyć, że nie wspomina on o mostkach cieplnych o charakterze punktowym. Spróbuję przyjrzeć się skutkom tego pominięcia. Tradycyjne ściany warstwowe łączone są łącznikami stalowymi – kotwami. Przyjmijmy, że są 4szt. kotew na 1m2. Przekrój pojedynczej kotwy przyjmijmy 25mm2. Materiał kotwy – stal (lub stal szlachetna).

Rys.1. Przekrój przez rozpatrywaną ścianę.

Po stworzeniu modelu przestrzennego w programie System Analizy Termicznej dla ściany jak na rys.1 z wprowadzonymi dwiema kotwami stalowymi na 1m2 (w celu uproszczenia modelu i skrócenia czasu obliczeń) uzyskujemy (patrz Rys. 2):
U= 21,6014W/m2/40K= 0,5400 W/(m2K)
Dla tej samej ściany bez uwzględnienia kotew U=0,5208W/(m2K)
Wpływ dwóch kotew wynosi ΔU=0,0192 W/(m2K) (χ=0,0096 W/K)), co przy założonych 4szt. kotew na m2 daje przyrost współczynnika przenikania ciepła ΔU=0,0384 W/(m2K) tj. o 7,4%. Odpowiednio dla kotew ze stali szlachetnej (λ=15W/(mK)) wzrost ten wyniesie 4,5%.
Biorąc pod uwagę inne mostki cieplne o charakterze punktowym lub nieliniowym (przestrzennym - złożonym) wzór (1.14) w takiej postaci nie wyczerpuje problemu. Moim zdaniem powinien zawierać dodatkowy składnik będący sumą wpływów mostków punktowych i przestrzennych złożonych.

Rys. 2. Wyniki obliczeń programem SAT.
 

Drugim (z mojego punktu widzenia) problemem jest zapis określający Ai jako „pole powierzchni i-tej przegrody otaczającej przestrzeń o regulowanej temperaturze, obliczanej wg wymiarów zewnętrznych przegrody, (wymiary okien i drzwi przyjmuje się jako wymiary otworów w ścianie)”. Narzucenie powierzchni zewnętrznej jako obligatoryjnej do określania wpływu mostków cieplnych wydaje się być niefortunne. Przyjmijmy narożnik budynku o budowie jak poprzednio (Rys.3).

Rys. 3. Wyniki obliczeń narożnika budynku.
 

 

Przez model 2D odpowiadający sytuacji z rys.3 przepływa strumień 50,6273W.
Obliczamy liniowy współczynnik przenikania ciepła - Ψi w stosunku do powierzchni wewnętrznej (długość powierzchni wewnętrznej w poprzek linii mostka liniowego 2,03m):
Ψi =50,6273W/m /40K – 2,03m * 0,5208W/(m2K) = 0,2085 W/(mK)
Obliczamy liniowy współczynnik przenikania ciepła - Ψe w stosunku do powierzchni zewnętrznej (długość powierzchni zewnętrznej w poprzek linii mostka liniowego 3,00m):
Ψe=50,6273W/m /40K – 3,00m * 0,5208W/(m2K) = -0,2967 W/(mK)
Jak widać zapis w projekcie jest niefortunny, gdyż licząc po powierzchni zewnętrznej np. w narożniku uzyskujemy ujemną wartość liniowego współczynnika przewodzenia ciepła. Z taką samą sytuacją będziemy mieli do czynienia przy stropach międzypiętrowych opartych na ścianach zewnętrznych, stropodachach, ścianach wewnętrznych etc.
Można oczywiście się umówić, że mamy także ujemne współczynniki przenikania ciepła dla wartości liniowych i matematycznie nie będzie to błąd. Jest to dopuszczone normą PN-EN ISO 14683:2007. Norma ta pozwala rozpatrywać mostki termiczne w stosunku do powierzchni zewnętrznej, ale tego nie narzuca, w przeciwieństwie do Rozporządzenia.
Narzucenie takie powoduje pewną niezręczność, gdyż niektóre mostki liniowe będą ujemne (narożniki, stropy, etc.), niektóre mostki liniowe dodatnie (np. wtręt blachy stalowej przechodzącej przez ścianę, zamki w panelach lekkich obudów, styki stolarki okiennej i drzwiowej ze ścianą lub rygle i słupki w fasadach słupowo-ryglowych). Dodatkowo mamy mostki punktowe, które także raczej są dodatnie, chyba, że by występowały w obszarze stropu międzykondygnacyjnego lub narożnika.
Moim zdaniem tworzy się zbyt duża ilość niekonsekwencji i odstępstw od tradycyjnego pojmowania mostka termicznego. Mostki termiczne zawsze kojarzone z czymś negatywnym, czyli zwiększającym U (powodującym większe straty ciepła), tu okazują się czymś pozytywnym (zmniejszającym straty). Udział samego U w stratach ciepła wydaje się być wstępnie (tj. przed uwzględnieniem mostków) przekłamany poprzez zawyżenie, licząc go nie tylko wzdłuż samej przegrody, której odpowiada wartość U, ale i elementu nie będącego faktycznie tą przegrodą a biorącego udział w wymianie ciepła pośrednio - jako radiator po stronie ciepłej lub zimnej. Mam na myśli strop międzykondygnacyjny lub ścianę wewnętrzną po stronie ciepłej lub dodatkową powierzchnię oddawania ciepła w narożniku budynku po stronie chłodu. Kolejnym dość znaczącym powodem, by pozostać przy tradycyjnym pojmowaniu liniowych i punktowych współczynników przenikania ciepła jest porównywalność wyników. Dwa wyniki o tym samym znaku łatwo porównać i odnieść do określonej wartości U. Dwa wyniki o różnych znakach, potrzebują analizy geometrii obszaru występowania, by je porównać.
Takim najprostszym powodem do liczenia charakterystyk oporu/przewodności cieplnej przegród budowlanych w odniesieniu do powierzchni wewnętrznej jest kierowanie się stroną źródła ciepła. Źródło ciepła jest wewnątrz - od stropu do stropu, od ściany do ściany. Wydaje się to najbardziej naturalne i chyba przez większość stosowane. Wtedy zawsze mostki są dodatnie i powiększają U w stosunku do wartości podstawowej. U0 jest najmniejszą możliwą wartości U dla danej przegrody. Mostek liniowy o współczynniku przenikania ujemnym wyobrażam sobie raczej jako pasmo zwiększonej izolacji.
W przypadku potrzeby uzyskania tego samego parametru tj. U dla powierzchni zewnętrznej (na przykład do obliczeń zysków przez nasłonecznienie) można stosować proste przeliczniki:
U'=U· Aw/Az
U=U'· Az/Aw
gdzie Aw – powierzchnia wewnętrzna [m2];
Az – powierzchnia zewnętrzna [m2];
U – współczynnik przenikania ciepła obliczony dla powierzchni wewnętrznej [W/(m2K);
U' – współczynnik przenikania ciepła przeliczony na powierzchnię zewnętrzną bazując na U,
policzonym dla powierzchni wewnętrznej [W/(m2K)].
Trzecim zagadnieniem jest zapis ze wskazaniem na źródła informacji o liniowych współczynnikach przenikania w formie:

a) dokumentację technicz budynku,

b) tablice mostków cieplnych,
c
) obliczenia szczegółowe mostków cieplnych.”

Wskazanie na dokumentację techniczną budynków projektowanych do tej pory będzie w większości przypadków nieskuteczne, gdyż dokumentacja projektowa zawiera zazwyczaj jedynie wskazanie wartości U przegród bez sposobu obliczenia tej wartości. Niestety najczęściej jest to U0 lub U0 z dodatkami normowymi na mostki, w oparciu o stare normy. Wynik może być bardzo nieprecyzyjny. Dokumentacja tworzona w przyszłości w oparciu o ROZPORZĄDZENIE MINISTRA INFRASTRUKTURY, zmieniające rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego, o ile będzie tworzona rzetelnie, może być podstawą dla autora świadectwa energetycznego. Co jednak, gdy projektant w swoim opracowaniu pomyli się i na tej podstawie zostanie wystawione błędne świadectwo? Kto poniesie konsekwencje cywilne – projektant, czy autor świadectwa? Wydaje się, że bez każdorazowej weryfikacji się nie obędzie.
Tablice mostków termicznych, są najprostszym i najbardziej powszechnym źródłem danych o wpływie mostków termicznych. Problem w tym, że są to standardowe detale dla standardowych konstrukcji. Dalekie analogie mogą prowadzić do znacznych błędów. PN-EN ISO 14683:2007 określa dokładność tej metody na 20%, przy odpowiednim zastosowaniu.
W końcu określono jako źródło danych o liniowych współczynnikach przenikania ciepła „obliczenia szczegółowe mostków cieplnych”. Nie określono jednak, co to są „obliczenia szczegółowe”. Można się domyślić, że są to odpowiednie modele numeryczne 2D dla mostków liniowych i 3D dla punktowych i przestrzennych. Z mojego punktu widzenia jest to najbardziej precyzyjny sposób określania właściwości izolacyjnych przegród, dlatego też najlepszy z punktu widzenia np. właściciela nieruchomości, której dotyczy opracowywane świadectwo. Wcześniej wspomniana norma określa dokładność tej metody na 5% i pokrywa się to z moim doświadczeniem - 3 do 5% błędu dla obliczeń roboczych w stosunku do określonych wcześniej ściśle wyników tych samych modeli.
Jeszcze kilka lat temu nie było na polskim rynku dostępnych narzędzi do analiz numerycznych przepływu ciepła w przegrodach budowlanych. Dziś nie ma już tego problemu. Każdy może uzyskać programy KOBRA (produkt międzynarodowy) lub System Analizy Termicznej (produkt krajowy). Punkt 3.2.3., jako jeden z ważniejszych w Rozporządzeniu, powinien zostać doprecyzowany.
Należałoby przede wszystkim doprecyzować zapis wzoru podstawowego i źródła pozyskiwania danych o mostkach oraz przemyśleć ich konsekwencje - w szczególności narzucenie zewnętrznej powierzchni jako obligatoryjnej do analizy przegród oraz źródła pozyskiwania danych o mostkach.

mgr inż. Mirosław Hodun

***

Dzień Dobry!
Z zainteresowaniem przeczytałem Pana artykuł Mostki cieplne w świadectwach energetycznych.
http://www.mostkicieplne.pl/mas.html
Zgadzam się z Pana uwagą dotyczącą przyjętych wymiarów, jednak moją wątpliwość budzi zapis "Pierwszy problem pojawia się w samym wzorze (1.14). Łatwo zauważyć, że nie wspomina on o mostkach cieplnych o charakterze punktowym. " Zapis w Rozporządzeniu brzmi "współczynnik przenikania ciepła i-tej przegrody pomiędzy przestrzenią
ogrzewaną i stroną zewnętrzną, obliczany w przypadku przegród nieprzezroczystych według normy PN EN ISO 6946, w przypadku okien, świetlików i drzwi przyjmuje się według Aprobaty Technicznej lub zgodnie z normą wyrobu
PN-EN 14351-1; w odniesieniu do ścian osłonowych metalowo-szklanych według Aprobaty Technicznej lub zgodnie z normą wyrobu PN-EN ISO13830, a w przypadku podłogi na gruncie przyjmowany jako U_g _r i obliczany jak w pkt. 3.2.4."

Natomiast w normie PN EN ISO 6946 w punkcie 4 Zasady zamieszczono zapis "Na koniec uwzględnia się, w miarę potrzeby, poprawki dotyczące  współczynnika przenikania ciepła zgodnie z załącznikiem D, uwzględniające nieszczelności w izolacji, łączniki mechaniczne przechodzące przez warstwy izolacyjne i zawilgocenie dachów
odwróconych w wyniku opadów atmosferycznych.".

Czyli licząc U wg normy 6946 muszę uwzględnić wpływ punktowych mostków (przydatne są arkusze z portalu fizyki budowli, które Pan opisuje w zakładce Czym liczyć i uwzględniają one wszystkie przypadki opisane w normie 6946).

Podsumowując. Uważam, że wpływ punktowych mostków cieplnych we wzorze
1.14 został uwzględniony.

Z poważaniem

Igor Kornaś

 ***

 Witam serdecznie.

Czytając Państwa artykuł już na wstępie nasunęła mi się następująca myśl, na którą chciałbym zwrócić uwagę. Zacytuję:

"Pierwszy problem pojawia się w samym wzorze (1.14). Łatwo zauważyć, że nie wspomina on o mostkach cieplnych o charakterze punktowym. Spróbuję przyjrzeć się skutkom tego pominięcia. Tradycyjne ściany warstwowe łączone są łącznikami stalowymi – kotwami. Przyjmijmy, że są 4szt. kotew na 1m2. Przekrój pojedynczej kotwy przyjmijmy 25mm2. Materiał kotwy – stal (lub stal szlachetna)."

Nie zgadzam się ze stwierdzeniem, że wzór nie uwzględnia mostków punktowych.

Otóż moim zdaniem uwzględnia i za chwilę postaram się to Państwu udowodnić.

A więc tak, mostki cieplne o charakterze punktowym powinny być uwzględnione przy obliczaniu współczynnika przewodzenia ciepła zgodnie z PN-EN ISO 6946:2008.

Norma mówi, że przy obliczaniu współczynnika przewodzenia ciepła powinniśmy uwzględnić poprawkę z uwagi na nieszczelności ∆U. W wartości tej zawiera się m.in. człon korekcyjny ze względu na łączniki mechaniczne (Annex D – Corrections to thermal transmittance).

Na tej podstawie uważam, iż słusznie MI nie podaje we wzorze na współczynnik strat ciepła przez przenikanie, strat z uwagi na mostki punktowe, gdyż jeśli występują one w przegrodzie budowlanej to powinno się je uwzględnić przy wyliczeniu współczynnika przewodzenia ciepła – to jet to nasze Ui które występuje we wzorze.

Wniosek: wypisanie w tym wzorze mostków o charakterze punktowym byłoby powielaniem tych samych wartości.

Jestem na etapie poszerzania swojej wiedzy z zakresu fizyki budowli i bardzo chciałbym poznać Państwa zdanie na moje uwagi. 

Pozdrawiam

mgr inż. Tomasz Rapa