Facebook

Straty ciepła przez podłogi na gruncie

Z:A 71

KATEGORIA: Praktyka

Analizy wielu projektów budowlanych obiektów różnej wielkości i przeznaczenia wskazują, że ocieplenia podłóg na gruncie oraz sąsiadujących z nimi fundamentów często są dobierane uznaniowo, a nawet przez przypadek.

Zjawiska ruchu ciepła zachodzące w podłogach i posadowieniach stykających się bezpośrednio lub pośrednio z gruntem są niezwykle istotne, gdyż:

  • podczas projektowania budynku konieczne jest określenie mocy cieplnej zarówno urządzeń grzejnych w pomieszczeniach, jak i źródła ciepła dla całego obiektu;
  • przy ocenie energetycznej budynku i sporządzaniu jego charakterystyki energetycznej konieczne jest poznanie rocznych strat;
  • optymalizacja rozwiązań technicznych na etapie projektowania, termorenowacji lub modernizacji oraz przebudowy wymaga znajomości strat ciepła;
  • ich straty wpływają na wynik analiz cieplno-wilgotnościowych i możliwość wyeliminowania zjawisk korozji biologicznej.

Typy podłóg tracących ciepło do gruntu

W praktyce wyróżniamy pięć zasadniczych układów podłóg na gruncie (rysunek 1):

  • z posadowieniem na ławach;
  • podniesionej (podwieszonej) nad gruntem;
  • piwnicy ogrzewanej;
  • parteru nad piwnicą nieogrzewaną;
  • z posadowieniem na płycie.

Rys. 1. Typy podłóg tracących ciepło do gruntu.

Straty ciepła odbywają się jednocześnie bezpośrednio do gruntu oraz pośrednio poprzez posadowienie budynku i podłoże stykające się z powietrzem zewnętrznym. W efekcie mamy do czynienia ze skomplikowanym trójwymiarowym przepływem ciepła z wnętrza ogrzewanego do otoczenia. Występują trzy strefy warunków brzegowych  wymiany ciepła: wnętrze, otoczenie i grunt. Te specyficzne uwarunkowania oraz zmienność własności fizycznych w czasie są powodem niemałych trudności w obliczaniu ilościowych przepływów ciepła w omawianych przegrodach.

Temperatura gruntu

Dla określenia strat ciepła przez podłogi podstawowe znaczenie ma ustalenie właściwej temperatury gruntu w posadowieniu danego budynku i warunków gruntowo-wodnych wynikających z badań geologicznych. Wykazano, że temperatura ta zależy od: pory roku, własności fizycznych warstw gruntu, pokrycia terenu oraz zagłębienia poniżej jego poziomu.

Rys. 2. Roczny rozkład temperatury w gruncie w Białymstoku.

Jej przykładowy rozkład w ciągu roku na różnych głębokościach w Białymstoku1  przedstawia rysunek 2. Widać, że zimą wraz z głębokością temperatura podnosi się, zaś latem maleje. Jej wartość minimalna odnotowywana jest wprawdzie w miesiącach zimowych, jednak co ciekawe – im głębiej, tym później to się dzieje. Zauważmy, że na głębokości metra występuje ona w połowie lutego i wynosi ok. 1°C, na 2 m – na początku marca i osiąga ok. 4°C, a na 5 m – dopiero na początku maja i wynosi ok. 8°C. Wraz ze wzrostem głębokości maleje amplituda wahań temperatury gruntu.

Jak wykazały światowe badania, 5 m poniżej poziomu terenu jest ona równa średniorocznej temperaturze powietrza zewnętrznego w danej lokalizacji. Zatem, aby obliczyć straty ciepła do gruntu, projektant musi znać wartość temperatury gruntu oraz projektowej temperatury powietrza zewnętrznego zimą. Podział Polski na strefy klimatyczne w tym zakresie określa norma2, co przedstawia rysunek 3.

Rys. 3. Średnie roczne i projektowe temperatury powietrza zewnętrznego zimą w Polsce.

Strumienie ciepła przenikające do gruntu

Z badań zjawiska przenikania ciepła przez podłogi na gruncie wynika zagadkowa właściwość, o której nie wszyscy wiedzą. Z tego powodu jest ona często pomijana bądź przyczynia się do powstawania niedomówień. Otóż okazuje się, że z uwagi na olbrzymią pojemność cieplną gruntu, ciepło z podłogi przenika trzema różnymi strumieniami, co w przekroju pionowym schematycznie pokazuje rysunek 4. Z powierzchni o szerokości S1 (wynoszącej 0,8–1,0 m) strumień ciepła Φ S1 przenika po łuku zbliżonym do półokręgu przez warstwy podłogi, warstwy pod nią i dalej przez fundament i grunt do otoczenia. Z powierzchni o szerokości S2 (wynoszącej 0,64 H–S1) strumień ciepła ΦS2 przenika ćwierćokręgiem przez warstwy podłogi oraz warstwy pod nią aż do osi pionowej fundamentu. Z pozostałej powierzchni podłogi sięgającej połowy jej szerokości b strumień ciepła ΦW przenika prostopadle w dół przez warstwy podłogi i warstwy pod nią do poziomu wody gruntowej. Jak widać, znaczącą rolę w określaniu strat ciepła podłogi odgrywa jej szerokość b. Dlatego wzory służące do obliczania współczynnika przenikania ciepła UC podłogi na gruncie są uzależnione od jej charakterystycznych wymiarów geometrycznych: pola powierzchni oraz obwodu mierzonego po ścianach zewnętrznych.

Rys. 4. Ideowy model przepływu ciepła z podłogi na gruncie według W. Wasilewskiego.

Obliczanie współczynnika przenikania ciepła U

Rozporządzenie3 wskazuje normę4, według której można obliczać przybliżone współczynniki przenikania ciepła U oraz straty ciepła przez podłogę na gruncie. Służą one
do doboru urządzeń grzewczych i źródła ciepła dla budynku. Jednakże norma ta zaleca wykonywanie obliczeń w stanach ustalonych metodą szczegółową według ISO 133705, która pozwala uzyskać wyniki bardziej zbliżone do rzeczywistych niż metoda uproszczona. Zgodnie z tą normą uwzględnia się trójwymiarową naturę wymiany ciepła, bezwładność cieplną gruntu i jego przewodnictwo cieplne, a także sinusoidalne zmiany miesięcznych średnich temperatur zewnętrznych i wewnętrznych w ciągu roku. Dopuszcza ona następujące sposoby obliczania strumienia ciepła traconego przez przegrody do gruntu w stanie ustalonym:

  • trójwymiarowe obliczenia komputerowe zgodnie z normami ISO 10211-16 i ISO 10211-27 według rzeczywistych wymiarów podłogi;
  • dwuwymiarowe obliczenia komputerowe zgodnie z normami ISO 10211-1 i ISO 10211-2 w odniesieniu do nieskończonej długości podłogi i jej szerokości równej wymiarowi charakterystycznemu;
  • obliczenia analityczne przepływu ciepła według zamieszczonych w niej wzorów, z uwzględnieniem dwuwymiarowego komputerowego obliczania liniowych mostków ciepła wzdłuż krawędzi podłogi według norm ISO 10211-1 i ISO 10211-2;
  • obliczenia jak w punkcie powyższym, lecz z zastosowaniem katalogów mostków cieplnych wzdłuż krawędzi podłogi (ze względu na znaczne błędy wynikające z uproszczeń skatalogowanych mostków cieplnych i niezgodność z faktycznymi wymiarami i materiałami należy ten sposób odrzucić).

Zagrożenie pleśnią

Dokonajmy analizy ocieplenia podłogi ogrzewanej obliczanej sposobem trzecim na podstawie pewnego projektu niepodpiwniczonego domu jednorodzinnego w Warszawie. Powierzchnia podłogi ogrzewanej parteru wynosi 170 m2, zaś jej obwód stykający się ze ścianami zewnętrznymi – 54 m. Przekrój pionowy przez podłogę oraz fundament według rozwiązania zawartego w projekcie budowlanym przedstawia rysunek 5, a rozkład kierunków i wektorów strumieni przenikającego ciepła na styku podłogi ze ścianą w pokojach – rysunek 6. Widać, że ich największe zagęszczenie i wielkości występują w pachwinie między podłogą a ścianą, zaś ich zwrot jednoznacznie wskazuje, że celowe jest postawienie dodatkowego oporu cieplnego na ich drodze, szczególnie na fundamencie na wysokości warstw podłogi oraz dwa razy tyle niżej.

Rys. 5. Przekrój pionowy przez podłogę parteru i fundament, według omawianego projektu.

Rys. 6. Rozkład wektorów strumieni przenikającego ciepła na styku podłogi ze ścianą w pokojach.

Rozkład temperatur w omawianym przekroju obliczony sposobem drugim przedstawiony jest na rysunku 7, zaś gęstość strumieni przewodzonego ciepła – na rysunku 8. Widać, że w pachwinie między podłogą a ścianą strumień osiąga wartość 50–170 W/m2, podczas gdy w niedalekim sąsiedztwie w podłodze i ścianie zaledwie ok. 14. Skutkiem tego jest występowanie w pachwinie temperatury powierzchniowej 7,3°C, podczas gdy w pozostałej strefie ściany jest to 18,7°C, zaś na podłodze – 18,6°C. W pokojach, w których odnotowuje się 20°C i 50-procentową wilgotność względną powietrza, temperatura punktu rosy wynosi 9,3°C. Oznacza to, że w pachwinie dojdzie do kondensacji pary wodnej i rozwoju pleśni. Zatem rozwiązanie zaproponowane w projekcie nie spełnia wymagań WT, mimo że współczynnik przenikania ciepła podłogi Uc = 0,227 W/m2K i spełnia je w tym zakresie. Określony drugim sposobem liniowy współczynnik przenikania ciepła liniowego mostka cieplnego fundamentu ΨL wynosi 0,535 W/mK.

Rys. 7. Rozkład temperatur w strefie styku podłogi, fundamentu i ściany.

Rys. 8. Gęstość strumieni przewodzonego ciepła w strefie styku podłogi, fundamentu i ściany.

Efekt ocieplenia podłogi

Przeanalizujmy, jak będzie zmieniać się wartość Uc tej podłogi w zależności od grubości styropianu użytego do jej ocieplenia. Zależność obliczoną drugim sposobem przedstawia rysunek 9. Widać, że najbardziej efektywną redukcję strat ciepła uzyskuje się dla 8-centymetrowej termoizolacji. Zwiększanie grubości do 30 cm powoduje mało znaczące obniżenie współczynnika przenikania ciepła. Na krzywej kolorem żółtym zaznaczono jego wartość dla podłogi opracowanej w projekcie.

Rys. 9. Wartość współczynnika przenikania ciepła podłogi Uc w zależności od grubości jej ocieplenia.

Z rysunków 6 i 8 wynika, że przez pachwinę między podłogą a ścianą następuje znaczna ucieczka ciepła przez fundament i cokół do otoczenia. Ponadto, cały fundament i ława znajdują się w gruncie o temperaturze ujemnej, co nie jest dobrym rozwiązaniem, szczególnie przy gruntach o charakterze wysadzinowym.

Efekt ocieplenia fundamentu i cokołu

Warto zwrócić uwagę, co, poza ociepleniem podłogi, dało położenie dodatkowej termoizolacji pionowej ze styropianu XPS o grubości 10 cm na fundamencie od zewnątrz i zamiana cegły klinkierowej na cokole także na ten materiał, jak przedstawia rysunek 10. Rozkład temperatur w przekroju pionowym obrazuje rysunek 11, zaś gęstość strumieni przewodzonego ciepła – rysunek 12.

Rys. 10. Przekrój pionowy przez podłogę parteru i ocieplony fundament.

Rys. 11. Rozkład temperatur w strefie styku podłogi, fundamentu i ściany po ociepleniu fundamentu.

Rys. 12. Gęstość strumieni przewodzonego ciepła w strefie styku podłogi, fundamentu i ściany po ociepleniu fundamentu.

Po obłożeniu fundamentu strumień ciepła w pachwinie między podłogą a ścianą zmalał do 20–60 W/m2, natomiast w niedalekim sąsiedztwie w podłodze i ścia-
nie – do ok. 6 W/m2. Należy zauważyć, że temperatura w pachwinie w pokojach wzrosła z 7,3 do 14,3°C i spełnia wymogi WT, gdyż wystarczająco zabezpiecza najzimniejsze miejsce przed kondensacją pary wodnej i pleśnią. Wartość liniowego współczynnika przenikania liniowego mostka cieplnego ΨL zmniejszyła się do 0,051 W/mK, czyli aż ponad 10 razy w stosunku do stanu projektowanego.

Przeanalizujmy teraz, jak będzie się zmieniać wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła ΨL tej podłogi w zależności od grubości ocieplenia styropianem fundamentu i cokołu przy niezmienionej grubości 10 cm ocieplenia podłogi. Obliczoną drugim sposobem zależność przedstawia rysunek 13. Widać, że istotną redukcję strat ciepła uzyskuje się przy termoizolacji pionowej o grubości ok. 15 cm, gdyż powyżej niej funkcja staje się płaska, a więc ocieplenie jest mało efektywne. Na krzywej na żółto zaznaczono zaprojektowaną wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła ΨL , a na czerwono – wartość ΨL  po dodaniu ocieplenia pionowego 10 cm fundamentu i cokołu.

Rys. 13. Wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła podłogi UL w zależności od grubości ocieplenia fundamentu.

Zbawienna warstwa termiczna

Z rysunku 12 wynika, że – mimo istotnego zmniejszenia strumienia ciepła z podłogi w strefie cokołu za pomocą pionowej warstwy styropianu – występuje pewna istotna ucieczka ciepła przez fundament na wysokości pachwiny między podłogą a ścianą zewnętrzną. Przeanalizujmy zatem, jaki efekt energetyczny da zamiana w tej strefie bloczków silikatowych drążonych (Λ=0,80 W/mK) na bloczki z betonu komórkowego o gęstości 600 kg/m3 (Λ=0,15 W/mK), jak pokazuje to rysunek 14. Uzyskany dzięki temu rozkład strumieni ciepła w analizowanym przekroju przedstawiono na rysunku 15. Widać, że w pachwinie między podłogą a ścianą strumień przenikającego ciepła zmalał do zaledwie 24 W/m2, zaś temperatura wzrosła z 14,3°C do 17,4°C. Wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła liniowego mostka cieplnego podłogi ΨL zmniejszyła się do -0,047 W/mK. Mechanizm zamiany pierwszej warstwy muru z materiału dobrze przewodzącego ciepło na materiał o małej przewodności cieplnej nazywa się wprowadzeniem warstwy termicznej na fundamencie. Powinien on być powszechnie brany pod uwagę podczas projektowania obiektów ogrzewanych.

Rys. 14. Przekrój pionowy przez podłogę parteru i fundament z warstwą termiczną.

Rys. 15. Gęstość strumieni przewodzonego ciepła w strefie styku podłogi, fundamentu i ściany po zastosowaniu warstwy termicznej.

Wnioski

  • Przenikanie ciepła z podłóg na gruncie ma charakter trójwymiarowy, ponieważ spowodowane jest wpływem pojemności cieplnej gruntu, liniowych mostków cieplnych po obwodzie podłóg oraz wymiarów geometrycznych podłogi. Dlatego nie można obliczać współczynnika przenikania ciepła Uc podłogi na gruncie według wzorów zasadnych dla przegród płaskich. W praktyce, niestety, często oblicza się go błędnie.
  • Ocieplenia podłóg na gruncie powinny być wspomagane pionowymi termoizolacjami fundamentów oraz cokołów, by uniknąć zagrożenia pleśnią.
  • Lokalizacja i grubość ocieplenia podłóg i fundamentów powinny bazować na optymalizacji energetyczno-ekonomicznej, zapewniającej najniższe koszty materiału i pracy przy najniższych kosztach ogrzewania pomieszczeń z podłogą na gruncie.
  • Uzasadnione jest stosowanie warstwy termicznej na fundamencie, jeśli mur wykazuje duże przewodnictwo cieplne.
  • Architektom potrzebne jest komputerowe narzędzie wspomagające projektowanie podłóg na gruncie, aby inwestor mógł otrzymać w projekcie budowlanym rozwiązania optymalizujące koszty inwestycji i eksploatacji.

 

PRZYPISY:
  1. J.B. Zembrowski, Sekrety tworzenia murowanych domów bez błędów, Białystok 2017.
  2. PN-EN ISO 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.
  3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie z 12.04.2002 r. z późniejszymi zmianami.
  4. PN-EN ISO 12831:2006 Nowa metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.
  5. PN-EN ISO 13370:2008 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Przenoszenie ciepła przez grunt. Metody obliczania.
  6. PN-EN ISO 10211-1:2005 Mostki cieplne w budynkach. Obliczanie strumieni cieplnych i temperatury powierzchni cz. 1: Metody ogólne.
  7. PN-EN ISO 10211-2:2002 Mostki cieplne w budynkach. Obliczanie strumieni cieplnych i temperatury powierzchni cz. 1: Liniowe mostki cieplne.

 

Jerzy Bogdan Zembrowski
Jerzy Bogdan Zembrowski

fizyk budowli, autor książki Sekrety tworzenia murowanych domów bez błędów, wydawca serwisu BDB Baza Doradztwa Budowlanego

TAGI

reklama

Warto przeczytać