Dachy i stropy cz. I

Dach z pozostałymi przegrodami budynku (zewnętrznymi ścianami i stropami) chroni jego wnętrze przed oddziaływaniem środowiska: opadami atmosferycznymi, wiatrem, promieniowaniem UV, zmianami temperatury, hałasem. Może też pełnić dodatkowe funkcje, jako użytkowa powierzchnia dostępna dla ludzi, pojazdów lub np. miejsce na pozyskujące energię słoneczną kolektory lub ogniwa. Jakość cieplna rozwiązania technicznego dachu i jego połączeń z innymi przegrodami i elementami obudowy może mieć istotny wpływ na charakterystykę energetyczną budynku, a szczególnie lokali na najwyższej kondygnacji.

Rozwiązania techniczne dachu muszą spełniać obowiązujące wymagania podstawowe, umożliwiać zapewnienie komfortu cieplnego w pomieszczeniach i zachowywać swoje podstawowe właściwości w przewidywanym okresie i różnych cieplno-wilgotnościowych warunkach użytkowania.

Klasyfikacje dachów
Pod względem kształtu można wyróżnić m.in.: dachy z płaskimi połaciami, jedno, dwu, cztero lub wielospadowe, ewentualnie z uskokami, naczółkami, półszczytami, dachy mansardowe, pilaste, dachy w postaci kopuł, krzywizn.

Pod względem konstrukcyjnym dachy można podzielić na:

• stropodachy, o konstrukcji z elementów z betonu zbrojonego lub sprężonego, pozwalające, jeśli jest taka potrzeba, na przeniesienie znacznych obciążeń wynikających z dopuszczenia do ruchu po ich powierzchni pieszych lub pojazdów,
• o konstrukcji metalowej lub drewnianej, zwykle zaprojektowane do przenoszenia własnego ciężaru i obciążeń środowiskowych. Dachy współczesnych budynków, pod względem nachylenia połaci, można podzielić na: - strome, o znacznym, ułatwiającym odprowadzenie wody deszczowej i śniegu, nachyleniu połaci,
• płaskie (tarasowe), o małym pochyleniu, do kilku stopni, np. stropodachy, czyli pełniące funkcję dachu, stropy nad najwyższą kondygnacją.

Pod względem budowy można wyróżnić dachy:

• dzielone, z wentylowaną szczeliną lub przestrzenią pod pokryciem, które są stosowane z uwagi na cieplne i wilgotnościowe warunki eksploatacji (do pewnego stopnia współczesny odpowiednik poddasza nieużytkowego w dawnych budynkach),
• nie dzielone, w postaci kolejno stykających się ze sobą warstw materiałowych.

Dachy można podzielić z uwagi na zastosowany rodzaj pokrycia: dachówki, blachy, powłoki bitumiczne lub polimerowe lub dachy balastowe, z odwróconym układem warstw - izolacja cieplna nad izolacją wodochronną, z zewnętrzną warstwą dociskową w postaci żwiru, płytek betonowych oraz dachy zielone z zewnętrzną warstwą ziemną do uprawy niektórych gatunków roślin. Znaczną część przekryć stanowić mogą oszklenia.   

Wymagania jakości cieplnej
Zgodnie z polskim prawem jednym z tzw. wymagań podstawowych jakie musi spełniać obiekt budowlany jest zapewnienie w przewidywanym okresie użytkowania oszczędnego zużycia energii i odpowiedniej izolacyjności cieplnej (pozostałe wymagania podstawowe dotyczą bezpieczeństwa konstrukcji, pożarowego, użytkowania, odpowiednich warunków higienicznych, zdrowotnych, ochrony środowiska, ochrony przed hałasem i drganiami).  

Jakość cieplną obudowy, w tym dachu, charakteryzują:
- współczynnik przenikania ciepła,
- rozkład i ekstremalna wartość temperatury na jego wewnętrznej powierzchni.
Efektywne wartości właściwości cieplnych elementów obudowy w rzeczywistych warunkach zależą od ich szczelności na przenikanie powietrza i wilgotności. W przypadku zastosowania w dachu okien połaciowych, w odniesieniu do oszklenia zwykle wraz z współczynnikiem przenikania ciepła określa się również jego charakterystyki optyczne i współczynnik przepuszczalności całkowitego promieniowania słonecznego. Jakość cieplną połączenia dachu z innymi przegrodami zewnętrznymi charakteryzuje się podając wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła oraz minimalną wartość temperatury w obszarze połączenia.
Zła jakość cieplna dachu, zastosowanych w nim okien i świetlików oraz połączenia dachu z innymi przegrodami może przyczyniać się do:
- nadmiernego zapotrzebowania na energię do jego ogrzewania i ewentualnie chłodzenia,
- ewentualnego niedogrzewania lub przegrzewania i w konsekwencji odczucia dyskomfortu cieplnego przez osoby przebywające w pomieszczeniu,
- występowania powierzchniowej kondensacji pary wodnej, zwiększonego ryzyka rozwoju zagrzybienia.  

Współczynnik przenikania ciepła dachu
Podstawowym parametrem jakości cieplnej jest współczynnik przenikania ciepła przegrody budowlanej, wyrażony w W/(m²K), który charakteryzuje jej izolacyjność cieplną w ustalonych (nie zmieniających się w czasie) warunkach, przy założeniu, że nie zachodzi przez nią intensywny przepływ powietrza i w warunkach bez oddziaływania promieniowania słonecznego.
W normach europejskich (PN-EN) oznaczany jest literą "U" (w dawnych normach używano oznaczenia literą "k"). Wyraża ilość ciepła, w W, przenikającą w warunkach ustalonych przez 1 m² powierzchni rzutu przegrody w kierunku głównego strumienia ciepła (ściany, dachu, stropodachu, okna, drzwi), przy jednostkowej różnicy temperatury (1 K), rys. 1. Rys. 1

Współczynnik przenikania ciepła U z indeksem dolnym "c" uwzględnia dodatki ΔU np.:
- z uwagi na punktowe mostki cieplne występujące w miejscu zastosowania mocowań za pomocą łączników mechanicznych (kołków, wkrętów, śrub),
- lub z uwagi na wpływ opadów w odniesieniu do stropodachu o odwróconym układzie warstw.

Wartość współczynnika przenikania ciepła oblicza się na podstawie projektowych (obliczeniowych) wartości współczynników przewodzenia ciepła λ materiałów (lub wartości oporu cieplnego R). Wartość projektowa jest wartością oczekiwaną w warunkach uważanych za typowe w odniesieniu do zastosowanego wyrobu, najczęściej przy przyjęciu średniej temperatury w odniesieniu do wyrobu (10°C) i jego wilgotności w stanie równowagi termodynamicznej z powietrzem o określonej wilgotności względnej (np. 80%).
Wartości projektowe (obliczeniowe) w odniesieniu do izolacji cieplnych i innych wyrobów budowlanych (np. elementów murowych, okien) przyjmuje się na podstawie wartości deklarowanych przez producentów, opartych na wynikach badań przeprowadzonych w upoważnionym do tego celu laboratoriach. Badania izolacji cieplnych przeprowadza się tak aby na ich podstawie można było stwierdzić, że 90% produkcji danego wyrobu jest nie gorsze niż wartość deklarowana na poziomie ufności 90%.
W niektórych normach PN-EN są zamieszczone orientacyjne (zwykle znacznie zawyżone) wartości właściwości cieplnych materiałów, z tego powodu najlepiej opierać się na, potwierdzonych raportami z badań, deklaracjach producentów konkretnych wyrobów budowlanych.
W przypadku przegród, w których występują warstwy niejednorodne cieplne, (np. warstwa, w której konstrukcja drewniana lub metalowa jest wypełniona izolacją cieplną), wartość współczynnika przenikania ciepła może być określona na podstawie współczynnika sprzężenia cieplnego (strumienia ciepła przenikającego przez przegrodę w ustalonych warunkach, odniesionego do jednostkowej różnicy temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego), którego wartość określa się na podstawie wyników komputerowych obliczeń pola temperatury.

R_si, R_se- opory przejmowania ciepła na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej przegrody, w odniesieniu do dachu można przyjmować ich łączną wartość równą 0,14 (m²K)/W;
d, λ - grubość i współczynnik przewodzenia ciepła jednorodnej cieplnie warstwy materiałowej;
L_3D, A -współczynnik sprzężenia cieplnego i powierzchnia przegrody, z warstwami niejednorodne cieplnymi.

Wartości współczynników przenikania ciepła elementów obudowy oraz wartości liniowych współczynników przenikania ciepła w odniesieniu do ich połączeń niezbędne są określenia strat ciepła przez przenikanie w obliczeniach mocy cieplnej potrzebnej do ogrzania pomieszczeń lub sezonowego zapotrzebowania budynku na ciepło do tego celu. Wartości współczynników przenikania ciepła elementów obudowy nie mogą być niższe od wartości dopuszczalnych określonych w przepisach budowlanych. Wg aktualnych wymagań najniższa wartość współczynnika przenikania ciepła w odniesieniu do dachów jest równa 0,30 W/(m²K).

Normy dotyczące określania izolacyjności cieplnej przegród budowlanych w tym dachów:

1. PN-EN ISO 13789:2001: Właściwości cieplne budynków - Współczynnik strat ciepła przez przenikanie - Metoda obliczania
2. PN-EN ISO 6946:2004: Komponenty budowlane i elementy budynku - Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła - Metoda obliczania
3. PN-EN ISO 10211-1:2005: Mostki cieplne w budynkach - Obliczanie strumieni cieplnych i temperatury powierzchni - Część 1: Metody ogólne + Ap1:2006
4. PN-EN ISO 10211-2:2002: Mostki cieplne w budynkach - Obliczanie strumieni cieplnych i temperatury powierzchni - Część 2: Liniowe mostki cieplne
5. PN-EN ISO 14683:2001: Mostki cieplne w budynkach - Liniowy współczynnik przenikania ciepła - Metody uproszczone i wartości orientacyjne
6. PN-EN ISO 10456:2004: Materiały i wyroby budowlane - Procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych
7. PN-EN 12524:2003: Materiały i wyroby budowlane - Właściwości cieplno-wilgotnościowe - Tabelaryczne wartości obliczeniowe
8. PN-EN ISO 10077-1:2006 (U): Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji - Obliczanie współczynnika przenikania ciepła - Część 1: Postanowienia ogólne

Rozkład temperatury na wewnętrznej powierzchni
Od wartości temperatury wewnętrznej powierzchni przegród istotnie zależy ryzyko występowania powierzchniowej kondensacji pary wodnej i rozwoju zagrzybienia oraz odczucia komfortu cieplnego w pomieszczeniach. Zależy ona od izolacyjności cieplnej przegrody, warunków przejmowania ciepła na jej powierzchni oraz temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego.
W celu scharakteryzowania jakości cieplnej z uwagi na temperaturę powierzchni w sposób niezależny od wartości temperatury środowisk, stosuje się współczynnik temperaturowy fRsi. Jego wartość jest równa różnicy temperatury powierzchni i temperatury środowiska zewnętrznego, podzielonej przez różnicę temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego, określoną przy przyjęciu wartości oporu przejmowania ciepła f_Rsi na wewnętrznej powierzchni obudowy.

 (2)

W odniesieniu dowolnego zestawu wartości temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego wartość temperatury powierzchni może być obliczona wg poniższego wzoru (przykłady graficzne zamieszczono na (rys. 2):

 (3)

Normowe kryterium ochrony przed powierzchniową kondensacją pary wodnej jest podane w postaci:

 (4)

Wewnętrzna powierzchnia obudowy jest zabezpieczona przed kondensacją pary wodnej jeżeli jej temperatura jest wyższa od punktu rosy powietrza. Punkt rosy jest wartością temperatury, w której powietrze zawierające określoną ilość pary wodnej osiąga stan nasycenia. W powyższym kryterium maksymalną dopuszczalną wilgotność względną w odniesieniu do temperatury powietrza równej temperaturze powierzchni jest stan nasycenia, czyli:

f_Rsi,dop = 1,0 (100%),

f_Rsi,dop = 0,8 (80%) - w odniesieniu do powierzchni obudowy wykonanej z materiałów o budowie kapilarno-porowatej np. wyrobów ceramicznych, wapienno-piaskowych, betonów kruszywowych i komórkowych, gipsów i zapraw, ze względu na zjawisko tzw. kondensacji kapilarnej.

Wartość dopuszczalną współczynnika temperaturowego określa się z uwzględnieniem intensywności wentylacji i emisji wilgoci w pomieszczeniu.
Wartości dopuszczalne w odniesieniu przegród o małej bezwładności cieplnej (np. lekkie konstrukcje szkieletowe), w zależności od wilgotności pomieszczenia i wartości temperatury środowiska zewnętrznego, podano na rys. 3.

Rys. 3

Rzeczywiste warunki przepływu ciepła w dachach
W rzeczywistości warunki przepływu ciepła przez dach ulegają nieustannym zmianom. Wahania temperatury i wilgotności powietrza w środowisku zewnętrznym i wewnętrznym, prędkości i kierunku wiatru i promieniowania słonecznego powodują nie tylko zmiany warunków wymiany ciepła na powierzchniach dachu, ale również mogą wpływać na izolacyjność cieplną samej przegrody.
Ponieważ badania procesów nieustalonych są skomplikowane i długotrwałe, do oceny zachowania się przegród często wykorzystuje się symulację komputerową przepływu ciepła lub, jeśli jest taka potrzeba, sprzężonego przepływu ciepła i wilgoci.
Istotny wpływ na rzeczywistą izolacyjność cieplną obudowy ma jej szczelność na przenikanie powietrza. W materiałach o zwartej budowie i spienionych tworzywach sztucznych filtracja powietrza nie występuje. Może ona powstawać w niezabezpieczonych przed "przewiewaniem" materiałach włóknistych, ułożonych luzem zasypkach materiałów izolujących cieplnie oraz przez szczeliny w obudowie miedzy materiałami lub elementami obudowy.
Zjawisko miejscowego pogorszenia izolacyjności cieplnej dachu na skutek intensywnego przepływu powietrza przez izolację cieplną (w trakcie działania silnego wiatru) może występować przy okapie, w dachu z wentylowaną szczeliną pod pokryciem połaci dachu stromego, co schematycznie przedstawiono na rys. 4. Skutki mogą być obserwowane w postaci zwiększonego zapotrzebowania na ciepło do ogrzania pomieszczenia lub jego niedogrzania oraz ewentualnego występowania powierzchniowej kondensacji pary wodnej.

Rys. 4

Ze względu na zastosowanie materiałów różniących się przewodnością cieplną i przestrzenny charakter połączeń przegród budynku pole temperatury w dachu w wielu miejscach jest dwu lub trójwymiarowe.
Rozkład temperatury w takim przypadku można wyznaczyć na podstawie wyników symulacji komputerowej, wg PN-EN ISO 10211-1. Na rys. 5 pokazano przykład obliczonego programem SOLIDO PHYSIBEL rozkładu izoterm w warunkach ustalonego przepływu ciepła w narożu dachu stromego i ściany szczytowej.

Rys. 5

Z powodu nieustannych zmian warunków cieplnych w środowisku zewnętrznym i w mniejszym stopniu w środowisku wewnętrznym pole temperatury w dachu zmienia się w czasie.
Na rys. 6 przedstawiono wartości temperatury wewnętrznej powierzchni obudowy w wybranych miejscach przykładowego naroża ścian i stropodachu (w obszarach jedno, dwu i trójwymiarowego pola temperatury), wykonane programem VOLTRA PHYSIBEL, przy przyjęciu periodycznych zmian wartości temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego.

Rys. 6

Dachy i stropy cz. II