1

dr inż. Aleksander Byrdy

Politechnika Krakowska

Wpływ zastosowania materiałów o wysokiej

izolacyjności cieplnej na konstrukcję fasad

wentylowanych

2

Rozwiązania materiałowe fasad wentylowanych

Fasady wentylowane są powszechnie stosowane w przegrodach zewnętrznych

budynków użyteczności publicznej, obiektów sportowych, budynków wystawowych, czy w

obiektach infrastruktury komunikacyjnej. Fasady wentylowane pozwalają na realizacje ścian

z okładziną zewnętrzną wykonaną z najwyższej jakości materiałów co wpływa na możliwość

kształtowania nowoczesnej architektury budynków.

Typowe rozwiązanie materiałowe przegrody składa się z warstwy termoizolacyjnej

układanej na warstwie konstrukcyjnej ściany, szczeliny wentylującej przegrodę oraz warstwy

elewacyjnej mocowanej na tak zwanej podkonstrukcji (por. rys.1). Na warstwy elewacyjne

mogą być stosowane bardzo różnorodne materiały takie jak okładziny drewniane i

drewnopochodne, panele aluminiowe, szkło, kamień naturalny, beton architektoniczny,

konglomeraty, ceramika, gresy, czy płyty z włóknocementu. Warstwy okładzinowe

mocowane są do konstrukcji budynku za pomocą rusztu podporowego z profili

aluminiowych, ze stali ocynkowanej lub nierdzewnej, a w przypadku lekkich materiałów

elewacyjnych z impregnowanych łat drewnianych.

Rys.1 Uwarstwienie przykładowej fasady wentylowanej. Oznaczenia: 1-lekka okładzina

elewacyjna, 2- ruszt drewniany, 3- termoizolacja, 4- ściana wypełniająca, 5- pojedynczy kołek

rozporowy (podpora stabilizująca rusztu), 6- układ kołków rozporowych tworzących podporę

nośną rusztu, 7- wieniec stropowy, 8- warstwy podłogi pływającej.

W przypadku elewacji kamiennych płyty elewacyjne mogą być indywidualnie mocowane do

podłoża za pomocą kotwi z płaskownika (por. rys.2). Profile rusztu nośnego mocowane są

najczęściej za pomocą konsol w przestrzeni wentylowanej przegrody-rys.3. Szczelina

wentylująca ma grubość od 2 do 4 cm i jest połączona z powietrzem zewnętrznym poprzez

układ wlotów zlokalizowanych przy podstawie elewacji oraz poprzez otwory wylotowe w

strefach zwieńczenia fasady.

3

W przypadku okładzin z fugami ażurowymi przepływ powietrza odbywa się swobodnie

szczeliny miedzy płytami okładzinowymi. Kolejną warstwę fasad wentylowanych stanowi

warstwa izolacji termicznej mocowana do podłoża za pomocą łączników mechanicznych lub

w połączeniu z mocowaniem techniką klejenia. Izolacja termiczna powinna być zrealizowana

jako ciągła i równomierna warstwa, przymocowana do ściany nośnej. Podłożem nośnym

warstw fasad wentylowanych jest ściana zewnętrzna budynku. Może ona być zrealizowana

jako konstrukcja nośna wzniesiona z żelbetu lub drobnowymiarowych elementów murowych

ewentualnie jako element wypełniający np. z betonu komórkowego lub ceramiki

poryzowanej. W tym drugim przypadku obciążenia pionowe z ciężkich okładzin

zewnętrznych przekazywane są na zakotwienia nośne mocowane do wieńców stropowych.

Rys.2 Schematy mocowania płyt kamiennych w technologii "na sucho" a) płyty mocowane

w na krawędziach poziomych, b) płyty mocowane na krawędziach pionowych. Oznaczenia:

1- tynk wewnętrzny, 2 -warstwa konstrukcyjna ściany, 3 - okładzina kamienna, 4 - pustka

powietrzna, 5 - kotew nośna mocowana w fudze pionowej, 6 - termoizolacja ściany, 7- kotew

stabilizująca, 8 - kotew nośna mocowana w fudze poziomej.

Rys.3 Fasada wentylowana z ciężką okładziną elewacyjną. Oznaczenia: 1- płyta

okładzinowa, 2- uchwyt mocujący płytę elewacyjną, 3- kotwa niewidoczna (tzw. tyłowkręt),

4- konsola nośna, 5- podkładka izolacyjna, 6- szyna rusztu (szczelina wentylująca), 7-

termoizolacja, 8- tynk wewnętrzny, 9 -warstwa konstrukcyjna ściany.

4

Wymagania techniczne stawiane fasadom wentylowanym

Fasady wentylowane stanowią wierzchnią warstwę ścian zewnętrznych. Poza ciężarem

własnym muszą przenosić obciążenia środowiskowe oddziaływujące na okładzinę. W

zakresie bezpieczeństwa konstrukcji fasady muszą spełniać wymagania dotyczące odporności

na uderzenia, muszą także przenosić obciążenia wiatrem i temperaturą. W zakresie

użytkowym fasady wentylowane są weryfikowane pod względem ich wodoszczelności,

zdolności odprowadzania wody deszczowej i trwałości elementów składowych.

Straty cieplne przez ściany zewnętrzne mają największy udział w stratach ciepła budynku,

dlatego rozwiązanie materiałowe izolacji termicznej jest ważnym etapem projektowania

budynków z fasadami wentylowanymi. Podstawowym kryterium określania izolacyjności

cieplnej ścian zewnętrznych jest określany obliczeniowo współczynnik przenikania ciepła U.

Według aktualnych wymagań maksymalne wartości współczynników przenikania ciepła U

dla ścian nie powinny przekraczać wartości U= 0,25 [W/(m2K)]. W Rozporządzeniu Ministra

Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej [1] dopuszczalny współczynnik U maleje do

wartości U= 0,23 [W/(m2K)] i w kolejnych latach nadal będzie obniżany do wartości

pokazanych na rys.4.

Rys.4 Wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej ścian graniczących z pomieszczeniami

ogrzewanymi ( ti>16oC) zawarte w [1].

Przy obliczaniu współczynnika ciepła U fasad wentylowanych nie uwzględnia się warstw

zewnętrznych od strony przestrzeni wentylowanej przegrody oraz izolacyjności szczelin

wentylacyjnych. Najważniejszą warstwą izolacyjną jest izolacja termiczna wykonywana

najczęściej z wełny mineralnej, styropianu EPS, płyt XPS, płyt z pianki poliuretanowej lub z

twardej pianki rezolowej. Miarą sprawności materiałów izolacyjnych jest współczynnik

przewodności cieplnej λ. Zestawienie krzywych zależności pomiędzy grubością izolacji o

różnych współczynnikach λ a współczynnikiem przenikania ciepła fasad wentylowanych

pokazano na rys.5.

0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26

do 31.12. 2016

do 31.12. 2020

od 01.01. 2021

Umax [W/(m2K)]

Czas trwania wymagań

5

Przy określaniu współczynnika przenikania ciepła U fasad wentylowanych, zalecane jest

zgodnie z [2] uwzględnienie niejednorodności (nieciągłości) warstw izolacyjnych elewacji

wentylowanych. Przykładowo należy uwzględniać punktowe mostki termiczne występujące w

miejscach zastosowania konsol mocujących podkonstrukcję warstw elewacyjnych (por.

rys.3).

Rys.5 Zależność między grubością termoizolacji o różnym współczynniku λ i uzyskanym

obliczeniowo współczynnikiem przenikania ciepła U dla fasad wentylowanych mocowanych

do ściany żelbetowej o grubości 20 cm bez uwzględnienia punktowych mostków

termicznych.

W sytuacjach wyjątkowych np. w warunkach pożaru fasady wentylowane powinny zapewnić

bezpieczeństwo prowadzenia ewakuacji i pracy ekip ratowniczych. Fasady wentylowane

powinny ograniczać rozprzestrzenianie się pożaru na sąsiednie kondygnacje budynku i

sąsiadujące budynki. Zgodnie z [1] elementy okładzin elewacyjnych powinny być mocowane

do konstrukcji budynku w sposób uniemożliwiający ich odpadanie w przypadku pożaru w

czasie krótszym niż wynikający z wymaganej klasy odporności ogniowej dla ściany

zewnętrznej, odpowiednio do klasy odporności pożarowej budynku, w którym są one

zamocowane. Warstwy izolacji termicznej ścian zewnętrznych budynków podlegających

klasyfikacji pożarowej powinny być wykonane z materiałów nierozprzestrzeniających ognia

(NRO), a na wysokości budynku powyżej 25 m od poziomu terenu okładziny elewacyjne, ich

zamocowanie, a także izolacja cieplna ściany zewnętrznej powinny być wykonane z

materiałów niepalnych [1], [3].

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22

Umax [W/(m2·K)]

d [m]

λ = 0,038 [W/(m·K)]

λ = 0,035 [W/(m·K)]

λ = 0,034 [W/(m·K)]

λ = 0,031 [W/(m·K)]

λ = 0,021 [W/(m·K)]

λ = 0,02 [W/(m·K)]

6

Wyjątek stanowią elewacje wentylowane ścian zewnętrznych budynków ZL II, w których

dopuszcza się do wysokości 25 m od poziomu terenu, zastosowanie izolacji cieplnej palnej,

jeżeli osłaniająca ją od wewnątrz okładzina jest niepalna i ma klasę odporności ogniowej co

najmniej:

1) w budynku klasy odporności pożarowej „B" - EI 60,

2) w budynku klasy odporności pożarowej „C" i „D" - EI 30.

W praktyce oznacza to, że ściany z fasadami wentylowanymi powinny być izolowane

termicznie materiałami niepalnymi (np. wełna mineralna) lub nierozprzestrzeniającymi ognia

(np. płytami z piany rezolowej [4]).

Zalecane materiały termoizolacyjne do fasad wentylowanych

Tradycyjnie w fasadach wentylowanych stosowana jest wełna mineralna kamienna lub

szklana. W celu poprawy jej parametrów użytkowych wełna przeznaczona do elewacji

wentylowanych powinna być od zewnętrznej strony zabezpieczona warstwą wiatroizolacyjną.

W zastosowaniach praktycznych najczęściej stosowana jest wełna pokryta fabrycznie

welonem szklanym po stronie zewnętrznej.

Nowym materiałem stosowanym do fasad wentylowanych są płyty z pianki rezolowej. Płyty

izolacyjne mają postać twardej pianki na bazie rezoli w 100% wolnej od zawartości chloro- i

fluoropochodnych węglowodorów alifatycznych (freonów CFC/HCFC). Twarda pianka

rezolowa powstaje w procesie łączenia żywicy rezolowej, mocznika, węglanu wapnia,

katalizatora i bezpiecznego dla środowiska środka spieniającego. Struktura komórkowa w

żywicy powstaje pod wpływem temperatury uwalnianej podczas zachodzącej reakcji

chemicznej. W rezultacie, środek spieniający zostaje zamknięty w masie surowca

umożliwiając powstanie solidnej, bardzo delikatnej i prawie w 100% zamkniętej struktury

komórkowej. Tradycyjnie rezole wchodziły w skład dawniej powszechnie stosowanych

tworzyw sztucznych produkowanych pod nazwą bakelit. Bakelit był jednym z pierwszych

tworzyw sztucznych wykorzystywanych do wytwarzania gniazdek elektrycznych i

telefonów. Obecnie stosuje się go jako składnik klejów, farb kryjących , płyt

wiórowych, MDF itp. Formułę twardą pianki na bazie rezoli opracowano jako lepsza

alternatywa dla obecnie produkowanych materiałów izolacyjnich. Pianka rezolowa ma

najniższą wartość współczynnika izolacyjności cieplnej na rynku (λ=0,020÷0,021 W/(mK))

[5].

7

Wpływ rozwiązania mocowania fasad wentylowanych na izolacyjność termiczną

przegrody

Grubość izolacji termicznych w ścianach z fasadami wentylowanymi ma bezpośredni

wpływ na przekrój i rozstaw konsol mocujących i podpierających podkonstrukcję okładzin

elewacyjnych. Układ konstrukcji wsporczej zależy od ciężaru elewacji, rozwiązania

mocowania systemowego, czy koncepcji architektonicznej konkretnej fasady. Z tych

powodów izolacyjność każdej przegrody z fasadą wentylowaną trzeba określać

indywidualnie. Na podstawie przeprowadzonych analiz numerycznych trójwymiarowych

modeli mostków termicznych stwierdzono znaczny spadek izolacyjności cieplnej ścian z

uwzględnieniem strat cieplnych przez konstrukcję wsporczą w stosunku do analiz bez

uwzględniania tego efektu [6], [7]. W celu określenia wpływu punktowego mostka

termicznego w postaci zakotwienia zaleca się przeprowadzanie analiz MES dla modelu 3D

mostka termicznego. Jako przykładową analizę punktowych mostków cieplnych w ścianach z

okładziną kamienną przeprowadzono na przykładzie ściany zewnętrznej biurowca IBM w

Katowicach. Rzeczywiste uwarstwienie ścian budynku i przykład równoważnego

uwarstwienia z użyciem płyt rezolowych w analizowanym budynku pokazano na rys.6.

Rys.6 Układ zakotwień płyty i uwarstwienie analizowanej przegrody: a) ściana izolowana

wełną mineralną, b) ściana izolowana płytami rezolowymi. Oznaczenia: 1- żelbetowa ściana

konstrukcyjna, 2- wełna mineralna, 3- wentylowana szczelina powietrzna, 4- płyta

okładzinowa z piaskowca, 5- kotew nośna ze stali nierdzewnej, 6- płyta rezolowa.

Analizę obliczeniową przepływu ciepła przez przegrodę przeprowadzono za pomocą

programu Psi-Therm 3D 2012. Sprawdzono przepływ ciepła przez 1 m2 przegrody przy

założeniu stałych warunków brzegowych wewnątrz budynku i w szczelinie wentylowanej. Do

obliczeń przyjęto różnicę temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego budynku

równą 25oC (+20 oC powietrze wewnętrzne i -5 oC powietrze w szczelinie wentylowanej).

8

Rozkład izoterm temperatur dla węzła kotwiącego z płaskownikiem ze stali nierdzewnej

pokazanego na rys. 6b wraz z temperaturą kotwi na styku z zewnętrzną powierzchnią

termoizolacji przedstawia rys.7.

Rys.7 Rozkład izoterm temperaturowych w przegrodzie izolowanej płytami rezolowymi w

modelu 3D.

Zgodnie z [2] efekt punktowych mostków termicznych można obliczać wg wzoru (1):

UU cU (1)

w którym:

U - współczynnik przenikania ciepła przegrody bez mostków [W/(m2K)],

ΔU - poprawka do współczynnika przenikania ciepła uwzględniająca łączniki

mechaniczne [W/(m2K)].

Zgodnie z [8] w analizach dokładnych poprawka do współczynnika przenikania ciepła

uwzględniająca łączniki mechaniczne wyrażona jest wzorem (2):

ff nU (2)

w którym:

nf - ilość łączników przypadających na 1 m2 przegrody,

9

χ - punktowy współczynnik przenikania ciepła obliczany wg

wzoru (3) [].

iiD AUL 3 (3)

gdzie:

L3D - współczynnik sprzężenia cieplnego otrzymany z obliczenia

komponentu 3-D [W/K],

Ui - współczynnik przenikania ciepła komponentu 1-D

[W/(m2K)],

Ai - pole powierzchni komponentu[m2],

Na podstawie wzoru 2 i wzoru 3 przeprowadzono obliczenia poprawki do współczynnika

przenikania ciepła ΔU uwzględniającej wpływ zakotwień na izolacyjność termiczną

przykładowej ściany z okładziną kamienną, który wyniósł 0,033 [W/(m2K)].

Podsumowanie

Zastosowanie izolacji termicznych o wysokim współczynniku izolacyjności cieplnej pozwala

na znaczne zredukowanie grubości przegród zewnętrznych budynków. W analizowanym

przykładzie ściana zewnętrzna przy identycznych parametrach izolacyjności cieplnej dzięki

zastosowaniu wysokosprawnej izolacji termicznej była o 10 cm cieńsza.

Ze względu na znaczną różnicę izolacyjności cieplnej wełny mineralnej i płyt rezolowych

znacznie zmniejszył się także wysięg kotew nośnych (por. rys.6). W rozwiązaniu z wełną

mineralną zgodnie z przeprowadzonymi obliczeniami przekrój kotwi wynosił 6/35mm,

natomiast w rozwiązaniu z płytami rezolowymi 6/25 mm. Ma to wpływ nie tylko na koszt

realizacji elewacji, ale także znacznie redukuje nakłady na robociznę przy osadzaniu

zakotwienia.

Zredukowany przekrój podpór i zakotwień pozwala też na zmniejszenie strat ciepła w

budynkach z fasadami wentylowanymi. Jednakże ze względu na małą grubość izolacji istnieje

ryzyko intensyfikacji strat ciepła przez mostki termiczne, dlatego w fazie projektowej

zalecane jest określenie poprawki do współczynnika przenikania ciepła ΔU w oparciu o

analizy 3D.

Ze względu na indywidualny charakter każdej realizacji mocowania fasad wentylowanych,

wpływ jej mocowania na izolacyjność cieplną ścian powinien być każdorazowo analizowany.

Dla zredukowania wpływu punktowych mostków termicznych zalecane jest stosowanie

podkładek ze spienionego PVC lub konsol kompozytowych.

10

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny

odpowiadać budynki i ich usytuowanie z dnia 12 kwietnia 2002 (Dz. U. Nr 75, poz. 690) z

późniejszymi zmianami.

2. PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i

współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.

3. Niziurska M., Wieczorek M.: Bezpieczeństwo pożarowe ścian zewnętrznych budynków.

Izolacje 1/2013

4. Klasyfikacja ogniowa w zakresie rozprzestrzeniania ognia przez ściany przy działaniu

ognia od strony elewacji 01284/15/Z00NP. ITB Warszawa 2015

5. Karta techniczna Kooltherm K15.

6. Byrdy A.: Point thermal bridges in walls with external stone layer . Czasopismo techniczne

3-B/8/2014, Politechnika Krakowska Kraków 2014 ISSN 0011-4561 p.49-55

7. Patrika R., Kalousek M.: Spidi kotvy u provětrávaných fasád. XII th. International Conference Defects and Renovation of Building Envelope Structures. Podbanske 07th.-09th. March 2012 p.261-268. ISBN 978-80-553-0798.

8. PN-EN ISO 10211:2008 Mostki cieplne w budynkach . Strumienie ciepła i temperatury

powierzchni. Obliczenia szczegółowe