Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła

Wartość współczynnika zależy od rodzaju i grubości materiału, z którego wykonane są ściany, ale także od charakteru przegrody. W artykule zajmiemy się ścianą zewnętrzną nie stykającą się z gruntem.

Aby wyznaczyć współczynnik przenikania ciepła, trzeba znać współczynniki przewodności cieplnej dla materiałów tworzących ścianę oraz dla warstw ocieplających, a także grubości poszczególnych warstw. Współczynnik przewodności cieplnej jest oznaczony jako λ , a jego jednostką jest W/(m²·K). Wartości współczynników można odnaleźć w normie  PN-EN ISO 6946:1999. Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania. Wartości te mogą się zmieniać wraz z udoskonaleniem metod badawczych. Dodatkowo, producenci poszczególnych materiałów prowadzą własne badania.

Przykładowe wartości dla popularnych materiałów wg PN-EN ISO 6946:1999:
Materiały konstrukcyjne Materiały osłonowe i izolacyjne

Inne materiały Metale

Współczynnik przenikania ciepła dla przegrody oblicza się, uwzględniając współczynnik oporu cieplnego przegrody oraz poprawki na nieszczelności izolacji i mostki termiczne.

Obliczenia zaczyna się od wyznaczenia współczynnika oporu cieplnego przegrody. Na jego podstawie wyznacza się obliczeniowy współczynnik przenikania ciepła, który należy następnie skorygować ze względu na rodzaj przegrody.

Obliczenia
Obliczenie współczynnika oporu cieplnego.
Wyznaczamy współczynnik dla każdej warstwy, korzystając ze wzoru:
R=d/ λ
d - grubość warstwy podawana w m;
λ - współczynnik przewodności cieplnej w W/(m²·K) 

Ściany z różnych materiałów. Każda ściana ma jednakowy opór cieplny (R = 0,25 W/(m²·K)): 1. styropian; 2. drewno; 3. cegła ceramiczna pełna; 4. żelbet; 5. mur kamienny

Sumujemy wartości oporu cieplego dla każdej warstwy.
Rp = R1 + R2 + R3 + ...

Aby obliczyć całkowity opór cieplny przegrody, musimy uwzględnić opory przejmowania ciepła po stronie wewnętrznej Rsi i zewnętrznej Rse przegrody. Wartości tych oporów zależą od rodzajów przegrody. Dla przepływu poziomego (czyli w praktyce dla ściany zewnętrznej):
Rsi = 0,13 W/(m²·K)
Rse = 0,04 W/(m²·K)

Całkowita wartość oporów przejmowania ciepła wynosi więc 0,17 W/(m²·K). W praktyce trzeba więc dodać tę wartość do obliczonej wartości oporu ciepłego przegrody.

Opór całkowity R:
R = Rp + Rse + Rsi

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła
Wartość współczynnika przenikania ciepła (oznaczanego dawniej jako k, obecnie jako U) obliczamy ze wzoru:

U = 1/R [W/(m²·K)]

Poprawki do obliczeń
Obliczona wartość powinna być zwiększona o poprawki: na nieszczelność izolacji oraz na łączniki (np. mocujące izolację). Bardzo często jednak wartość tych poprawek jest nie większa niż 3% wartości obliczeniowej współczynnika przenikania ciepła - wówczas nie trzeba ich dodawać.

Wartość współczynnika przenikania ciepła należy też zwiększyć, jeśli w ścianie występują mostki cieplne (termiczne) - miejsca, gdzie izolacyjnośc przegrody jest wyraźnie niższa. Mostkami cieplnymi są:

• narożniki;
• ościeża okienne;
• nadproża;
• połączenia ścian zewnętrznych ze stropami i ścianami wewnętrznymi;
• słupy i rygle w ścianach;
• spoiny wypełnione zaprawą w ścianach murowanych; żebra w ścianach warstwowych;
• złącza elementów prefabrykowanych.

Typowy mostek cieplny. 
Określenie rzeczywistego wpływu mostka cieplnego wymaga dokładnych obliczeń, uwzględniających symulację zachowania mostka w konkretnej sytuacji. Można jednak określić wpływ mostka w sposób uproszczony, stosując poprawkę ΔU zależną od rodzaju ścian, wg. wzoru:

U = Uo + ΔU
Uo - wartość obliczeniowa współczynnika przenikania ciepła.

Poprawka na mostek cieplny zależna od rodzaju przegrody

Na koniec należy sprawdzić, czy współczynnik przenikania ciepła spełnia warunki określone w normie - wartość obliczeniowa nie może przekraczać wartości maksymalnej Umax. Jeśli wartość jest przekroczona, budynek powinien być docieplony (lub należy zmienić projektowane warstwy).

Wymagania dla ścian w budynku mieszkalnym (jednorodzinnym) wg normy PN-B/81-02020

Ti - wewnętrzna temperatura obliczeniowa (wg normy)
*tynku wewnętrznego i zewnętrznego nie traktujemy jako warstwy.

Przykład
Obliczamy współczynnik przenikania ciepła dla ściany zewnętrznej w domku jednorodzinnym. Ściana jest dwuwarstwowa, ma drzwi i okna, warstwy są następujące (współczynniki przewodności cieplnej odczytujemy z normy dla danego materiału).

Obliczenia współczynników oporów cieplnych poszczególnych warstw

Opór przegrody:
Rp = R1 + R2 + R3 + R4 = 0,015 + 0,324 + 3,75 + 0,01 = 4,099 W/(m²·K)

Opór całkowity R:
R = Rp + Rse + Rsi = 4,099 + 0,17 = 4,269 W/(m²·K)

Współczynnik przenikania ciepła:
U = 1/R = 1/4,269 = 0,234 W/(m²·K)

Dodajemy poprawkę wyrażającą wpływ mostków cieplnych. Z tabeli odczytujemy, że dla ściany z oknami i drzwiami poprawka wynosi:
U = 0,05 W/(m²·K)

Stąd wartość współczynnika przenikania ciepła
U = 0,234 + 0,05 = 0,284 W/(m²·K)

Wartość zaokrąglamy do dwóch miejsc znaczących:
U = 0,29 W/(m²·K)

Porównujemy  wartość współczynnika z normą. Temperatura w budynku mieszkalnym Ti = 20°C; stąd przyjmujemy wartość Umax dla Ti > 16°C; czyli Umax = 0,30 W/(m²·K).

Wartość U = 0,29 W/(m²·K) jest mniejsza od Umax, ściana spełnia więc wymagania pod względem oszczędności ciepła.