Elewacje wentylowane – analiza rozwiązań dostępnych na rynku w aspekcie obowiązujących przepisów

W standardowych rozwiązaniach dostępnych na rynku system elewacji wentylowanej tworzy: podkonstrukcja aluminiowa ( w tym konsole), warstwa izolacyjna z welonem, która szczelnie przylega do powierzchni ściany oraz okładziny zewnętrzne (płyty elewacyjne) stanowiące ochronę przed wpływem warunków atmosferycznych. Pomiędzy warstwą izolacji, a płytami znajduje się przestrzeń wentylacyjna, umożliwiająca swobodny przepływ powietrza pomiędzy nimi. To właśnie konsole i ruszt są głównym elementem mocującym okładzinę do np. ściany budynku i podlegają one wielu wymogom zawartym w obowiązujących przepisach.

 Pierwszym z nich jest tworzenie tzw. punktowych mostków termicznych, które powstają poprzez przebijanie ocieplenia do konstrukcji stanu surowego budynku. Zastosowanie nieodpowiednich materiałów wpływa w bezpośredni sposób na efektywność energetyczną danego obiektu. Warto nadmienić, że:

– efektywność energetyczna budynku to ilość zaoszczędzonej energii ustalonej w drodze pomiaru lub oszacowania zużycia przed wdrożeniem środka mającego na celu poprawę efektywności energetycznej i po jego wdrożeniu, z jednoczesnym zapewnieniem normalizacji warunków zewnętrznych wpływających na zużycie energii.

     W Polsce tego typu wytyczne zostały określone w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013r. (poz.926).- [WT] Zgodnie z zawartymi tam wymogami od 2014 do 2021r. zaplanowano stopniowe obniżanie parametrów współczynnika przenikania ciepła dla przegród budowlanych. Tabela poniżej pokazuje jak zmieniają się te wymogi w odniesieniu do ścian zewnętrznych.

W tym zakresie ustawodawca zadbał również o określenie procedury według której należy dokonać doboru i kalkulacji przyjmowanych rozwiązań projektowych. Dlatego warto nadmienić, że obliczenia powinny być wykonane zgodnie normami zawartymi w wykazie polskich norm powołanych w rozporządzeniu. W tym konkretnym przypadku pozycja 69 w odniesieniu  do załącznika nr 2 WT, podpunkt 1.1 przywołuje normę PN-EN ISO 6946:2008 „ Komponenty budowlane i elementy budynku – Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła – Metoda obliczeniowa”  Natomiast treść punktu nr 1.1 {WT} mówi:

 „Wartości współczynnika przenikania ciepła UC ścian, dachów, stropów i stropodachów dla wszystkich rodzajów budynków, uwzględniające poprawki ze względu na pustki powietrzne w warstwie izolacji, łączniki mechaniczne przechodzące przez warstwę izolacyjną oraz opady na dach o odwróconym układzie warstw, obliczone zgodnie z Polskimi Normami dotyczącymi obliczania oporu cieplnego i współczynnika przenikania ciepła (…)”

Następnym wymogiem jakiemu powinna odpowiadać konstrukcja elewacji wentylowanej jest nieodpadanie podczas pożaru w określonym przez przepisy czasie. Niniejsze wymogi zostały zawarte w Warunkach Technicznych Jakim Powinny Odpowiadać Budynki i Ich Usytuowanie a konkretnie w § 225, który mówi:

„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, określonej w § 216 ust. 1, odpowiednio do klasy odporności pożarowej budynku, w którym są one zamocowane”

Oznacza to, że w przypadku klasy pożarowej budynku A okładzina elewacyjna powinna nie odpaść przez 120 min, w klasie B – 60 minut oraz w klasie C- 30 minut.  Większość obecnych na rynku rozwiązań nie spełnia tego przepisu już przy wymogach w zakresie 60 minut. W dostępnych opracowaniach doczytujemy, że:

„ Aby w świetle wymogów § 225 Rozporządzenie Ministra Infrastruktury rozwiązanie z zastosowaniem aluminiowego rusztu wg opisu technicznego mogło być uznane za bezpieczne, możliwość wypalenia fragmentu rusztu do wysokości około 700 mm powyżej otworu okiennego/bezklasowego przeszklenia w przypadku pożaru trwającego 60 min powinna być uzgodniona z Projektantem”

Oznacza to nic innego jak brak możliwości zastosowania danego rozwiązania w obiekcie, ponieważ najbardziej narażonymi elementami budynku w zakresie § 225 WT są pasy nadprożowo-podokienne powyżej otworu okiennego.   

Powyższe pokazuje, że w wyniku zastosowania konsol i rusztu wykonanych tylko z aluminium konstrukcja nośna elewacji całkowicie się stopiła w miejscu najbardziej narażonym na działanie ognia.

Następnym parametrem jaki powinny spełniać konsole mocujące elewacje jest odporność na korozje między-materiałową. Dostępne na rynku rozwiązania z aluminium nie mają tzw. zgodności chemicznej z  alkalicznymi materiałami  budowlanymi, którymi między innymi jest beton. W kontakcie z takimi materiałami jak zaprawa murarska i beton, na powierzchni aluminium powstają wyraźne plamy i wżery trudne do usunięcia, a po jakimś czasie mogące doprowadzić do osłabienia nośności całej konstrukcji. W obecnych rozwiązaniach do konsol aluminiowych stosuje się podkładki z folii EPDM lub innych tworzyw sztucznych. Podobne materiały stosuje się również jako rozdzielenia elementu wspornika przebijającego warstwę ocieplenia lub jako przedłużenie konsoli. Problem polega na tym, że zastosowanie tych elementów ograniczają przepisy przeciwpożarowe zawarte w Warunkach Technicznych. Są to między innymi:

Wszystkie dostępne na rynku materiały stasowane do izolowania konsol nie spełniają powyższych przepisów. Rysunek nr 1 prezentuje przykłady takich rozwiązań. 

1. Element aluminiowy
2. Podkładka wspornika konsoli z materiału nie sklasyfikowanego pod kątem NRO oraz niepalności

Rys. nr 1. Schemat rozwiązań konsol dostępnych na rynku z elementami modyfikującymi ich właściwości termiczne bez uwzględnienia innych wymogów wynikających z Warunków Technicznych.     

Odpowiedzią na powyższe obwarowania i wymogi prawne jest opracowanie przez firmę AGS Sp. z o.o. i zastrzeżenie w Urzędzie Patentowym Rzeczpospolitej Polskiej w tym również procedurą Alicante kilkudziesięciu odmian konsol ze stali nierdzewnej oraz dozbrojonego rusztu aluminiowego odpornego na warunki pożarowe. Zgłoszenie zabezpiecza między innymi takie elementy jak kształt, specjalne otworowania poprawiające izolacyjność termiczną oraz materiały z jakich mogą być wykonywane.  

Rys. nr 2. Przykład konsoli nierdzewnej AGS typu HI, λ = 17 W/m*K

Rys. nr 3. Konsola termiczna o bardzo niskiej przewodności termicznej AGS typu HI+, λ = 4,3 W/m*K  

RYS. NR 4. ZBROJONY RUSZT ALUMINIWY ODPORNY NA WARUNKI P-POŻ.

Rozwiązania zaprezentowane na powyższych rysunkach (2, 3 i 4) charakteryzują się następującymi  zaletami i przewagami nad konkurencją:  

1. Konsola w wersji HI i HI+ jest wykonana ze stali nierdzewnej o specjalnie zaprojektowanym kształcie, który pozwala osiągnąć przy grubości ścianki 2 i 3 mm bardzo wysoką nośność.

1. Konsola nierdzewna HI+ (rys. nr 3) wykazuje w obliczeniach bardzo dobre parametry izolacyjności termicznej w odniesieniu do odpowiedników wykonanych z aluminium. Jest to spowodowane wielokrotnie niższym parametrem λ, który w tym przypadku wynosi 4,3 W/(m*K) natomiast w aluminium 200 W/(m*K).

Rys. nr 5. Rozkład izoterm przy zastosowaniu konsol AGS typu HI+ λ = 4,3 W/m*K

Rys. nr 6. Rozkład izoterm przy zastosowaniu konsoli aluminiowej  λ = 200 W/m*K

     Powyższe analizy wykazują, że w przypadku konsoli HI+ wykonanej ze stali nierdzewnej (rys. nr 5) bez tzw. termopodkładek w skuteczny sposób ogranicza ona przewodzenie zimna do ściany przykrytej wełną mineralną. Rozkład izoterm pokazuje, że na murze w miejscu styku konsoli mamy temperaturę ponad 15⁰C, a cały mur przez swoją grubość nie wykazuje znacznych zaburzeń termicznych. Natomiast analiza pokazana na rys. nr 4 wykazuje, że w przypadku konsoli wykonanej z aluminium również bez termopodkładek izoterma temperatury 0⁰C przesunęła się w głąb grubości ściany. Natomiast inne izotermy pokazują w jak istotny sposób konsola wykonana z aluminium wpływa na straty ciepła i miejscowe wychłodzenie ściany od strony wewnętrznej.

1. Materiał wykonania konsol AGS (stal nierdzewna 304 i 316) ma temperaturę topnienia ponad 1400⁰C. Tym samym jest ona niższa od temperatury rozwiniętego pożaru zgodnie z którym wykonuje się testy ogniowe np. w Instytucie Techniki Budowlanej. Pozwala to spełnić zapisy §225 Warunków Techniczny jakim Powinny Odpowiadać Budynki i Ich Usytuowanie.  

Foto 3.  Konsola AGS typu HI+

1. Stal nierdzewna jest materiałem, który posiada tzw. zgodność chemiczną z alkaicznymi materiałami budowlanymi. Dlatego też, stosowanie jakichkolwiek podkładek nie jest konieczne, a tym samym zostaje podniesiona izolacyjność termiczna.

1. Ruszt aluminiowy zbrojony elementami nierdzewnymi jest przeznaczony do stosowania w pasach nadprożowo-podokiennych tam gdzie podczas pożaru występie największe oddziaływanie ognia. Wówczas jest on do mocowany elementem kątowym poprzez pasek stali nierdzewnej do najbliższej konsoli nośnej, która jest wykonana również ze stali nierdzewnej. Podczas pożaru  aluminium wytopi się a elementy okładzin zawisną na pasku nierdzewnym.

1. Rozwiązania zostały przebadane przez Instytut Techniki Budolwanej oraz Politechnikę Warszawska w zakresie ETAG 034 oraz przewodności termicznej konsol na podstawie której ustalono współczynnik λ łącznika.  Uzyskano wynik dla konsol HI+ λ = 4,3 [W/m²*K]. Tym samym bez stosowania żadnych elementów niemetalicznych rozwiązania osiągają nawet te parametry obowiązujące od roku 2021.

Poniżej podano dwie kalkulacje termiki wg normy PN-EN ISO 6946 dla założeń:

• ściany zewnętrznej budynku grubości 18 cm, żelbetowa, zbrojona o współczynniku λ = 2,3 [W/m*K]
• wełna mineralna grubości 16 cm i współczynniku λ = 0,034 [W/m*K]

1. Przypadek

• jedna konsola aluminiowa na m²  o przekroju przebijającym ocieplenie 4/100 mm
• kołki do wełny ze stali nierdzewnej, 5 szt. na m²

Tabela 2. Obliczenia termiczne z konsolami aluminiowymi.

Jak widać z powyższych obliczeń sama poprawka na konsole aluminiową przekracza dopuszczalne wartości U_c wymaganego dla ścian zewnętrznych nawet te obowiązujące przed rokiem 2014. Sumując zaś wszystkie dane dotyczące poprawek okazuje się, że wynik w polu czerwonym przy zastosowaniu tylko jednej konsoli na m² (przypadek dla naprawdę lekkich okładzin) przekracza obecnie obowiązujące wymogi ponad dwu i pół krotnie. Niestety kalkulacje wykonane przez Instytut Techniki Budowlanej w jednej z aprobat na zestaw wyrobów do wykonywania wentylowanych okładzin elewacyjnych wykazał, że w przypadku konsol aluminiowych przy zastosowaniu tzw. termopodkładek grubości aż 10 mm i współczynniku λ = 0,07 [W/m*K] wynik poprawia się w zakresie 0,03 – 0,06 [W/m²*K]. W analizowanym powyżej przypadku przy zastosowaniu tychże elementów izolujących otrzymalibyśmy ostatecznie U_c = 0,517 [W/m²*K].   

1. Przypadek

• jedna konsola AGS typu HI+ na m²  o przekroju przebijającym ocieplenie 3/100 mm
• kołki do wełny ze stali nierdzewnej, 5 szt. na m²

Tabela 3. Obliczenia termiczne z konsolami AGS TYPU HI+.

     Z powyższych obliczeń wynika, że obowiązujące przepisy są spełnione w zakresie ochrony termicznej budynku. Na uwagę zasługuje skojarzone rozwiązanie dwóch produktów. Chodzi tu o konsole HI+ z wełną  firmy Isover Super Vent Plus o współczynniku λ = 0,031. Przy zastosowaniu ocieplenia grubości 20 cm i 5 kołków tworzywowych otrzymujemy rewelacyjny wynik U_c  = 0,154 [W/m²*K] jak przedstawiono w tabeli nr 4 poniżej. Należy podkreślić, że poprawka ze względu na konsole HI+ to ΔU = 0,005 [W/m²*K]. Teki zestaw wyrobów jest przeznaczony dla budynków, które są projektowane z myślą o oszczędności energii, a tym samym środowiska naturalnego.

W przypadku zastosowania innych konsol do przypadku z poniższej tabeli otrzymujemy:

• konsoli aluminiowej gr. 4 mm bez term podkładką  – ΔU = 0,294 [W/m²*K], wynik dla U_c = 0,443 [W/m²*K],
• Konsoli aluminiowej gr. 4 mm z termo podkładką (gr. 10 mm i λ = 0,007 [W/m*K]) – ΔU = 0,244 [W/m²*K], wynik dla U_c = 0,393 [W/m²*K],

Pomimo zastosowania bardzo dobrego materiału izolacyjnego o grubości 20 cm przy uwzględnieniu tylko jednej konsoli aluminiowej (przypadek dla lekkich okładzin) zostały przekroczone dopuszczalne wartości U_c nawet przy zastosowaniu termo podkładki gr 10 mm.

Tabela 4. Obliczenia termiczne z konsolami AGS TYPU HI+ z wełną firmy Isover Super Vent Plus o współczynniku λ = 0,031

     Wszystkie parametry opisywanych rozwiązań są wynikiem projektu współfinansowanego przez Fundusze Europejskie  pt. „Optymalizacja konstrukcji i właściwości nowoczesnych łączników budowlanych na bazie prac badawczo-rozwojowych przeprowadzonych na rzecz AGS Sp. z o.o.” Projekt jest współfinansowany z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach osi priorytetowej i „WYKORZYSTANIE DZIAŁALNOŚCI BADAWCZO-ROZWOJOWEJ W GOSPODARCE” DZIAŁANIE 1.2 „DZIAŁALNOŚĆ BADAWCZO-ROZWOJOWA PRZEDSIĘBIORSTW” REGIONALNEGO PROGRAMU OPERACYJNEGO WOJEWÓDZTWA MAZOWIECKIEGO NA LATA 2014-2020.

     Poza określeniem wytrzymałości konsol oraz ich współczynników przewodzenia ciepła Politechnika Warszawska wykonała również obliczenia oraz porównanie zapotrzebowania energii w przykładowym budynku. Rozważono przypadek zastosowania tradycyjnych rozwiązań łączników budowlanych w porównaniu z nowo opracowaną koncepcją AGS Sp. z o.o.

Na podstawie uzyskanych w wyniku symulacji danych dokonano oszacowania zapotrzebowania na energię cieplną dla trzech przypadków budynków: pierwszy wyposażony w ściany wielowarstwowe z konsolami termicznymi, drugi wyposażony w ściany z konsolami aluminiowymi według koncepcji AGS o współczynniku przewodności cieplnej równej 21.04 W/m·K, a także trzeci wyposażony w ściany z konsolami tradycyjnej konstrukcji o współczynniku przewodności cieplnej równej 200 W/m·K. Założono, że współczynniki przenikania ciepła powierzchni dachu, podpiwniczenia i okien oraz drzwi dla obu rozważanych przypadków są  takie same i wynoszą:

• współczynniki przenikania ciepła dla powierzchni dachu równa się 0,18 W/(m² · K),
• współczynniki przenikania ciepła dla powierzchni podpiwniczenia równa się 0,3 W/(m² · K),
• współczynniki przenikania ciepła dla powierzchni okien równa się 1,1 W/(m² · K),
• współczynniki przenikania ciepła dla powierzchni drzwi równa się 1,5 W/(m² · K).

Przyjęto do rozważań przykładowy budynek dwukondygnacyjny o powierzchni użytkowej równej  1100 m², powierzchni ścian z wyłączeniem otworów okiennych i drzwiowych równej 1098 m²,

• powierzchni dachu równej 690 m2,
• powierzchni okien równej 60 m2,
• powierzchni drzwi równej 18 m2,
• powierzchni podpiwniczenia równej 600 m2.

Dla powyższych danych w wyniku obliczeń i symulacji z uwzględnieniem właściwości izolacyjnych konsol uzyskano następujące wyniki:

Tabela 4. Strumień ciepła niezbędny do ogrzania przykładowego budynku dwupiętrowego o powierzchni użytkowej równej 1100m².

Rys 7. Strumień ciepła niezbędny do ogrzania przykładowego budynku dwupiętrowego o powierzchni użytkowej równej  . Opis: 1 – wariant ściany z konsolą termiczną HI+, 2 – wariant ściany z konsolą koncepcyjną ze stopu aluminim wykonaną wg rozwiązania firmy AGS, λ= 21,04 W/m·K, 3 – wariant ściany z konsolą ze stopu aluminium λ =200 W/m·K.

Najbardziej korzystnym ze względu na zapotrzebowanie strumienia ciepła do ogrzewania analizowanego budynku jest wariant ściany wielowarstwowej z konsolą termiczną i okładziną z fibrobetonu. Natomiast najmniej korzystnym jest wariant z konsolą o λ=200 [W/m*K] i okładziną ze stopu aluminiowego.
W drugim przypadku okazuje się, że różnica w zapotrzebowaniu na strumień ciepła jest ponad dwukrotna.

Powyższe rozważania w oczywisty sposób pokazują, iż systemy oparte wyłącznie na aluminium nie spełniają podstawowych wymogów, jakie wynikają z przepisów ochrony cieplnej budynków. Natomiast elementy konstruowane z aluminium z różnego rodzaju modyfikacjami, mającymi na celu poprawienie parametrów przewodności cieplnej, w oczywisty sposób naruszają wymagania przepisów ochrony przeciwpożarowej, związane z niepalnością oraz podatnością na rozprzestrzenianie się ognia.

Rozważania poruszone w tym opracowaniu, a także 2-letnie doświadczenie i wiedza zdobyta podczas badań oraz wdrażania rozwiązania firmy AGS Sp. z o.o., utwierdziły nas w przekonaniu, iż to właśnie stal nierdzewna jest odpowiedzią na obecnie stawiane wymagania elewacjom wentylowanym. Jest to kierunek, w którym Projektanci oraz Nadzór Budowy powinni podążać, aby budować w sposób zarówno bezpieczny, a także zapewniający maksymalny komfort użytkowania przy jednoczesnym obniżeniu kosztów utrzymania obiektów.