Analiza wpływu materiałów budowlanych na mikrośrodowisko ...

Przegląd Naukowy – Inżynieria i Kształtowanie Środowiska nr 53, 2011: 174–182(Prz. Nauk. Inż. Kszt. Środ. 53, 2011)Scientific Review – Engineering and Environmental Sciences No 53, 2011: 174–182(Sci. Rev. Eng. Env. Sci. 53, 2011)Gabriela RUTKOWSKA 1 , Kinga BARYŁKA1Katedra Inżynierii Budowlanej SGGW w WarszawieDepartment of Building Engineering WULS – SGGWAnaliza wpływu materiałów budowlanychna mikrośrodowisko budynków mieszkalnychAnalysis of how building materials can affect themicroenvironment of apartmentsSłowa kluczowe: materiały budowlane, budynekmieszkalny, mikrośrodowiskoKey words: building materiale, apartments,microenvironmentWprowadzenie„Wymagana od budowli trwałośći zapewnienie użytkownikom wygodyi bezpieczeństwa zależą, w sposób częstozłożony, nie zawsze jeszcze dostatecznieoczywisty, od odpowiedniego doborustosowanych materiałów budowlanychi ich właściwości. Materiały muszą spełniaćrozliczne wymagania poszczególnychrodzajów budownictwa i związanegoz tym usytuowania budowli. (...)Człowiek większość swojego życia spędzaw pomieszczeniach zamkniętych,w budynkach – w mikrośrodowisku,które jest w dużym stopniu kształtowaneprzez właściwości zastosowanych materiałówbudowlanych oraz przez rozwiązaniakonstrukcyjne i funkcjonalne budynków”(Osiecka 2002).Problem kształtowania i utrzymaniaodpowiedniego środowiska wewnętrznegow pomieszczeniach, w którychprzebywa człowiek, jest aspektem bardzoważnym. Ukształtowanie dobregomikroklimatu, czyli takiego, w którymczłowiek czuje się najlepiej, polega nausunięciu oddziaływań, które są szkodliwe,przy jednoczesnym wzmocnieniuoddziaływań korzystnych. Dlatego corazczęściej staramy się, aby nasze gospodarstwazarówno wewnątrz, jak i nazewnątrz składały się z materiałów jaknajbardziej zbliżonych do naturalnych.Chcemy, aby wokół naszych domówbyło dużo zieleni.174 G. Rutkowska, K. Baryłka

Cel i metodyka badańCelem badań było porównane wybranychparametrów niektórych materiałównależących do tej samej grupyi pełniących te same funkcje w budynkuoraz wskazanie ich wpływu na nasze środowiskoi mikrośrodowisko budynku.Zakres badań obejmował analizęmateriałów naturalnych (kamiennychi drewnianych) oraz materiałów pochodzącychz przeróbki surowców naturalnych(ceramika, wyroby drewnopochodne,cegła, betony) na mikrośrodowiskobudynków. W celu przeprowadzenia analizywpływu materiałów budowlanych namikrośrodowisko budynków mieszkalnychwykorzystano dane 14 budynków,znajdujących się w tym samym rejonie.Na ich podstawie obliczono: grubościprzegród zewnętrznych, wartości oporówcieplnych, współczynniki przenikaniaciepła oraz wartość temperatury naposzczególnych warstwach ścian.W celu przeprowadzenia obliczeńposłużono się obowiązującą normąoraz przepisami dotyczącymi warunkówcieplnych przegród budowlanych.Otrzymane wyniki w pierwszej kolejnościporównano z wartościami podanymiw Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury(2002). Następnie porównanowszystkie budynki pod kątem grubościprzegród, współczynników przenikaniaciepła, jak również temperatury panującejna poszczególnych warstwachścian. Na tej podstawie wybrano budyneko właściwościach najkorzystniejszychoraz budynek w największymstopniu odbiegający od norm.Wymagania prawne dotyczącemikrośrodowiska budynkumieszkalnegoWedług Rozporządzenia (2002), dobudowy domów powinno się stosowaćtakie materiały i wyroby budowlane,które są odporne lub przynajmniej częściowouodpornione na różnego rodzajuzagrzybienia oraz inne formy biodegradacji.Uodpornienie materiałów powinnobyć dostosowane do stopnia zagrożeniakorozją biologiczną. Aby wewnątrzbudynku nie powstawały zawilgocenia,mogące przyczyniać się do tworzeniazagrzybień, powinny być zachowaneodpowiednie warunki cieplno-wilgotnościowe,jak również powinna byćutrzymana odpowiednia intensywnośćwymiany powietrza w pomieszczeniach.Wszystko to wiąże się z koniecznościązastosowania prawidłowych rozwiązańmateriałowo-konstrukcyjnych zewnętrznychprzegród budynku.Dla utrzymania odpowiednich warunkówwewnętrznych w budynkachjednorodzinnych wartość współczynnikaprzenikania ciepła dla ścian zewnętrznychjednowarstwowych musi spełniaćwarunek:–1U kmax≤ 0,50 W·(m2·K) a dla ścian warstwowych:–1U kmax≤ 0,30 W·(m2·K) przy czym tynk zewnętrzny oraz wewnętrznynie jest uznawany za warstwę.Wartości te wymagane są przy temperaturzeobliczeniowej wewnątrz bu-Analiza wpływu materiałów budowlanych na mikrośrodowisko... 175

dynku (t i) większej niż 16°C, natomiastprzy temperaturze mniejszej bądź równej16°C, niezależnie od rodzaju ścian,współczynnik U kmaxpowinien być mniejszybądź równy 0,80 W·(m 2·K) –1 .Ważnym parametrem, mającymwpływ na klimat, jaki panuje wewnątrzpomieszczeń, jest również temperaturana poszczególnych warstwach przegrody.Aby zapewnione były odpowiedniewarunki środowiskowe w pomieszczeniach,które przeznaczone są na stałypobyt ludzi, temperatura na wewnętrznejpowierzchni przegród zewnętrznych powinnaspełniać wymagania punktu rosy(temperatura, przy której wilgotnośćwzględna powietrza wynosi 100%). Abyściany naszych domów nie były zawilgocone(na ich powierzchniach nie skraplałasię woda, co mogłoby prowadzićdo tworzenia się m.in. różnego rodzajugrzybów i pleśni, a w konsekwencji niekorzystnegomikrośrodowiska), powinienbyć spełniony następujący warunek:ϑ i≥ T s+ 1 (1)gdzie:ϑ i– obliczeniowa temperatura wewnętrznejpowierzchni przegrody budowlanej,T s– punkt rosy, czyli temperatura, odpowiadającaciśnieniu pary wodnej nasyconej,p n– ciśnienie pary wodnej nasyconej,równe wartości ciśnieniu cząstkowemuobliczonemu ze wzoru:ϕipnipi= (2)100gdzie:φ i– obliczeniowa wilgotność względnapowietrza w pomieszczeniu,p ni– ciśnienie cząstkowe pary wodnejnasyconej.Wartość p niwyznacza się na podstawiewartości temperatury powietrzaw pomieszczeniach ogrzewanych. RozporządzenieMinistra Infrastruktury(2002) mówi, że dla zachowania odpowiednichwarunków w pomieszczeniach,w których na stałe przebywa człowieki które w okresie zimowym są ogrzewanetemperaturą wewnętrzną, powinnaona wynosić 20°C. Znając tę wartość, napodstawie tabeli zamieszczonej w normiePN-EN ISO 6946, można znaleźćodpowiadające jej ciśnienie cząstkowepary wodnej w powietrzu. Ten sam dokumentmówi o wilgotności względnejpowietrza w pomieszczeniach, którapowinna wynosić 55%. Znając te parametry,można obliczyć wartość p i, a następnie,korzystając ze wspomnianej jużtabeli (PN EN ISO 6946), znaleźć dlaznanej wartości ciśnienia odpowiadającąmu temperaturę, czyli punkt rosy.Kolejnym etapem sprawdzenia,czy przegroda budowlana jest w staniestworzyć odpowiednie mikrośrodowiskawewnętrzne i przyczyniać się do polepszenianaszego komfortu cieplnego, jestobliczenie temperatury na wewnętrznejjej powierzchni. Pozwoli to określić,czy przegroda spełnia wymagania punkturosy, tzn. czy temperatura na jej wewnętrznejstronie jest większa od temperatury,przy której wilgotność względnapowietrza wynosi 100%, powiększonejo 1°C. Parametr ten oblicza się wedługwzoru:ϑ i= T i– U c(T i– T e) R i(3)gdzie:ϑ i– temperatura panująca na wewnętrznejpowierzchni przegrody,176 G. Rutkowska, K. Baryłka

T i– obliczeniowa temperatura powietrzaw pomieszczeniu,T e– obliczeniowa temperatura powietrzana zewnątrz,U c– współczynnik przenikania ciepłaprzegrody,R i– opór przejmowania ciepła na wewnętrznejpowierzchni przegrody.Budynek powinien zostać wykonanyz takich materiałów, aby mógł chronićjego użytkowników przed nadmiernympoziomem hałasu, zapewniając odpowiedniewarunki pracy, a przede wszystkimodpoczynku. Optymalne warunkikomfortu cieplnego obserwuje się w pomieszczeniu,gdy temperatura powietrzawewnętrznego latem jest zbliżonado temperatury panującej na zewnątrzbudynku (23–25°C), natomiast zimą powinnaoscylować w granicach 20–22°C.Ściany zewnętrzne powinny mieć średniątemperaturę zbliżoną do temperaturypanującej wewnątrz. Innym parametremwpływającym na komfort cieplny jestwilgotność względna powietrza. Powinnaona wynosić od 30 do 70%, najlepiejjednak, jeżeli wynosi 40–60%,a szybkość zmiany wilgotności względnejw ciągu godziny nie przekracza 20%. Prędkośćpowietrza w pomieszczeniach przytemperaturze poniżej 20°C nie powinnaprzekraczać 0,15 m·s –1 , a przy temperaturze22°C – 0,25 m·s –1 (Ważny 2001).Analiza wpływu materiałówceramicznych i drewnianychna mikrośrodowisko budynkówmieszkalnychW celu przeprowadzenia badań wykorzystano14 różnych budynków jednorodzinnych.Pięć z nich zaprojektowanoi wykonano w technologii drewnianej,natomiast pozostałe w technologii murowanej.Wszystkie budynki różnią sięmiędzy sobą wykonastwem, konstrukcjąwarstw ściany, rodzajem i grubościąizolacji, a przede wszystkim materiałami,z jakich zostały wykonane. W tabeli 1zestawiono wyniki obliczeń dla analizowanychobiektów.Grubość ścian zewnętrznych budynkówwaha się w przedziale od 16 do54 cm. Przy takich grubościach, w zależnościod materiału, z jakiego zostały wykonaneprzegrody, ich opór cieplny wynosiod 0,524 (m 2·K)·W –1 – w przypadkubudynku wykonanego z cegły pełneji bloczka wapienno-piaskowego, do 6,137(m 2·K)·W –1 . Tak duży opór cieplny posiadabudynek nr 12, który wyróżnia sięrównież najgrubszą przegrodą zewnętrznąwykonaną z cegły ceramicznej Porotherm38 P+W i warstwy izolacji. Właściwościtechniczne tej cegły umożliwiają wykonaniejednowarstwowej konstrukcji ścianzewnętrznych, bez dodatkowego ociepleniawarstwą izolacyjną. Przegroda takaspełniałaby warunki cieplne, jednakżewłaściciel badanego obiektu w celu osiągnięcialepszych właściwości cieplnychbudynku zdecydował się na dodatkowąochronę w postaci warstwy styropianugrubości 12 cm. Dzięki temu otrzymanyz obliczeń współczynnik przenikania ciepła,nieuwzględniający mostków cieplnych,wynosi 0,163 W·(m 2·K) –1 .Podobnie małą wartość współczynnikaprzenikania ciepła – 0,199W·(m 2·K) –1 posiada budynek nr 14, któregogrubość ściany zewnętrznej wynosizaledwie 31 cm. Powodem tego jestfakt, iż wykonany został w technologiidrewnianej, z podwójnej warstwy balaświerkowego, ocieplonego wewnątrzAnaliza wpływu materiałów budowlanych na mikrośrodowisko... 177

TABELA 1. Zestawienie wyników obliczeń dla badanych budynkówTABLE 1. List of results of calculations for the buildings being testedNumerbudynkurok budowyNumber ofbuildingyear oferection1/19202/19583/19624/19955/20026/20047/20058/20079/200810/200811/200812/200913/200914/2009Rodzaj ścianyzewnętrznejType of externalwallszalówka, balsosnowybloczek wapienno-piaskowy,pustka powietrzna,cegła pełnabalmodrzewiowycegła pełna3 razybal drewniany,wełna mineralna,płyta kartonowo-gipsowabal drewniany,wełna mineralna,płyta kartonowo-gipsowacegła kratówka,styropian, pustakceramicznypustak max,styropianporotherm,styropianpustak ceramiczny,styropianporotherm,wełna mineralnaporotherm,styropianpustak max,wełna mineralna,cegłaklinkierowabal drewniany,wełna mineralna,bal drewnianyGrubośćścianyd [cm]WallthicknessOpór przejmowaniaciepłaścianyR T[(m 2·K)·W –1 ]Wall surfacefilm resistanceWspółczynnikprzenikaniaciepła ścianyU [W·(m 2·K) –1 ]Wall heattransfercoefficientWspółczynnik przenikaniaciepła ścianyuwzględniającymostki cieplneU k[W·(m 2·K) –1 ]Wall heat transfercoefficient consideringheat leakage bridges21 1,466 0,682 0,73231 0,524 1,908 1,95816 1,069 0,935 0,98538 0,662 1,511 1,56132 4,426 0,226 0,27628 4,750 0,211 0,26153 4,226 0,237 0,28745 4,595 0,218 0,26840 4,175 0,24 0,29046,5 3,410 0,293 0,34342,5 4,233 0,236 0,28654 6,137 0,163 0,21348 3,865 0,259 0,30931 5,016 0,199 0,249178 G. Rutkowska, K. Baryłka

wełną mineralną. Taka konstrukcja przegrodysprawia, iż wewnątrz budynku panująodpowiednie warunki klimatyczneprzy zachowaniu naturalnego drewnianegocharakteru domu.Najmniejszą grubość ściany, bo zaledwie16 cm, posiada obiekt drewnianywykonany z bala modrzewiowego wybudowanyw 1962 roku. Współczynnikprzenikania ciepła dla tego budynku wynosi0,93 W·(m 2·K) –1 i jest trzykrotniewiększy od wartości wymaganej.Przeprowadzone badania i porównanieotrzymanych wyników (współczynnikówprzenikania ciepła – rys. 1)wskazują, iż analizowane budynki wybudowaneprzed 2000 rokiem nie spełniająstawianych wymagań. Współczynnikprzenikania ciepła dla tych przegródjest dużo większy niż wartość normowa,wynosząca 0,3 W·(m 2·K) –1 . Wymagańnie spełnia budynek nr 10 o U k= 0,34W·(m 2·K) –1 oraz budynek nr 13 wykonanyw technologii trójwarstwowejo U k= 0,31 W·(m 2·K) –1 .Kolejnym punktem analizy jestporównanie rozkładu temperatury wścianach zewnętrznych omawianychbudynków (rys. 2). Schematyczne zestawieniewszystkich wykresów pozwoliłostwierdzić, iż bez względu na rodzaj materiału,z jakiego budynek jest wykonany,we wszystkich przypadkach wykrestemperatury jest podobny. Jedynie wprzypadku budynku nr 2 niespełnione sąwymagania punktu rosy. Temperatura nawewnętrznej powierzchni ściany wynosiniewiele ponad 10°C, a temperatura dlaterenu, na którym znajduje się obiekt,przy której wilgotność względna powie-współczynnik przenikania ciepłaściany uwzględniający mostki cieplnewall heat transfer coeffi cient consideringheat leakage bridgeswspółczynnik przenikania ciepłaścianywall heat transfer coeffi cientRYSUNEK 1. Porównanie współczynników przenikania ciepła ścian zewnętrznych budynkówFIGURE 1. Comparison of heat transfer coefficients of building external wallsAnaliza wpływu materiałów budowlanych na mikrośrodowisko... 179

RYSUNEK 2 Porównanie wykresów rozkładu temperatury w ścianach zewnętrznych analizowanychbudynkówFIGURE 2. Comparison of temperature distribution graphs in external walls of the analysed buildingstrza wynosi 100%, powinna być większaniż 11,7°C. Na ścianach tego budynkumoże występować bardzo niekorzystnezjawisko skraplania się pary wodnej.Warunki takie sprzyjają rozwojowi pleśnii grzybów, co będzie powodować powstawaniew pomieszczeniu niesprzyjającegomikrośrodowiska. Powietrzewewnętrzne w tym budynku charakteryzowaćsię będzie dużą wilgotnością.Uwagę zwraca również wykres dlabudynku nr 4, wykonanego z trzechwarstw cegły czerwonej pełnej. Ponieważtemperatura panująca na wewnętrznejstronie przegrody wynosi 12,14°C,więc na ścianach nie powinno zachodzićzjawisko skraplania wody. Jednakże dalszeobliczenia wykazały, iż jest to ścianao bardzo małym oporze cieplnym, niewykazującawłaściwości akumulacji.W przypadku budynków, w którychzastosowano izolację termiczną (wybudowanychpo 2000 roku), minimalnatemperatura na warstwie wewnętrznejwynosi 18,45°C. Przejście temperaturyz wartości dodatniej w ujemną następujetu w warstwie izolacji. Oznacza to, iżnie będzie występować zjawisko przemarzaniawarstwy nośnej budynku.W przypadku budynków wykonanychz materiałów ceramicznych zastosowaniewarstwy izolacyjnej od stronyzewnętrznej ściany również sprzyjatworzeniu się dobrego mikroklimatuwewnątrz budynku. Budynki wykonanepo 2000 roku charakteryzują się dużymoporem cieplnym przegród zewnętrz-180 G. Rutkowska, K. Baryłka

nych. Izolacja od strony zewnętrznejpowoduje, iż w okresie zimowym ściananie traci ciepła i tym samych nie wychładzasię.WnioskiPrzeprowadzone badania pozwalająna sformułowanie następujących ogólnychwniosków:1. Materiały wykorzystywane do budowydomów mają wpływ na środowiskopanujące wewnątrz takiego obiektu.Współczesne konstrukcje budynkówwykonanych z analizowanych materiałów(ceramicznych i drewnianych)charakteryzują się zdrowym mikroklimatem.Ściany zewnętrzne spełniająwymagane w przepisach warunki.2. Materiały ceramiczne i drewnianesą materiałami powszechnie wykorzystywanymiw budownictwie indywidualnym.Są stosowane zarównow konstrukcji zewnętrznej i wewnętrznejścian, w konstrukcji dachu, jak i w robotachwykończeniowych.3. Budynki wykonane z analizowanychmateriałów charakteryzują się dobrymiwłaściwościami cieplnymi – niskimwspółczynnikiem przewodzeniaciepła i dużym oporem cieplnym.4. W analizowanych przykładachtemperatura przejścia z wartości dodatnichw ujemne następuje w warstwieizolacyjnej, tzn. pod względem konstrukcyjno-cieplnymściany zostały wykonanezgodnie ze sztuką budowlaną.LiteraturaCZERNY E. 1982: Wpływ materiałów na zdrowotnośćmikrośrodowiska mieszkaniowego.Materiały Budowlane 9.GRĄBCZEWSKA M. 1976: Techniczne kształtowaniemikrośrodowiska mieszkalnego.Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa.GRĄBCZEWSKA M. 1982: Oddziaływanie materiałówbudowlanych na zdrowie człowieka.Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa.ISO 15686-1 Budynki i konstrukcje. Ustalanieokresu użytkowania.MIKOŚ J. 1996: Budownictwo ekologiczne. WydawnictwoPolitechniki Śląskiej, Gliwice.OSIECKA E. 2002: Materiały budowlane. Właściwościtechniczne i zdrowotne. OficynaWydawnicza Politechniki Warszawskiej,Warszawa.PN-EN ISO 6946 Komponenty budowlane i elementybudynku. Opór cieplny i współczynnikprzenikania ciepła. Metoda obliczania.Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunkówtechnicznych, jakim powinny odpowiadaćbudynki i ich usytuowanie. Dz. U. nr 75, poz.690.WAŻNY J. 2001: Ochrona budynków przedkorozją biologiczną. Wydawnictwo Arkady,Warszawa.SummaryAnalysis of the influence of buildingmaterials on a dwelling houses’ microenvironment.The aim of researches was tocompare chosen parameters of certain materialsbelonging to the same material groupand fulfilling the same functions in buildingas well as to indicate their influence on abuilding microenvironment. The scope ofresearch involved the analysis of influenceof natural materials (stone and wood) andmaterials obtained through processing ofthem (ceramics, brick, concretes, materialsderiving from wood) on the building microenvironment.The obtained results wereat first compared to the values given in theOrder of Ministry of Infrastructure. Then, allbuildings were compared on account of bafflethicknesses, heat transfer coefficients andthe temperatures prevailing at every layersAnaliza wpływu materiałów budowlanych na mikrośrodowisko... 181

of walls. Basing at these results, there waschosen the building with the most favorablefeatures as well as that which differs fromthe standards to the largest extent.Author ’ s address:Gabriela RutkowskaSzkoła Główna Gospodarstwa WiejskiegoWydział Budownictwa i Inżynierii ŚrodowiskaKatedra Inżynierii Budowlanejul. Nowoursynowska 159, 02-787 WarszawaPolande-mail: gabriela_rutkowska@sggw.pl182 G. Rutkowska, K. Baryłka