Metodyka złożonych obliczeń cieplnych z uwzględnieniem mostków termicznych 

Dokładne obliczenia współczynnika przenikania ciepła U powinny uwzględniać nie tylko poprawki wymienione w załączniku F normy PN-EN ISO 6946:2017 [3].  Pod uwagę należy wziąć również wszystkie  zaburzenia i anomalia w przepływie ciepła, które zwiększają straty ciepła przez przegrody, czyli tzw. mostki cieplne. Mostek cieplny (termiczny) określa takie miejsce w obudowie zewnętrznej budynku, w którym opór cieplny jest osłabiony w stosunku do jej pozostałej części. Zjawiska towarzyszące takiemu osłabieniu to obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni oraz wzrost gęstości strumienia cieplnego (w miejscu jego wystąpienia). Obecność mostka termicznego w komponencie budowlanym determinują trzy czynniki:

• całkowite lub częściowe przebicie obudowy zewnętrznej budynku przez materiał cechujący się dużą większą przewodnością cieplną,
• zmiana grubości warstw materiałowych budujących przegrodę,
• różnica pól powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej w danej części obudowy zewnętrznej (np. naroże budynku).

Konsekwencją wystąpienia mostka termicznego może być:

• zwiększenie strat ciepła (przekładające się na zwiększenie opłat za ogrzewanie oraz wzrost emisji gazów cieplarnianych),
• wystąpienie kondensacji po osiągnięciu temperatury punktu rosy,
• wystąpienie zagrzybienia.

Wyróżnia się następujące rodzaje mostków termicznych:

• geometryczne,
• konstrukcyjne,
• materiałowe,
• konwekcyjne.

Z punktu widzenia wykonawstwa i technologii robót budowlanych, mostki termiczne dzieli się na:

• mostki termiczne związane z technologią wykonania (np. złącza płyt prefabrykowanych w budynkach wielkopłytowych),
• mostki termiczne związane z błędami i wadami wykonawczymi (np. wypełnienie szczelin w dociepleniu ETICS zaprawą klejącą).

Ze względu na geometrię, mostki termiczne można również podzielić na:

• liniowe – mostki termiczne o jednolitym przekroju poprzecznym wzdłuż jednego kierunku (np. nadproże, wieniec w ścianie zewnętrznej, połączenie ościeżnicy ze ścianą zewnętrzną, naroże budynku),
• punktowe – umiejscowiony mostek cieplny, którego wypływ może być wyrażony przez punktowy współczynnik przenikania ciepła χ_j [W/K] (np. metalowy łącznik przebijający warstwę materiału termoizolacyjnego).

W miejscach występowania mostków termicznych, zależnie od ich geometrii, można obserwować dwu- lub trójwymiarowy przepływ ciepła. Jednym ze sposobów wizualizacji mostków cieplnych dla budynków istniejących są obrazy termowizyjne.

Zdjęcie nr 1. Wizualizacja mostka cieplnego przy użyciu termowizji (mostek liniowy w postaci połączenia ścian wewnętrznych i stropu)

Do jego opisania niezbędne są obliczenia komputerowe, bazujące na metodach numerycznych (np. metoda elementów skończonych). W obliczeniach transportu ciepła w modelach  wykorzystuje się następujące wielkości:

• współczynnik sprzężenia cieplnego (L_3D,i,j  [W/K]). Współczynnik ten wyraża się następującym wzorem (1) [5]: 

(1)

gdzie:

• A_k    -    powierzchnia i-tego elementu obudowy budynku dla którego odpowiada U_k [m²],
• U_k    -    współczynnik przenikania ciepła k-tego elementu obudowy budynku [W/(m²∙K)],
• l_m    -    długość liniowego mostka termicznego Y_m(i,j) [m],
• ψ_m    -    liniowy współczynnik przenikania ciepła m-tego mostka termicznego [W/(m∙K)],
• χ_n    -    punktowy współczynnik przenikania ciepła n-tego punktowego mostka termicznego [W/K],
• liniowy współczynnik przenikania ciepła (ψ [W/(m∙K)]) – strumień cieplny w stanie ustalonym podzielony przez długość i różnicę temperatur po obu stronach mostka cieplnego. Stanowi człon korekcyjny, jaki uwzględnia się przy obliczaniu współczynnika przenikania ciepła przegrody budowlanej. Wyznaczany jest ze wzoru (2) [5]: 

(2)

gdzie:

• L_2D    -    współczynnik sprzężenia cieplnego otrzymany na podstawie obliczeń dwuwymiarowego przepływu ciepła komponentu oddzielającego dwa analizowane środowiska [W/(m∙K)],
• U_j    -    współczynnik przenikania ciepła jednowymiarowego j-tego komponentu oddzielającego dwa analizowane środowiska [W/(m²∙K)],
• l_j    -    długość, do której ma zastosowanie U_j [m],
• N_j    -    liczba jednowymiarowych komponentów.

• Punktowy współczynnik przenikania ciepła (3) [5] 

(3)

gdzie:

• L_3D    współczynnik sprzężenia cieplnego otrzymany z 3-D obliczeń 3-D komponentu, oddzielającego dwa rozważane środowiska, [W/K]
• U_i    współczynnik przenikania ciepła 1-D komponentu i, oddzielającego dwa rozpatrywane środowiska, [W/(m²·K) ]
• A_i    pole powierzchni, na której stosuje się wartość U_i,[m²]
• _Yj    liniowy współczynnik przenikania ciepła, [W/mK]
• l_j    długość, [m]
• N_j    liczba komponentów 2-D,
• N_i    liczba komponentów 1-D.

Wpływ liniowych i punktowych mostków termicznych można uwzględnić w obliczeniach cieplnych na dwa sposoby:

• obliczając końcową wartość współczynnika przenikania ciepła U_k [W/(m²∙K)],
• obliczając współczynnik przenoszenia  ciepła przez przenikanie H_d [9]  [W/K].

Wpływ liniowych mostków termicznych na wartość współczynnika przenikania ciepła danej przegrody wyraża się wzorem (4) [9]: 

(4)

gdzie:

• U_c    -    skorygowany współczynnik przenikania ciepła przegrody bez uwzględnienia wpływu liniowych i punktowych mostków termicznych [W/(m²∙K)],
• ψ_i    -    liniowy współczynnik przenikania ciepła i-tego liniowego mostka termicznego [W/(m∙K)],
• l_i    -    długość i-tego liniowego mostka termicznego [m],
• χj    -    punktowy współczynnik przenikania ciepła j-tego punktowego mostka termicznego [W/K],
• A    -    pole powierzchni przegrody w świetle przegród do niej prostopadłych pomniejszone o pole powierzchni ewentualnych otworów okiennych i drzwiowych, obliczone w świetle ościeży [m²].

Wpływ liniowych i punktowych mostków termicznych uwzględniany jest przy sporządzaniu charakterystyki energetycznej przy obliczaniu współczynnika przenoszenia ciepła przez przenikanie Hd PN EN ISO 13789:2017 [9].