Zgodnie z Art. 10 ustawy Prawo budowlane [1] wymaga się, aby wyroby wytworzone w celu zastosowania w obiekcie budowlanym w sposób trwały, miały właściwości użytkowe, umożliwiające prawidłowo zaprojektowanym i użytkowanym obiektom budowlanym spełnienie wymagań podstawowych. Jednym z takich wymagań jest oszczędność energii i odpowiednia izolacyjność cieplna przegród. Wyroby budowlane można stosować przy wykonywaniu robót budowlanych tylko wtedy, gdy zostały wprowadzone do obrotu zgodnie z ustawą o wyrobach budowlanych [2].

Zużycie energii potrzebnej do użytkowania budynku zgodnie z jego przeznaczeniem powinno być utrzymane na racjonalnie niskim poziomie. Ustalono maksymalne roczne zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną potrzebną do ogrzewania, wentylacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej, chłodzenia i oświetlenia wbudowanego.

W odniesieniu do przegród w budynku określono maksymalne wartości współczynnika przenikania ciepła U_max [W/ (m²K)]. Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [3] wartości tego współczynnika dotyczące ścian podano w tablicy 1. Wymagania dotyczące ścian są bardzo zróżnicowane. Wymagane wartości współczynnika przenikania ciepła zmieniają się od 0,30 W/(m²K) do 3,00 W/ (m²K). Dla ścian zewnętrznych pomieszczeń o temperaturze wewnętrznej t_i > 16ӕC wartość współczynnika przenikania ciepła powinna być nie większa niż 0,30 W/(m²K). Wymaganie to jest bardzo ostre i w wielu przypadkach bez zastosowania materiałów termoizolacyjnych trudne do spełnienia.

W przypadku ścian murowanych z ceramicznych elementów murowych wartości współczynnika przenikania ciepła zależą przede wszystkim od: wartości współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego, kształtu, wielkości i rozmieszczenia drążeń w ceramicznych elementach murowych, wielkości elementów murowych, rodzaju spoin i rodzaju zaprawy murarskiej użytej do wykonania muru.

Wartości współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego są podstawowymi wielkościami cieplnymi, od których zależy opór cieplny elementów murowych oraz izolacyjność cieplna muru. Pozostałe czynniki wpływające na właściwości cieplne przegród murowanych są także istotne, wymagają jednak odrębnego omówienia. Wartości współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego zależą od gęstości czerepu i jego wilgotności. W warunkach eksploatacyjnych czerep ceramiczny nigdy nie jest suchy. Zawsze zawiera pewną ilość wody, która wpływa na pogorszenie termoizolacyjnych właściwości czerepu, co powinno być brane pod uwagę przy ocenie wartości współczynnika przenikania ciepła przegrody.

Przy wyznaczaniu wartości współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego konieczna jest znajomość zależności tego współczynnika od gęstości czerepu w stanie suchym. Parametry cieplne czerepu ceramicznego lub ceramicznych elementów murowych w stanie suchym są nazywane parametrami podstawowymi, natomiast po uwzględnieniu wpływu temperatury i wilgotności parametry cieplne czerepu lub elementów murowych są nazywane parametrami obliczeniowymi. Deklarując właściwości cieplne ceramicznych elementów murowych należy zawsze podawać czy wartości deklarowane są wartościami podstawowymi, czy obliczeniowymi.

Zależność między współczynnikiem przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego w stanie suchym i gęstością objętościową tego czerepu była także badana prze J. Zembrowskiego [4] jest opisana następującym wzorem:

λ_D,dry=0,2γ²_dry (1)

w którym:

λ_D,dry - współczynnik przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego w temperaturze +10æC, w stanie suchym, W/(mK),

γ_dry- gęstość objętościowa czerepu ceramicznego w stanie suchym, kg/dm³.

Za stan suchy czerepu ceramicznego przyjmuje się stan po suszeniu w temperaturze +105æC do stałej masy. Wykres funkcji określonej wzorem (1) przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Zależności współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego i innych materiałów w stanie suchym od gęstości objętościowej materiału

Zasady ustalania właściwości cieplnych ceramicznych elementów murowych są określone w normie PN-EN 1745:2004 [5]. W przypadku ceramicznych elementów murowych drążonych można posługiwać się także normą PN-EN ISO 6946:1999 [6]. W normie PN-EN 1745:2004. w Załączniku A, w tablicy A.1 podano wartości współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego w stanie suchym. Wartości te naniesiono na rysunku 1 otrzymując linię łamaną określającą zależność współczynnika, λ_D,dry od gęstości objętościowej czerepu ceramicznego γ_dry w stanie suchym. Zależność ta jest obecnie podstawą do ustalania właściwości cieplnych ceramicznych elementów murowych i murów wykonywanych z tych elementów.

Porównując obydwa wykresy przedstawione na rysunku 1 można stwierdzić, że wartości współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego w stanie suchym według przytoczonych źródeł znacznie się różnią. Różnice są tym większe im większa jest gęstość czerepu ceramicznego. Dla największej gęstości czerepu ceramicznego według normy PN-EN 1745:2004 [5] jest mniejsza od proponowanej w publikacji [4] aż o ponad 33%. W przypadku czerepu ceramicznego o gęstości najczęściej występującej, czyli 1,65÷1,85 kg/dm³ różnice w wartościach współczynnika przewodzenia ciepła czerepu wynoszą około 20÷25%. Różnice mogą wynikać z warunków wykonywania badań opisanych w publikacji [4] i badań stanowiących podstawę ustalania wartości w normie PN-EN 1745:2004 [5],

Dla porównania z właściwościami cieplnymi czerepu ceramicznego w stanie suchym i przy temperaturze +10æC na rysunku 1 przedstawiono także zależność wartości współczynnika przewodzenia ciepła tworzywa silikatowego, betonu zwykłego i z betonu kruszywowego z ekspandowanym kruszywem ceramicznym w tych samych warunkach. Z wykresów podanych na tym rysunku wyraźnie widać, że czerep ceramiczny charakteryzuje się zdecydowanie najlepszymi właściwościami cieplnymi. Nawet jeżeli odniesiemy się do zależności wg [4], która w stosunku do ustaleń normowych [5] jest najbardziej zbliżona do tworzywa silikatowego.

Materiały budowlane, ceramiczne, silikatowe, betonowe i wiele innych w warunkach eksploatacyjnych obiektów budowlanych nigdy nie występują w stanie całkowicie suchym. Nawet niewielkie zawilgocenie tych materiałów wpływa na pogorszenie właściwości cieplnych, np. współczynnika przewodzenia ciepła. W miarę wzrostu wilgotności materiałów wzrastają wartości tego współczynnika. Wilgotność eksploatacyjna materiałów budowlanych jest zróżnicowana i zależy przede wszystkim od rodzaju materiału. W przypadku czerepu ceramicznego przyjmuje się zwykle, że wilgotność eksploatacyjna wynosi od 0,8% do 1,5% masy czerepu w stanie suchym. Do celów obliczeniowych przyjmuje się 1,5% [7]. W przypadku betonu zwykłego do celów obliczeniowych wilgotność eksploatacyjną przyjmuje się zwykle 4,5% masy betonu w stanie suchym. Dla betonu lekkiego kruszywowego i betonu komórkowego wilgotność eksploatacyjna wynosi 6% masy tych betonów w stanie suchym.

Zagadnienie wpływu wilgoci na wartości współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego było także przedmiotem wcześniejszych badań.

Według publikacji [4] wpływ wilgotności czerepu ceramicznego na wartości współczynnika przewodzenia ciepła wyraża się następującym wzorem:

Δλ = 1 + 0,12w (3)

w którym:

Δλ - przyrost wartości współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego spowodowany jego wilgotnością,

w - wilgotność czerepu ceramicznego liczona jako % masy suchego czerepu.

Wzór (3) jest ważny w zakresie wilgotności 0 ÷ 7% masy suchego czerepu.

Zgodnie z normą [5] wpływ wilgotności materiałów na wartości współczynnika przewodzenia ciepła w stosunku do wartości tego współczynnika dla materiału suchego wyraża się wzorem:

λ_w=λ_10,dryF_m (2)

w którym:

λ_w - współczynnik przewodzenia ciepła materiału o danej wilgotności

λ_10,dry - współczynnik przewodzenia ciepła materiału suchego,

F_m - współczynnik przeliczeniowy wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiału w stanie suchym na wartości tego współczynnika materiału o wilgotności w.

Wartości współczynnika F_m oblicza się ze wzorów:

F_m= e^f_ψ^ψ lub F_m= e^f_u^u (3)

w których:

e - liczba stała, podstawa logarytmów naturalnych,

f_ψ- współczynnik przeliczeniowy wilgoci liczony jako m³/m³,

f_u - współczynnik przeliczeniowy wilgoci liczony jako kg/kg,

ψ - wilgotność materiału jako m³/m³,

u - wilgotność materiału jako kg/kg.

Rys.2. Wpływ wilgotności na wartość współczynnika przewodzenia ciepła w stanie wilgotnym w stosunku do wartości tego współczynnika w stanie suchym

Na rysunku 2 przedstawiono wykresy ilustrujące wpływ wilgoci na wartości współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego i dla porównania także tworzywa silikatowego, betonu zwykłego i betonu lekkiego z kruszywem ceramicznym ekspandowanym jako kruszywem podstawowym. Z rysunku 2 wynika bardzo dobra zbieżność wartości Δλ ze wzoru (3) oraz współczynnika F_m ze wzorów (2) dla czerepu ceramicznego w przedziale wilgotności 0 ÷ 4,5%. Dodatkowo można stwierdzić, że według normy [5] wpływ wilgotności na wartości współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego i tworzywa silikatowego jest taki sam. Według tej samej normy wpływ wilgotności betonu zwykłego i lekkiego betonu z kruszywem ceramicznym ekspandowanym na wartości współczynnika przewodzenia ciepła jest znacznie mniejszy niż w przypadku czerepu ceramicznego i tworzywa silikatowego. Przy ocenie wartości obliczeniowych współczynnika przewodzenia ciepła elementów murowych z różnych materiałów należy brać pod uwagę także wilgotności tych materiałów w warunkach eksploatacyjnych.

Dla podanych wyżej wartości eksploatacyjnych wilgotności wybranych materiałów, przyrost wartości współczynnika przewodzenia ciepła w stosunku do stanu suchego wyniesie:

dla czerepu ceramicznego - 16%,

dla betonu zwykłego - 20%,

dla betonu lekkiego z kruszywem ceramicznym ekspandowanym – 22%.

Przy wyznaczaniu obliczeniowych wartości współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego sposób postępowania powinien być następujący:

1. Na podstawie badań laboratoryjnych określić wartość gęstości czerepu ceramicznego w stanie suchym γ_dry.
2. Z normy [5], Załącznik A, tablica A.1, kolumna 1 i 2, odczytać wartość współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego w stanie suchym λ_10,dry.
3. Określić wilgotność eksploatacyjną czerepu ceramicznego ψ lub u. Jeżeli nie występują specjalne okoliczności (np. mur silnie zawilgocony lub bardzo suchy) wilgotność tę przyjmuje się jako 1,5% m/m. W innych przypadkach należy wykonać badania laboratoryjne zmierzające do ustalenia rzeczywistej wartości wilgotności czerepu ceramicznego.
4. Mając określoną wilgotność czerepu ceramicznego należy obliczyć przyrost wartości współczynnika przewodzenia ciepła czerepu ceramicznego ze wzorów (4).
5. Określić obliczeniową wartość współczynnika przewodzenia czerepu ceramicznego mnożąc wartość tego współczynnika dla czerepu w stanie suchym przez współczynnik korygujący ze względu na wilgotność czyli λ_u=λ_10,dryF_m.

Duże znaczenie na właściwości cieplne ceramicznych elementów murowych mają także kształt, wielkość i rozmieszczenie drążeń. Zagadnienia te będą przedmiotem innego artykułu.

Literatura

[1 ] Ustawa z dnia 7 lipca 1994r. Prawo budowlane (z późniejszym zmianami)

[2] Ustawa z dnia 16 kwietnia 2004 r. o wyrobach budowlanych (z późniejszym zmianami)

[3] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 26 listopada 2008 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie

[4] Zembrowski J.: Wpływ układu i ilości drążeń w pustaku ceramicznym na wartość współczynnika przewodności cieplnej. Biuletyn Informacji Naukowo-Technicznej ITB nr 29/30. Warszawa 1969 r.

[5] PN-EN 1745:2004 Mury i wyroby murowe. Metody określania obliczeniowych wartości cieplnych

[6] PN-EN ISO 6946:1999 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania

[7] Pierzchlewicz J., Jarmontowicz R.: Budynki murowane. Materiały i konstrukcje. Arkady. Warszawa 1993 r.

dr inż. Roman Jarmontowicz
Ceramika Budowlana nr 1/2012