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/(mK). 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
| materiał | λ [W/(m·K)] | materiał | λ [W/(m·K)] |
| żelbet | 1,70 | styropian | 0,040-0,045 |
| mur z cegły ceramicznej pełnej | 0,77 | wełna mineralna granulowana | 0.050 |
| płyty i bloki z gipsu | 0,35 | tynk lub gładź cementowa | 1.00 |
| drewno sosnowe lub świerkowe wzdłuż włókien w poprzek włókien | 0,30 0,16 | płyty gipsowo- kartonowe | 0.23 |
Inne materiały Metale
| materiał | λ [W/(m·K)] | materiał | λ [W/(m·K)] |
| papa asfaltowa | 0,18 | stal budowlana | 58,00 |
| szkło okienne | 0,80 | żeliwo | 50,00 |
| pleksiglas | 0,19 | miedź | 370,00 |
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 R 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/(m·K)
Ściany z różnych materiałów. Każda ściana ma jednakowy opór cieplny (R = 0,25 m²·K/W):
1. styropian; 2.drewno; 3. cegła ceramiczna pełna; 4. żelbet; 5. mur kamienny
Sumujemy wartości oporu cieplnego 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 m²·K/W
Rse= 0,04 m² ·K/W
Całkowita wartość oporów przejmowania ciepła wynosi więc 0,17 m²·K/W. W praktyce trzeba więc dodać tę wartość do obliczonej wartości oporu cieplnego 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 izolacyjność 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.
strumień ciepła przez nadproże - 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.
| Rodzaj przegrody | ΔU [W/(m²·K)] |
| Ściany zewnętrzne pełne | 0,00 |
| Ściany zewnętrzne z otworami okiennymi i drzwiowymi | 0,05 |
| Ściany zewnętrzne z otworami okiennymi i drzwiowymi oraz płytami balkonów lub loggii przenikającymi ścianę | 0,15 |
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 w zabudowie jednorodzinnej
wg normy PN-B/81-02020
| Rodzaj przegrody i temperatura w pomieszczeniu | Umax [W/(m²·K)] |
| Ściany zewnętrzne (stykające się z powietrzem zewnętrznym) przy Ti > 16°C warstwowe | 0,30 |
| Ściany zewnętrzne (stykające się z powietrzem zewnętrznym) przy Ti > 16°C pozostałe | 0,50 |
| Ściany zewnętrzne (stykające się z powietrzem zewnętrznym) przy Ti ≤ 16°C (niezależnie od rodzaju ściany) | 0,80 |
Ti - wewnętrzna temperatura obliczeniowa (wg. normy)
*tynku wewnętrznego i zewnętrznego nie traktujemy jako warstwy.
Przykład obliczeniowy
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).
| materiał | grubość [m] | λ [W/(m·K)] |
| tynk wewnętrzny cementowo-wapienny | 0,015 | 1,00 |
| cegła pełna | 0,25 | 0,77 |
| styropian | 0,15 | 0,040 |
| tynk wewnętrzny cementowo-wapienny | 0,010 | 1,0 |
Obliczenia współczynników oporów cieplnych poszczególnych warstw
| warstwa | obliczenia | R [m²·K/W] |
| tynk wewnętrzny cementowo-wapienny | R1 = 0,015/1,00 | 0,015 |
| cegła pełna | R2 = 0,25/0,77 | 0,324 |
| styropian | R3 = 0,15/0,04 | 3,75 |
| tynk wewnętrzny cementowo-wapienny | R4 = 0,010/1,00 | 0,01 |
Opór przegrody
Rp = R1 + R2 + R3 + R4 = 0,015 + 0,324 + 3,75 + 0,01 = 4,099 [m²·K/W]
Opór całkowity R:
R = Rp + Rse + Rsi = 4,099 + 0,17 = 4,269 [m²·K/W]
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:
ΔU = 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 wartościami określonymi w normie. Temperatura w budynku mieszkalnym Ti = 20ºC; stąd przyjmujemy wartość Umax dla Ti > 16ºC; 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.
