Współczynnik przenikania ciepła – czym jest i jak go obliczyć?

Czym jest współczynnik przenikania ciepła?

Współczynnik przenikania ciepła określa przenikanie ciepła przez przegrody termiczne. Jest to inaczej ilość energii cieplnej przenikającej przez poszczególne przegrody termiczne w budynku. Tę wielkość fizyczną oznacza się literą „U”, a jednostką współczynnika przenikania ciepła jest W/m²K (wat przez metr kwadratowy na kelwin). Jeżeli współczynnik dla konkretnego materiału jest niski, oznacza to jego wyższą izolacyjność i efektywniejsze zatrzymywanie ciepła wewnątrz budynku. Z kolei, gdy wartość współczynnika przenikania ciepła jest wysoka, to jego przewodzenie jest skuteczniejsze.

Warto też wspomnieć o pokrewnej wielkości, jaką jest współczynnik przewodzenia ciepła (inaczej przewodność lub przewodnictwo cieplne). To właściwość fizyczna ciała oznaczająca zdolność substancji (materiału) do przekazywania energii wewnętrznej przez przewodzenie ciepła. Jej symbolem jest λ, a jednostką W/(m*K). Na pierwszy rzut oka obydwa pojęcia mogą się wydawać bardzo podobne. Jaka jest różnica? Współczynnik przenikania ciepła dotyczy konkretnej przegrody takiej jak ściana, strop czy dach i wiąże się z izolacyjnością cieplną budynku. Jego wartość najczęściej podawana jest w przepisach budowlanych. Natomiast przewodzenie ciepła związane jest z określonym materiałem i jego cechami. Niemniej obie wielkości są ze sobą ściśle powiązane.

Co wpływa na wartość współczynnika przenikania ciepła?

Na wartość współczynnika przenikania ciepła mają wpływ takie czynniki jak:

• rodzaj materiału – niską wartość współczynnika mają materiały izolacyjne np. wełna mineralna, styropian, czy pianka poliuretanowa. Z kolei różnego rodzaju metale są dobrymi przewodnikami ciepła,

• struktura materiału – porowatość lub gęstość może wpływać na stopień przenikalności cieplnej. Współczynnik dla porowatych materiałów jest niski, gdyż znajdujące się w nich powietrze pełni funkcję dodatkowego izolatora,

• grubość przegrody – grubsza przegroda, czy materiał utrudniają przenikanie ciepła,

• stan powierzchni – istotne mogą być takie cechy powierzchni jak gładkość, chropowatość, czy wilgotność.

Wpływ może mieć także różnica temperatur pomiędzy dwiema stronami przegrody. Większa różnica oznacza większy przepływ ciepła przez materiał.

Jak obliczyć współczynnik przenikania ciepła?

Każda przegroda budowlana różni się pod względem termoizolacyjności. Obliczając współczynnik przenikania ciepła, można poznać wartość istotnych parametrów. Przy czym współczynnik U dotyczy ilości energii wyrażonej w watach przenikającej przez jeden metr kwadratowy przegrody, przy założeniu, że różnica temperatur pomiędzy obydwiema stronami przegrody wynosi 1 kelwin.

Aby przeprowadzić obliczenia, niezbędna jest znajomość grubości i parametrów cieplnych poszczególnych warstw składających się na przegrodę. Można w ten sposób policzyć ich opór cieplny, stosując wzór:

R = d/λ

gdzie:

R – opór cieplny [m²K/W],

d – grubość materiału w metrach [m],

λ – współczynnik przewodzenia ciepła materiału w [W/mK].

Współczynnik lambda λ podawany jest przez producentów, znajduje się też w normie PN-EN ISO 10456.

Kolejnym krokiem jest zsumowanie oporów cieplnych dla wszystkich warstw. Współczynnik U obliczamy następnie według wzoru:

U = 1/RT

gdzie RT to całkowity opór cieplny warstwy przegrody budowlanej.

Jak warunki techniczne wpływają na współczynnik przenikania ciepła?

Oprócz dwóch wspomnianych wyżej wielkości warto też rozważyć współczynnik przejmowania (wymiany) ciepła. Według definicji jest to gęstość strumienia cieplnego q przepływającego przez powierzchnię w stanie ustalonym podzielona przez różnicę temperatur tej powierzchni Ts i otoczenia Ta. Określa go wzór:

h= q/(Ts-Ta)

Wskazuje on ilość ciepła przekazywaną pomiędzy dwoma ośrodkami (np. powietrzem wewnątrz i na zewnątrz). Jego jednostką jest W/(m²·K).

Normy współczynnika przenikania ciepła oraz zasady, jakie muszą spełniać budynki, zostały ujęte w specyfikacji technicznej materiałów budowlanych jako warunki techniczne (WT). Są to przepisy związane przede wszystkim z energooszczędnością i termoizolacyjnością nieruchomości i precyzują one dopuszczalne wartości dla wspomnianych współczynników. Obecnie w polskim prawie odpowiednie współczynniki przenikania ciepła wynoszą nie mniej niż:

• 0,15 W/m²K – dla dachów, stropodachów i stropów nad nieogrzewanymi pomieszczeniami,

• 0,20 W/m²K – dla ścian zewnętrznych,

• 0,30 W/m²K – dla podłóg na gruncie,

• 0,90 W/m²K – dla okien zwykłych oraz drzwi balkonowych,

• 1,10 W/m²K – dla okien połaciowych,

• 1,30 W/m²K – dla drzwi zewnętrznych.

Znaczenie ma także parametr EP, czyli wskaźnik rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną służącą do ogrzewania pomieszczeń, czy podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Dla nowych domów jednorodzinnych takie zapotrzebowanie nie powinno przekroczyć 70 kWh/(m²*rok). Zadbanie o utrzymanie norm dla U i EP jest możliwe dzięki zastosowaniu materiałów budowlanych o dobrej izolacyjności, czy odnawialnych źródeł energii. Dzięki temu budynki stają się energooszczędne.

Jak poprawić współczynnik przenikania ciepła U?

Obliczanie współczynnika przenikania ciepła to dobry sposób, żeby ocenić właściwości materiałów w tym zakresie. Warto jednak wiedzieć, co zrobić, aby dla poszczególnych przegród budowlanych ograniczyć straty ciepła.

Trzeba zadbać o izolację dachu, ponieważ to właśnie tędy ucieka najwięcej ciepła. Można to zrobić poprzez zastosowanie materiałów o dobrych parametrach termoizolacyjnych i odpowiedniej grubości. Istotne jest również zagwarantowanie właściwej wentylacji, co pozwala uniknąć problemów z wilgocią i niszczenia struktury dachu. Dobrze też zabezpieczyć wszystkie nieszczelności oraz zastosować materiały odbijające ciepło z powrotem do wnętrza budynku. Te same sposoby można też zastosować do podłóg oraz ścian. W tym drugim przypadku trzeba też zadbać o to, aby skutecznie zaizolować ściany zewnętrzne.

Ciepło ucieka także przez okna i drzwi. Jednak obecnie na rynku dostępna jest cała gama wysokiej klasy energooszczędnych modeli z PVC, aluminium, czy drewna, które zapewniają rzetelną izolację i szczelność. Dodatkowym sposobem na zmniejszenie strat ciepła są też rolety, żaluzje lub zasłony, które latem działają odwrotnie, minimalizując nagrzewanie się wnętrza i obniżając koszty klimatyzacji.

Duże korzyści daje również zastosowanie wentylacji, która umożliwia efektywną cyrkulację powietrza w pomieszczeniach, a także pomagającej w odzyskiwaniu ciepła z powietrza rekuperacji. Skuteczność działań można wzmocnić, sprawdzając wcześniej, którędy ciepło ucieka z domu. Najbardziej precyzyjnym sposobem jest użycie kamery termowizyjnej pokazującej różnice temperatur. W ten sposób łatwo można zlokalizować zimniejsze miejsca. Drugim sposobem jest badanie poziomego przepływu ciepła powietrza, co pozwala na ustalenie miejsc występowania przeciągów. Zamiast specjalnych urządzeń jak anemometr można też wykorzystać zwykłą świecę, kontrolując, gdzie płomień faluje.

Współczynnik przenikalności cieplnej dla poszczególnych materiałów

Niższy współczynnik przewodzenia ciepła zapewnia lepszą izolację termiczną. Jak wygląda to w przypadku najpopularniejszych materiałów?

Styropian

Współczynnik przewodnictwa cieplnego dla styropianu mieści się w przedziale 0,032-0,038 W/m·K. To skuteczny materiał izolacyjny często stosowany przy termoizolacji budynków. O stopniu jego efektywności decyduje też konkretny rodzaj, gęstość oraz grubość.

Polistyren ekstrudowany (XPS)

Materiał, którego współczynnik przewodnictwa cieplnego wynosi od 0,029 do 0,038 W/m·K. Wykazuje się większą odpornością na wilgoć niż styropian, ma też lepsze właściwości izolacyjne. Stosuje się go m.in. przy izolacji fundamentów, dachu, czy ścian zewnętrznych.

Pianka poliuretanowa (PUR/PIR)

Bardzo efektywny (ale też droższy) materiał izolacyjny o współczynniku w przedziale 0,022 – 0,028 W/m·K. Z reguły stosowany w postaci pianki natryskowej lub płyt.

Wełna mineralna i szklana

Wełna mineralna powstaje z surowców mineralnych takich jak bazalt. Jest ognio- i wodoodporna, zaś jej współczynnik przewodnictwa wynosi od 0,032 do 0,040 W/m·K. Podobne wartości ma wełna szklana, której podstawę stanowią włókna szklane. Jest lekka oraz elastyczna.

Włókna celulozowe

Powstające po recyklingu papieru włókna celulozowe mają współczynnik przewodnictwa cieplnego w przedziale od 0,035 do 0,040 W/m·K. Odpowiednie procesy produkcyjne sprawiają, że są odporne na ogień oraz szkodniki. Stosuje się je nie tylko w termicznej, ale też akustycznej izolacji.