Jak się bowiem okazuje, nie zawsze stosowanie materiału lub technologii o jak najlepszej izolacyjności cieplnej jest najkorzystniejszym rozwiązaniem. Nie zawsze jest ono możliwe ze względu na ograniczenia poszczególnych technologii, nie zawsze jest opłacalne, ale też nie zawsze jest rozwiązaniem najbardziej ekologicznym – biorąc pod uwagę cały cykl życia budynku. Dobór optymalnych rozwiązań materiałowych jest zagadnieniem złożonym. Jedną z podstawowych funkcji zewnętrznej powłoki budynku jest ochrona wnętrza budynku przed niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi, tak aby umożliwić zapewnienie komfortu cieplnego użytkownikom bądź mieszkańcom budynku. W tym celu konieczne jest zapewnienie odpowiedniej temperatury powietrza we wnętrzu, przy jednoczesnym dążeniu do maksymalnego obniżenia kosztów ogrzewania. Aby to osiągnąć, należy minimalizować straty ciepła, wśród których znaczną część stanowią straty przez przenikanie przez przegrody zewnętrzne. Z tego punktu widzenia najistotniejszym parametrem charakteryzującym ściany zewnętrzne jest izolacyjność cieplna.
 

Izolacyjność cieplna
Wielkością używaną do jej określania jest współczynnik przenikania ciepła przegrody U[W/(m2 × K)]. Oblicza się go, biorąc pod uwagę przewodność cieplną poszczególnych materiałów, z których przegroda jest zbudowana, grubość ich warstw oraz opory przejmowania ciepła zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni przegrody. Współczynnik przenikania ciepła jest obliczany jako odwrotność oporu cieplnego:

U = 1/R

gdzie:
U – współczynnik przenikania ciepła przegrody,
R – całkowity opór cieplny przegrody.

Opór cieplny dla przegród jednorodnych oblicza się przy wykorzystaniu wzoru:

R= Σ di/λi + Rsi+ Rse

gdzie:
di – grubość warstwy,
λi – współczynnik przewodzenia ciepła materiału,
Rsi – opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody,
Rse – opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody.

W praktyce, szczególnie w przypadku ścian o budowie masywnej (murowanych), o współczynniku przenikania ciepła przegrody w największym stopniu decyduje materiał zastosowany w warstwie izolacyjnej. Z kolei warstwy konstrukcyjne zyskują nieco bardziej istotny wpływa na izolacyjność cieplną ściany, jeżeli do ich budowy stosowane są niektóre spośród lekkich materiałów konstrukcyjnych, takie jak bloczki z betonu komórkowego (np. Ytong, niektóre systemy osiągają współczynnik przewodzenia ciepła λ rzędu 0,09W/(m × K), umożliwiając budowę ścian bez dodatkowej warstwy izolacji). Konstrukcja istotnie wpływa także na izolacyjność cieplną w przypadku ścian o konstrukcji szkieletowej – są one przegrodami niejednorodnymi i w ich przypadku duże znaczenie ma udział elementów konstrukcyjnych w powierzchni przegrody.

Skraplanie się pary wodnej wewnątrz przegrody
Izolacyjność cieplna wiąże się ściśle z drugim ważnym zagadnieniem cieplno- -wilgotnościowym, jakim jest skraplanie się pary wodnej wewnątrz przegrody. Jest to zjawisko niebezpieczne, gdyż jej nagromadzenie może prowadzić do rozwoju pleśni i grzybów. Ryzyko skraplania się pary wodnej zależy od miejsca wystąpienia punktu rosy, czyli temperatury, w której para wodna zawarta w powietrzu osiąga stan nasycenia (wilgotność względną równą 100%). Poniżej temperatury punktu rosy para wodna staje się przesycona i skrapla się. Istotny jest zatem rozkład temperatur w przekroju przegrody. Jeżeli punkt rosy wystąpi wewnątrz przegrody, to zawarta w powietrzu wewnątrz pomieszczenia para wodna skropli się w przegrodzie. Aby temu zapobiec, należy dążyć do eliminacji możliwości wystąpienia punktu rosy wewnątrz przegrody, co osiąga się m.in. dzięki dobrej izolacji cieplnej. Przy zastosowaniu izolacji cieplnej ścian z użyciem większości współcześnie stosowanych materiałów izolacyjnych po stronie zewnętrznej ryzyko to jest ograniczone, gdyż rozkład temperatur jest korzystny – zewnętrzna izolacja cieplna skutecznie chroni warstwę konstrukcyjną przed niską temperaturą i skraplaniem pary wodnej. Wyjątkiem są tu jednak detale, takie jak narożniki, styk ściany ze stropem czy miejsca montażu stolarki okiennej i drzwiowej, które są narażone na występowanie mostków cieplnych, co zostało już omówione w poprzednim artykule. Zdecydowanie większe ryzyko kondensacji pary wodnej w ścianie występuje przy stosowaniu izolacji od wewnątrz, dlatego też do tych celów używa się innego rodzaju materiałów izolacyjnych (np. systemu Multipor z lekkiego betonu komórkowego, który zostanie omówiony w drugiej części artykułu), charakteryzujących się dobrą przepuszczalnością pary wodnej i tym samym zapewniających możliwość odparowania nadmiaru pary wodnej z przegrody. Są to tak zwane ściany dyfuzyjnie otwarte (w odróżnieniu od przegród dyfuzyjnie zamkniętych, nieprzepuszczających pary wodnej).

Inne funkcje zewnętrznych przegród budynku
Izolacyjność cieplna i zagadnienia cieplno- wilgotnościowe są ważnymi, ale nie jedynymi kryteriami, jakie musi spełniać ściana zewnętrzna budynku. Przegrody zewnętrzne budynku pełnią też szereg innych funkcji i dlatego muszą odpowiadać również wymaganiom dotyczącym takich zagadnień jak:

• zagadnienia konstrukcyjne – w przypadku ścian masywnych (murowanych) mamy na myśli przede wszystkim ich nośność, która zależy od wytrzymałości materiału na ściskanie,
• odporność pożarowa – jest to bardzo ważna kwestia ograniczająca użycie niektórych materiałów, dotycząca konieczności stosowania na elewacji materiałów niepalnych o odpowiedniej odporności ogniowej, m.in. powyżej 25 m wysokości (§ 216. ust. 8 rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie: „W budynku, na wysokości powyżej 25 m od poziomu terenu, okładzina elewacyjna i jej zamocowanie mechaniczne, a także izolacja cieplna ściany zewnętrznej, powinny być wykonane z materiałów niepalnych”) lub też w przypadku podziału budynku na strefy pożarowe, gdzie mamy do czynienia z wymaganym wysunięciem ścianki ogniowej przed lico elewacji, bądź zastosowania niepalnego pasa na elewacji o wymaganej szerokości,
• izolacyjność akustyczna – niekoniecznie najistotniejsza w przypadku ścian zewnętrznych, ale ważna np. przy ścianach wewnętrznych oddzielających strefy ogrzewane od nieogrzewanych,
• izolacyjność wodoochronna – dotyczy przede wszystkim partii cokołowych ścian, narażonych na zawilgocenie od strony gruntu, stąd izolacja przeciwwodna musi być wywinięta na odpowiednią wysokość,
• trwałość oraz wpływające na nią łatwość i koszt konserwacji,
• koszt wykonania – na który składają się koszty materiału, transportu i robocizny,
• estetyka – rozumiana jako nie tylko kwestia gustu, ale także spełnienie pewnych wymogów estetycznych dotyczących wpisania w kontekst przestrzenny (poprzez podobieństwo lub kontrast), co jest szczególnie ważne np. w historycznych centrach miast, w strefach objętych ochroną konserwatora zabytków, a także przy modernizacji lub rozbudowie obiektów zabytkowych.

Opłacalność inwestycji w rozwiązania energooszczędne
Dobór technologii budowy lub materiałów izolacyjnych ścian może być przedmiotem optymalizacji pod względem zarówno ekonomicznym, jak i energetycznym oraz ekologicznym. Czynnikami poddawanymi takiej optymalizacji mogą być:

• opłacalność ekonomiczna inwestycji w rozwiązania energooszczędne, wyrażona czasem zwrotu nakładu kosztów,
• opłacalność energetyczna rozumiana jako całościowy wydatek energetyczny na etapie nie tylko eksploatacji, ale także produkcji, budowy i utylizacji.

Dla rzetelnej oceny należy brać pod uwagę cały cykl życia produktu (w tym przypadku materiału budowlanego) – od fazy produkcji, poprzez eksploatację, aż do utylizacji. Ponadto dla całościowego zrozumienia tematu energooszczędności niezbędne jest rozróżnienie trzech rodzajów energii:

• energii użytkowej – czyli energii rzeczywiście wykorzystanej przez użytkownika m.in. na cele ogrzewania – to najczęściej ten rodzaj energii jest potocznie postrzegany jako zużycie energii, gdyż jest najbardziej namacalnie odczuwalny przez użytkownika finalnego, co może być mylne, gdyż nie uwzględnia on strat powstałych na poszczególnych etapach dostarczenia energii,
• energii końcowej – czyli energii dostarczonej do odbiorcy – jest ona większa od energii użytkowej o wielkość strat wynikających ze sprawności systemu ogrzewania w budynku,
• energii pierwotnej – czyli energii pozyskanej u źródła z zasobów naturalnych odnawialnych lub nieodnawialnych – jest ona większa od energii końcowej o straty wytworzenia (np. energii elektrycznej w elektrowniach) i przesyłu.
   

Oprócz wymienionych wyżej istnieje też pojęcie energii pierwotnej wbudowanej. Oznacza ono ilość energii, która została zawarta w materiałach i technologiach użytych do budowy danego obiektu. Składa się na nią energia zużyta na wyprodukowanie danego materiału, w tym wydobycie surowców, a także transport i montaż. Uwzględnienie energii pierwotnej wbudowanej w materiały budowlane rzuca nowe spojrzenie na zagadnienie energooszczędności – okazuje się, że większa izolacyjność cieplna materiału nie zawsze oznacza, że jest on bardziej przyjazny dla środowiska. Koszt energetyczny wytworzenia niektórych materiałów może w pewnych warunkach niwelować korzyści dla środowiska, jakie daje oszczędność energii cieplnej uzyskana dzięki ich zastosowaniu. Różnice w energii pierwotnej wbudowanej między poszczególnymi materiałami izolacyjnymi bywają dosyć spore – np. wełna mineralna charakteryzuje się o wiele większym wydatkiem energetycznym na jej wytworzenie w jednostce objętości niż styropian (co znajduje odzwierciedlenie w cenie), jednak o jej powszechnym stosowaniu decydują inne jej właściwości, co zostanie omówione w drugiej części artykułu. Energia zużyta na wytworzenie danego materiału zazwyczaj przekłada się na jego cenę zakupu, a energia zużyta na montaż – na koszty wykonania. Stąd też wyniki analizy opłacalności ekonomicznej są zazwyczaj dosyć zbieżne z bilansem energetycznym uwzględniającym zagadnienie energii pierwotnej wbudowanej. W obu przypadkach istnieje pewne optimum pomiędzy oszczędnościami na etapie eksploatacji a nakładami poniesionymi na realizację. Możemy to zagadnienie prześledzić na opisanym poniżej przykładzie optymalizacji ekonomicznej termoizolacji. Zwiększanie grubości izolacji termicznej ma swoje ograniczenia: techniczne (montaż), cieplne (energetyczne) – wpływ zwiększania grubości izolacji na zmniejszenie strat przez przenikanie maleje wraz ze wzrostem grubości izolacji (rys. 1) – oraz wynikające z nich ograniczenia ekonomiczne. Dla potrzeb metodologii wyznaczenia optymalnej ekonomicznie grubości termoizolacji w obliczeniach opłacalności inwestycji w danym okresie czasu przyjęto finansowanie jej z kredytu. Takie założenie pozwoli na porównanie zysków i strat w czasie poprzez zestawienie rocznych zysków zaoszczędzonej energii z rocznymi kosztami spłaty kredytu. Roczne oszczędności energii użytkowej z tytułu zastosowania termoizolacji można obliczyć ze wzoru:

ΔEu=ΔQt=(Ud - U0 ) × A × bt × Gt

gdzie:
ΔEu – zmiana zużycia energii użytkowej,
ΔQt – zmiana strat ciepła przez przenikanie,
Ud – współczynnik przenikania ciepła z uwzględnieniem termoizolacji o grubości d,
U0 – współczynnik przenikania ciepła bez uwzględnienia termoizolacji,
A – powierzchnia przegród zewnętrznych budynku,
bt – współczynnik korekcyjny temperatury,
Gt – liczba stopniogodzin ogrzewania w roku.

Powinno się je teraz przeliczyć na energię końcową, czyli tą, za którą faktycznie płaci użytkownik. Roczne oszczędności energii końcowej to:

ΔEk=(ΔEu)/η

gdzie:
ΔEk – zmiana zużycia energii końcowej,
ΔEu – zmiana zużycia energii użytkowej,
η – sprawność systemu ogrzewania w budynku.

Opłacalność inwestycji wyrażono jako ekwiwalentną wartość zaoszczędzonej energii, uwzględniającą zarówno zyski zaoszczędzonej energii, jak i koszty wykonania termoizolacji (wraz ze spadkiem jej wartości w czasie cyklu życia):

ΔK=at × (Id-Rd )+P × ΔEk

gdzie:
ΔK – ekwiwalentna wartość zaoszczędzonej energii w skali roku,
at – współczynnik annuitetowy dla okresu kredytowania t i rocznej stopy procentowej p:

at=p/(1-(1+p)^(-t) ),

Id – dodatkowe koszty inwestycyjne wykonania termoizolacji o grubości d,
Rd – wartość pozostała termoizolacji o grubości d po okresie kredytowania t

Rd=(1-al × bt ) × Id,

al – współczynnik annuitetowy dla cyklu życia inwestycji l i rocznej stopy procentowej p,
bt – współczynnik wartości pieniądza dla okresu kredytowania t i rocznej stopy procentowej p:

bt=(1-(1+p)^(-t))/p,

P – średnia cena za jednostkę energii końcowej,
ΔEk – zmiana zużycia energii końcowej,

Przykład
Do rozważań przyjęto wolno stojący budynek mieszkalny jednorodzinny o powierzchni ścian zewnętrznych A = 250 m2, wykonanych z bloczków silikatowych o grubości 18 cm, o współczynniku przenikania ciepła bez termoizolacji U0 = 2,7 W/m2 × K. Założono lokalizację w Poznaniu, a więc w II strefie klimatycznej – gdzie liczba stopniogodzin Gt wynosi 86 kKh. Sprawność systemu rozprowadzenia ciepła w budynku przyjęto na poziomie η = 0,9, a cykl życia termoizolacji określono na 50 lat. Dla potrzeb przeprowadzenia obliczeń założono 20-letni okres kredytowania przy oprocentowaniu p = 3% w skali roku. Obliczenia przeprowadzono dla dwóch wariantów termoizolacji:

• ze styropianu grafitowego o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,034 W/mK i koszcie wykonania 170 zł/m3,
• z wełny mineralnej o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,031 W/mK i koszcie wykonania 296 zł/m3.

Przyjęto dwa warianty ceny energii:

• 0,12 zł/kWh (co odpowiada mniej więcej aktualnemu kosztowi energii uzyskanej z gazu przy zastosowaniu kotła kondensacyjnego),
• 0,51 zł/kWh (co odpowiada średniej cenie 1 kWh prądu elektrycznego w Polsce).

Wyniki obliczeń oszczędności energii do ogrzewania oraz oszczędności finansowych wyrażonych jako ekwiwalentna wartość zaoszczędzonej energii w zależności od grubości termoizolacji zaprezentowano na wykresach (rys. 2–5). W omawianym przykładzie optymalna grubość termoizolacji wynosiła:

• 23 cm dla ogrzewania gazem i ocieplenia styropianem – oszczędności na poziomie 6961,42 zł rocznie (rys. 2),
• 16 cm dla ogrzewania gazem i ocieplenia wełną mineralną – oszczędności na poziomie 6764,7 zł rocznie (rys. 3),
• 49 cm dla ogrzewania energią elektryczną i ocieplenia styropianem – oszczędności na poziomie 31274,6 zł rocznie (rys. 4),
• 35 cm dla ogrzewania energią elektryczną i ocieplenia wełną mineralną – oszczędności na poziomie 30856,8 zł rocznie (rys. 5).

Grubość termoizolacji
Jak można zauważyć, istnieje grubość termoizolacji, przy której uzyskane dzięki niej oszczędności finansowe osiągają swoje maksimum. Zwiększanie grubości termoizolacji powyżej tej wartości nie powoduje już wzrostu oszczędności, a niewielki spadek. Różnice wartości oszczędności są jednak niewielkie w dość szerokim przedziale. Jak widać, im droższy materiał izolacyjny, tym mniejsza optymalna grubość izolacji. Można też zauważyć, że optymalna grubość termoizolacji rośnie wraz ze wzrostem ceny energii. Dlatego też, przewidując rosnące ceny energii w przyszłości, należy raczej dążyć do wybierania największych wartości grubości warstwy ocieplenia z optymalnego przedziału.

Właściwości optymalne
Jak widać, zwiększanie izolacyjności cieplnej ścian ma swoje ograniczenia. W projektowaniu budynków energooszczędnych sztuką jest umiejętność takiego doboru technologii budowy przegród, w tym rodzaju i grubości materiałów termoizolacyjnych, by osiągnąć właściwości optymalne pod względem ekonomicznym, ekologicznym i pod kątem spełnienia innych wymogów. W drugiej części artykułu zaprezentowane zostaną przegląd najpopularniejszych technologii budowy ścian stosowanych w energooszczędnym budownictwie, najważniejsze właściwości materiałów, decydujące o ich odpowiednim doborze, a także ograniczenia ich zastosowania. Ponadto przedstawione zostanie kilka przykładów zastosowania poszczególnych materiałów w budynku, wynikającego z konieczności uwzględnienia specyficznych wymagań.