Termoizolacje w budownictwie rolniczym. Wymagania, materiały termoizolacyjne

Konieczność zastosowania odpowiedniej termoizolacji przegród budynków kojarzy się zazwyczaj z ochroną przed wychładzaniem wnętrza w okresie niskich temperatur. Jednak dobrze zaprojektowane termoizolacje chronią wnętrze budynku również przed nadmiernym wzrostem temperatury w okresie letnim, co w przypadku obiektów inwentarskich i przechowalniczych jest jeszcze bardziej istotne.

Do najważniejszych (po fundamentach) elementów konstrukcji każdego budynku, w tym inwentarskiego, należy dach, który ma chronić przed czynnikami atmosferycznymi: wiatrem, deszczem, śniegiem i temperaturą zewnętrzną, a jego konstrukcja (więźba dachowa) bezpiecznie przenosić wszystkie obciążenia. Na zapewnienie zwierzętom odpowiednich warunków termicznych mają również wpływ pozostałe elementy dachu: pokrycie, wewnętrzna warstwa izolacji cieplnej, która ma chronić wnętrze budynku przed nadmiernym nagrzewaniem lub ochładzaniem, oraz wykończeniowa wraz z paroizolacją. Ze względu na zależność wymagań termicznych od rodzaju utrzymywanych w budynkach zwierząt izolacyjność termiczną przegród zewnętrznych, a szczególnie dachów, należy traktować indywidualnie.

Termoizolacje w budynkach inwentarskich

Termoizolacje w oborach

W przypadku budynków dla bydła wymagania dotyczące izolacyjności termicznej przegród według standardów UE [1] są bardzo zróżnicowane i uzależnione głównie od technologii chowu zwierząt. Najwyższe parametry cieplne muszą one spełniać w przypadku chowu uwięziowego ze względu na brak możliwości swobodnego poruszania się zwierząt. W pozostałych przypadkach budynki można podzielić na trzy kategorie zależnie od zastosowanej w nich izolacji termicznej: nieizolowane, izolowane w stopniu minimalnym oraz izolowane.W budynkach z minimalną izolacją termiczną lub bez niej ociepla się jedynie te części obiektu, które wymagają ochrony przed mrozem, przy czym współczynnik przenikania ciepła Uc powinien zawierać się w przedziale 1,0–3,0 W/(m²K) (tabela), a także w razie potrzeby dogrzewania, np. dojarnie, pomieszczenia do przechowywania mleka oraz służbowe (dyżurka, szatnia, pomieszczenia biurowe) czy sanitariaty.

Według Rozporządzenia Ministra Infrastruktury i Rozwoju z 2014 roku, dotyczącego „Warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie”, minimalna izolacyjność poszczególnych przegród powinna kształtować się następująco (t_i – temperatura wewnątrz przegrody/pomieszczenia):

• ściany zewnętrzne w pomieszczeniach przy t_i ≥ 16ºC: U_c ≤ 0,23 W/(m²K),
• dachy w pomieszczeniach przy t_i ≥ 16ºC: U_c ≤ 0,18 W/(m²K),
• ściany zewnętrzne w pomieszczeniach przy t_i ≤ 8ºC: U_c ≤ 0,90 W/(m²K),
• dachy w pomieszczeniach przy t_i ≤ 8ºC: U_c ≤ 0,70 W/(m²K).

Przytoczone dane dotyczą budynków obór izolowanych termicznie w części produkcyjnej oraz wspomnianych pomieszczeniach technicznych i socjalnych. W przypadku obiektów z termoizolacją w stopniu minimalnym oraz bez niej powyższe dane z warunków technicznych z 2014 r. będą odnosić się jedynie do pomieszczeń służbowych, socjalnych i technicznych (dojarnia), czyli takich, w których wymagana jest temperatura t_i ≥ 16ºC lub t_i ≤ 8ºC.

Bydło bardzo dobrze znosi niskie temperatury przy zapewnieniu wilgotności poniżej 80% (nie odbija się to negatywnie na produkcji mleka), jednak powyżej 25ºC występuje ryzyko pojawienia się tzw. stresu cieplnego, co objawia się dyszeniem, obniżeniem wydajności w pozyskiwaniu mleka, zwiększonym zapotrzebowaniem na wodę pitną (również do ewentualnego zraszania zwierząt), a nawet możliwość upadków. Może to się wiązać z dużymi stratami ekonomicznymi, niewspółmiernie większymi niż koszt wykonania termoizolacji połaci dachowej. Podwyższanie się temperatury wewnątrz budynku spowodowane jest przepływem energii cieplnej pochodzącej ze słońca przez nagrzewające się przegrody zewnętrzne, oraz z wymiany powietrza poprzez wentylację.

Najbardziej narażoną na oddziaływanie promieniowania słonecznego przegrodą jest dach i w zależności od koloru (zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna) pochłania on więcej lub mniej energii cieplnej. Najczęściej stosowane są pokrycia dachowe w ciemnych kolorach, przez co ich powierzchnia może rozgrzać się do nawet 80ºC. Gdyby nie izolacja termiczna, znacznie podwyższona temperatura wewnątrz budynku zagrażałaby zdrowiu i życiu zwierząt. W okresie zimowym termoizoalcja dachu ogranicza możliwość wykraplania się pary wodnej od wnętrza pomieszczenia, a tym samym chroni przed możliwością zalodzenia lub powstawania sopli, kapania skroplin pary wodnej na zwierzęta, a także może przyczyniać się do lepszego działania wentylacji grawitacyjnej (w oborach wykonuje się szczelinę wentylacyjną lub świetlik dachowy ze szczelinami wentylacyjnymi).

Termoizolacje w kurnikach

Diametralnie odmiennymi budynkami inwentarskimi są kurniki i chlewnie, w których wymagania zwierząt co do warunków termicznych są znacznie wyższe niż w przypadku bydła. Dobrze zaprojektowana osłona termiczna przegród zewnętrznych, ze szczególnym uwzględnieniem dachu, przyczynia się zatem przede wszystkim do znacznego obniżenia zużycia energii potrzebnej do zapewnienia prawidłowego dobrostanu zwierząt oraz mikroklimatu wewnętrznego.

W przypadku kurników dla kur niosek optymalna temperatura powinna wynosić 10–16ºC, a dla brojlerów być wyższa niż 16ºC (zalecana jest w zakresie 18–33ºC). Izolacyjność przegród w tych budynkach musi być znacznie wyższa niż w budynkach obór i spełniać wymagania według warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (nowelizacja z 2014 roku):

• dla ścian zewnętrznych przy t_{i ≥}16ºC w pomieszczeniach: U_c ≤ 0,23 W/(m²K),
• dla dachów przy t_{i ≥}16ºC w pomieszczeniach: U_c ≤ 0,18 W/(m²K).

Na utrzymanie właściwej temperatury istotny wpływ ma obsada ptaków: 3–4 szt./m² w przypadku kurników dla niosek oraz 17–34 dla brojlerów (w zależności od masy ciała), a także zastosowanie do budowy przegród kurnika odpowiednich materiałów konstrukcyjnych oraz izolacji termicznych. Ptaki są bardzo wrażliwe na wysoką wilgotność powietrza, dlatego nie powinna ona przekraczać 65%, a maksymalnie sięgać 75%. Utrzymać ją na tym poziomie może jedynie prawidłowy system wentylacji oraz zaprojektowanie właściwego ocieplenia przegród zewnętrznych.
Stres cieplny u ptaków objawia się spadkiem apetytu i wzrostem spożycia wody. Gdy temperatura otoczenia wzrasta, zmniejszają one spożycie paszy (o 5% na każdy 1ºC wzrostu temperatury w zakresie 32–38ºC), co pozwala obniżyć ilość ciepła powstającego w organizmie w trakcie przemian metabolicznych i utrzymać prawidłowy bilans pomiędzy produkcją ciepła a jego utratą.
W przypadku brojlerów stres cieplny powoduje wydłużenie tuczu i wzrost śmiertelności, u niosek natomiast dochodzi do zmniejszenia nieśności, obniżenia jakości jaj (np. mają cieńsze i podatne na uszkodzenia skorupki) i skrócenia ich trwałości, a nawet obniżenia wylęgarności. Kurniki wymagają zatem dogrzewania w okresie zimowym, a latem ochrony przed nadmiernym nagrzewaniem.

Termoizolacje w chlewniach

Chlewnie to obiekty bardzo specyficzne pod względem wymagań cieplno-wilgotnościowych, które są zróżnicowane w zależności od struktury zwierząt w budynku oraz technologii chowu. Najwyższe wymagania co do temperatury odnoszą się do chowu rusztowego i w zależności od stadium rozwoju (przy zachowaniu wilgotności powietrza 60–70%) wynoszą: 18–20ºC – maciory zasuszane, 18–22ºC – lochy karmiące, 22–30ºC – warchlaki, 18–20ºC – tuczniki.

W przypadku utrzymania zwierząt na ściółce zakresy temperatur są nieco niższe. Istotne jest też, aby parametry cieplne budynku dla trzody chlewnej były stabilne, szczególnie w tuczarni oraz sekcji porodowej (głównie ze względu na niewykształcony u prosiąt system termoregulacji). W tuczarni stabilne warunki cieplne przekładają się na szybkie tempo przyrostu masy ciała zwierząt, a tym samym na opłacalność produkcji. W tych obiektach bardzo dobra izolacyjność przegród jest czynnikiem, który może ograniczyć zużycie energii potrzebnej do pokrycia strat ciepła przenikającego przez przegrody oraz związanych z wymianą powietrza. Wahania temperatury mają istotny wpływ przede wszystkim na zdrowotność zwierząt i ich przyrosty dzienne.

W celu dobrania optymalnej grubości izolacji termicznej należy wykonać obliczenia charakterystyki energetycznej budynku inwentarskiego i wybrać wariant o najniższym wskaźniku energii użytkowej EU lub końcowej EK, a w przypadku modernizacji można dodatkowo wykonać audyt energetyczny i wybrać wariant o najniższym czasie zwrotu inwestycji. Z uwagi na specyfikę obliczeń wartości bilansowych należy każdorazowo wyznaczyć ciepło pochodzące od zwierząt (niestety nie ma odpowiednich wartości normowych, jak jest to w przypadku ustalania zysków wewnętrznych w obiektach mieszkalnych). Ilość ciepła, jaką można pozyskać od zwierząt, zależy głównie od wieku, wielkości, dopuszczalnej koncentracji itp.

Wymagania termoizolacyjne dla przechowalni owoców i warzyw

Obiekty przechowalni owoców i warzyw różnią się przede wszystkim pod względem wymagań termicznych i technologicznych, dlatego należy je odpowiednio zaprojektować. Konstrukcje budynków są do siebie zbliżone, a wszelkie rozbieżności wynikają z odmiennych technologii przechowywania produktów. Obecnie najczęściej mają one tzw. kontrolowaną atmosferę, co wymaga zapewnienia szczelności komór przechowalniczych, którą osiąga się głównie poprzez zastosowanie specjalnych, szczelnych drzwi. Przy projektowaniu izolacji termicznej przechowalni wartość współczynnika U_c trzeba przyjmować w zależności od strefy klimatycznej, w jakiej znajduje się obiekt przechowalniczy. Opór cieplny przegród budowlanych należy projektować tak, aby uzyskać współczynnik U_c nie większy niż [2]:

• 0,40 W/(m²K) – dla ścian zewnętrznych,
• 0,47 W/(m²K) – dla ścian wewnętrznych,
• 0,35 W/(m²K) – dla stropów.

Podane wartości należy traktować jako górną granicę współczynnika przenikania ciepła U_c, przede wszystkim dlatego, że im jest on niższy, tym mniejsze będzie zużycie energii potrzebnej do utrzymania odpowiedniej temperatury, a tym samym rzadziej będą uruchamiane systemy wentylacyjno-klimatyzacyjne. W praktyce współczynniki U_c dla poszczególnych przegród są zazwyczaj znacznie niższe od współczynników maksymalnych, co zapewnia niższe koszty utrzymania żądanych temperatur przechowalniczych, które w zależności od rodzaju owoców lub warzyw wahają się od –2 do 8ºC. W praktyce na podstawie obserwacji funkcjonowania tego typu obiektów stwierdzono, że minimalna grubość termoizolacji powinna być tak dobrana, aby strumień ciepła wywołany różnicą temperatur po obu stronach przegrody nie był większy niż 10 W/m². Sprowadza się to zatem do prostego równania określającego minimalną grubość izolacji termicznej:

d _min = (t_i - t_e) · λ / 10

gdzie:

d_min – grubość minimalna materiału termoizolacyjnego [m],
t_i – temperatura wewnątrz przegrody (pomieszczenia),
t_e – temperatura na zewnątrz przegrody (pomieszczenia),
λ – współczynnik przewodzenia ciepła danej termoizolacji [W/(mK)].

Ze względu na ograniczenie (w miarę możliwości zredukowanie do minimum) bariery pojemności cieplnej konstrukcji przechowalni (minimalizacja zużycia energii potrzebnej do szybkiego schłodzenia wnętrza komór przechowalniczych) zaleca się zastosowanie materiałów o dużym współczynniku dyfuzji pary wodnej, np. styropian EPS, XPS, oraz dodatkowo warstwę ze szczelnych płyt z blachy lub tworzyw sztucznych. Poszczególne przegrody powinny mieć od strony wewnętrznej bardzo szczelne (z uwagi na wysoką wilgotność wewnątrz komór – ok. 90%) przepony składające się m.in. z: blachy szczelnie zamocowanej do konstrukcji szkieletowej, warstwy paroizolacji z folii polietylenowej z bardzo szczelnym wykonaniem połączeń zakładkowych. Obecnie w budynkach przechowalniczych dość powszechnie stosuje się obudowę zewnętrzną z płyt warstwowych z rdzeniem ze styropianu, pianki poliuretanowej lub wełny mineralnej. Z kolei w czasie termorenowacji przegród sprawdza się ocieplenie w postaci natrysku z pianki PUR o odpowiednio dobranej grubości warstwy.

Materiały stosowane do termoizolacji

Obecnie do izolacji termicznych najczęściej używane są specjalne płyty z zewnętrzną warstwą w postaci powłoki wykończeniowej z folii aluminiowej, stanowiącej warstwę paroizolacyjną, np. płyty z pianki poliuretanowej (PU) bądź poliizocyjanouretanu (PIR). Do termoizolacji połaci dachowych w budynkach inwentarskich można również używać wełny mineralnej, ale należy pamiętać o wykonaniu bardzo szczelnej warstwy z folii paroizolacyjnej od strony wewnętrznej, a także szczeliny wentylacyjnej między warstwą termoizolacyjną a membraną dachową (folią wstępnego krycia). Grubość tej szczeliny powinna zawierać się w przedziale od 2 do 3 cm. Można z niej zrezygnować jedynie w przypadku użycia membrany dachowej o wysokiej paroprzepuszczalności.

Innym bardzo częstym rozwiązaniem, zarówno w nowo wznoszonych, jak i modernizowanych obiektach, jest zastosowanie zespolonych płyt dachowych (warstwowych), które składają się z dwóch warstw powlekanej blachy stalowej z wewnętrznym rdzeniem z pianki poliuretanowej, styropianu lub wełny mineralnej. Rozwiązanie takie umożliwia szybką wymianę lub jednoczesne wykonanie pokrycia i izolacji termicznej dachu. Podobne rozwiązania są wykorzystywane przy realizacji lekkich obudów zewnętrznych ścian i dachu w kurnikach, przechowalniach owoców czy warzyw.W trakcie prowadzenia prac modernizacyjnych w budynkach inwentarskich wskazane jest poprawienie lub wymiana izolacji termicznej dachu, a także ścian oraz podłóg w strefach przyściennych. Często wiąże się to z całkowitą wymianą pokrycia dachu, np. płyt azbestowo-cementowych na warstwowe lub blachę trapezową.

Przed przystąpieniem do tego rodzaju prac należy sprawdzić stan techniczny budynku, a przede wszystkim elementów konstrukcyjnych narażonych na działanie czynników sprzyjających korozji. Jeśli nie będą spełnione wymagania nośności, dalsze prace modernizacyjne mogą być nieopłacalne. Jeżeli stan techniczny budynku nie budzi zastrzeżeń, trzeba przeprowadzić odpowiednie obliczenia termiczne sprawdzające poprawność doboru poszczególnych warstw, tak aby nie występowało zjawisko kondensacji pary wodnej wewnątrz warstwy termoizolacyjnej dachu lub ścian. Ważny jest również dobór materiałów pod kątem odporności na bezpośrednie działanie podwyższonej wilgotności. Należy unikać takich, które mogą wchłaniać wilgoć, np. płyt gipsowo-kartonowych.W przypadku ścian najczęściej stosowana jest termoizolacja ze styropianu ekstrudowanego (EPS), a najpopularniejszą technologią ocieplania budynku – metoda lekka mokra (ETICS).

Termoizolacje - najczęstsze błędy i ich konsekwencje

Ocieplanie połaci dachowych tradycyjną metodą, tzn. w następującym układzie: odporna na wilgoć okładzina od strony wewnętrznej, paroizolacja, wełna mineralna, szczelina wentylacyjna, folia wstępnego krycia o niskiej paroprzepuszczalności, poszycie dachu z blachy, stwarza ryzyko nieszczelnego wykonania paroizolacji lub folii wstępnego krycia i może spowodować zawilgocenie wełny mineralnej.

Podobny efekt może pojawić się, kiedy ww. warstwy zostaną wykonane niezgodnie ze sztuką budowlaną, tzn. ułożone równolegle z łączeniem między dźwigarami zamiast prostopadle do nich. Do takich sytuacji dochodzi rzadko, ale jest to możliwe. W przypadku folii wstępnego krycia o niskiej paroprzepuszczalności brak szczeliny wentylacyjnej będzie także skutkować zawilgoceniem warstwy z wełny mineralnej i nieuzyskaniem oczekiwanych efektów, czyli poprawy termoizolacyjności.

W przypadku ocieplania budynku metodą lekką mokrą prace należy prowadzić zgodnie z reżimami określonymi przez producenta systemu, a przede wszystkich wykonywać je w zakresie temperatur 5–25ºC. Konsekwencją prowadzenia ich w temperaturach niższych od 5 lub powyżej 25ºC, a także braku kontroli stanu podłoża lub jego naprawy (np. odspojony tynk) może być niewłaściwe połączenie płyt termoizolacji z podłożem. Kolejnym błędem może być nieodpowiednia liczba kołków montażowych, których powinno być min. 4 szt./m², a także niewłaściwe rozmieszczenie placków z zaprawą klejową, brak tzw. ramki z zaprawy klejowej po obwodzie płyty. Ponadto przyklejanie płyt ze styropianu lub wełny mineralnej bez przewiązania, a także zbyt małe zakłady siatki zbrojącej (poniżej 15 cm), często są przyczyną pojawienia się pęknięć na elewacji. Brak wzmocnień w narożach otworów okiennych lub drzwiowych to z kolei główna przyczyna pęknięć ukośnych elewacji w tych miejscach.

Należy także zwrócić uwagę na równość połączeń styków płyt ocieplenia oraz nieużywanie zaprawy klejowej do ich uszczelniania, ponieważ będzie ona przyczyną pojawienia się dodatkowych mostka termicznego. Brak wcześniejszego sprawdzenia równości podłoża może prowadzić do wykonania nierównej elewacji. Naprawianie tego błędu poprzez szlifowanie płyt izolacji powoduje lokalne zmniejszenie ich grubości, a przez to niezamierzoną większą utratę ciepła.

Aby zapewnić trwałą elewację i skuteczną izolację termiczną, należy przede wszystkim rozpocząć prace termoizolacyjne od sprawdzenia stanu technicznego elewacji, odchyłek ścian od pionu i równości w poziomie, wykonania projektu, w którym dokonane zostaną obliczenia termiczne przegród zewnętrznych, łącznie z uwzględnieniem mostków cieplnych. Poprawa izolacyjności termicznej przegród budynków inwentarskich i przechowalniczych, oprócz efektów ekonomicznych związanych z dogrzewaniem lub schładzaniem pomieszczeń, przynosi również poprawę stanu technicznego budynków oraz podnosi ich estetykę.

Interesują Cię zagadnienia technologiczno-budowlane w rolnictwie? Zobacz

Literatura
1. W. Romaniuk, T. Domasiewicz, A. Głaszczka, K. Mazur, W. Wardal i inni, „Systemy utrzymania bydła. Poradnik”, Projekt bliźniaczy PHARE, Standardy dla gospodarstw rolnych, wydanie II, Warszawa 2004.
2. „Poradnik inżyniera i technika budowlanego. Budownictwo Rolnicze. Część 2. Konstrukcje budowlane i instalacje” pod red. Z. Witebskiego, Arkady, Warszawa 1982.