Zakres prac termomodernizacyjnych w
Transkrypt
Zakres prac termomodernizacyjnych w
EKSPLOATACJA I MODERNIZAC J A Zakres prac termomodernizacyjnych w obiektach historycznych (cz. II) Dr inż. arch. Maria Jaworska-Michałowska, Politechnika Krakowska A R T Y K U ŁY P R O B L E M O W E 1. Wprowadzenie 48 Termomodernizacja jest to poprawienie istniejących cech technicznych budynku, które w efekcie końcowym powinno zmniejszyć ilość energii potrzebnej do ogrzewania oraz wysokość kosztów związanych z utrzymaniem obiektu. Zakres prac termomodernizacyjnych obejmuje najczęściej zmiany w strukturze budowlanej, w systemach ogrzewania i wentylacji oraz w instalacjach ciepłej wody użytkowej. Zadaniem termomodernizacji jest nie tylko zmniejszenie strat ciepła i kosztów ogrzewania, ale również poprawa warunków użytkowania pomieszczeń w budynku oraz ochrona środowiska przyrodniczego [1]. W pracach termomodernizacyjnych przeprowadzanych w obiektach historycznych należy pamiętać o indywidualnym podejściu do każdego budynku, przeanalizowaniu jego problemu. Inną wartość posiadają obiekty zlokalizowane w tkance miejskiej (np. tylne elewacje i oficyny w zabudowie XIX-wiecznej), a inną obiekty o wysokiej randze artystycznej i historycznej. Dopuszczalność rozwiązań w jednym zabytku nie przesądza o słuszności zastosowania tych samych zasad w innym [1]. Należy wziąć pod uwagę, że przy obecnym tempie rozwoju technologii, nawet najnowocześniejsze metody dociepleń mogą w krótkim czasie zostać zastąpione nowymi. Z tego powodu docieplenia nie można wykonywać kosztem substancji zabytkowej, której wartość rośnie z upływem czasu. Projektanci powinni wyzbyć się schematów projektowych, funkcjonujących w budownictwie współczesnym. Ponieważ Polska Norma opiera się w obliczeniach na rocznym bilansie zużytej energii, można podjąć się, w przypadku obiektów o wysokiej randze konserwatorskiej, innych rozwiązań. Ponadnormatywne docieplenie stropów lub sklepień nad najwyższą użytkową kondygnacją, przez które uchodzi większość ciepła, a które najłatwiej zaizolować bez kolizji z wymaganiami konserwatorskimi, może wyrównać bilans cieplny obiektu. Należy również uwzględnić, w zakresie przewidywanych prac, osuszenie przegród. Często obiekty stare pozbawione są hydroizolacji, współcześnie rozumianej. Osuszając mury i odcinając je od wpływu wody, poprawia się równocześnie ich właściwości termoizolacyjne i parametry mikroklimatu we wnętrzu. Kamień jako materiał konstrukcyjny o zwartej, drobnokrystalicznej budowie, chłonie wodę w niewielkich ilościach. Mury te są nasączane wodą z zaprawy. Znaczna jednak część materiałów budowlanych (np. cegła ceramiczna, wapienno-piaskowa, gipsy, zaprawy) ma budowę porowatą. Materiały te zmieniają właściwości pod wpływem wody, która może wypełnić całkowicie lub częściowo pory. Tracą wówczas również dobre parametry termoizolacyjne. Następuje wzrost przewodności cieplnej zawilgoconego materiału w stosunku do suchego, ponieważ woda o przewodności cieplnej około 0,6 W/(m2K) „zastępuje” powietrze o przewodności około 0,02 W/(m2K) [3]. 2. Wybrane przykłady docieplenia ścian o zabytkowej konstrukcji 2.1. Docieplenie ścian w konstrukcji o szkielecie drewnianym W celu podjęcia działań jak najbardziej optymalnych w dziedzinie termomodernizacji budynków istniejących, stosuje się docieplenie i uszczelnienie zewnętrznych przegród budowlanych. Zgodnie z obowiązującym rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 75, poz. 690 z póź. zm. z 15 czerwca 2002 r.), grubość izolacji powinna wynikać z wymaganego przepisami wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło E0 lub współczynnika przenikania ciepła Umax. Obok izolacyjności cieplnej, określonej maksymalną wartością współczynnika przenikania ciepła U, obowiązkowe jest spełnienie wymagań dotyczących uniknięcia kondensacji powierzchniowej, zawilgocenia wewnątrz przegrody i ryzyka rozwoju pleśni (§ 322.1). W odniesieniu do budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego podano wartości graniczne E0 wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania. Dopuszczono w odniesieniu do budynków mieszkalnych w zabudowie jednorodzinnej alternatywne sprawdzenie wymagań, z użyciem maksymalnych wartości współczynnika Umax. Wymagania izolacyjności cieplnej dla ścian budynków mieszkalnych w zabudowie jednorodzinnej, obiektów PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/2007 E KS P LO ATA CJA I MODERNIZACJA Tabela 1. Wartości współczynnika przenikania ciepła przez przegrody budowlane Umax wg Polskiej Normy Rodzaj ściany i temperatura w pomieszczeniu Wartość współczynnika przenikania ciepła Umax [W/(m2K)] budynek budynek budynek użyteczności jednorodzinny produkcyjny publicznej przy tj>16°C warstwowa pełna z otworami okiennymi i drzwiowymi ze wspornikami balkonu przenikającymi ścianę pozostałe 0,30 – – – 0,50 – 0,45 0,55 0,65 – – 0,45 0,55 – – 0,75; 0,90; 1,20 przy tj≤16°C 0,80 0,70 – – – – 0,75 0,90 – – 1,20 przy 8°C<tj≤16°C • pełna • z otworami okiennymi i drzwiowymi przy tj≤8°C użyteczności publicznej i produkcyjnych przedstawiono w tabeli 1. Docieplenie ścian w budynkach historycznych (o ile konserwator wyrazi zgodę na takie prace) wykonuje się z reguły od zewnątrz, poddaszy i dachów stromych od wewnątrz, a stropodachów wentylowanych najczęściej stosując metodę wdmuchiwania warstwy granulatu materiału izolacyjnego [1]. W przypadku elewacji historycznych, np. o bogatym wystroju artystycznym, budynków wzniesionych w technologii szachulcowej, czyli fasad o formie artystycznej podlegającej ochronie konserwatorskiej, docieplenie od zewnątrz jest najczęściej niemożliwe. W takich sytuacjach projektanci proponują wykonanie docieplenia przegród od strony wewnętrznej. Wówczas, oprócz wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej przegród, istotny jest wpływ zmiany struktury na warunki przepływu ciepła i pary wodnej w jej wnętrzu, przede wszystkim w miejscach tzw. mostków cieplnych. Izolacja umieszczona od wewnątrz może spowodować zmniejszenie masy termicznej całego obiektu, okresowe przemarzanie części nośnej z możliwością kondensacji pary wodnej wewnątrz przegrody oraz pogorszenie warunków higienicz- no-sanitarnych panujących w pomieszczeniu. Osiągnięcie współczynnika przenikania ciepła ściany zgodnie z wymaganiami nie może być celem nadrzędnym. W przypadku obiektów historycznych, w tym zabytkowych, należy przede wszystkim uniknąć procesów destrukcyjnych w przegrodzie, toteż zapobiegnięcie korozji biologicznej wydaje się problemem najważniejszym [1]. Przykładem indywidualnego rozwiązania prac termomodernizacyjnych, uwzględniającego ochronę substancji zabytkowej i jej wartości artystycznej jest docieplenie budynku tzw. Leśniczówki, dawnego folwarku przy zamku Dunajec w Niedzicy [2]. Środkowa część przyziemia budynku tzw. Leśniczówki powstała na początku XIX wieku. Na przełomie wieków XIX i XX, przyziemie przedłużono w konstrukcji murowanej w dwóch kierunkach, nadbudowując jednocześnie piętro z ryzalitem w konstrukcji ryglowej, tj. drewnianego szkieletu wypełnionego cegłą. Konstrukcja i detal nawiązywały do budownictwa „kurortowego” tego czasu, uwzględniającego wpływy tzw. stylu tyrolskiego (np. wycinane „laubzegą” nadokienniki). W latach 50. XX wieku rozebrano ryzalit, PRZEG L Ą D B U D O W L A N Y 12/2007 Rys. 1. Projekt docieplenia muru w tzw. Leśniczówce tynkarskiej. Na podstawie zdjęć i archiwalnej dokumentacji zaprojektowano odtworzenie ozdobnych detali. Projekt został zaakceptowany przez władze konserwatorskie i zrealizowany w 1998 roku. Jak podają autorzy, przy zastosowaniu płyt z wełny mineralnej o grubości 8 cm uzyskano współczynnik przenikania ciepła U=0,44 W/(m2K). Dodatkowym czynnikiem poprawiającym komfort cieplny i zmniejszającym zużycie energii była wymiana starej stolarki na nową, z oszkleniem niskoemisyjnym, ze ścisłym zachowaniem historycznej formy „okna polskiego”. Dzięki mistrzostwu góralskich cieśli, deski warstwy osłonowej idealnie odtwarzają szkielet konstrukcyjny. Elementy drewniane osłony zaimpregnowano środkami bio- i ogniochronnym. Stolarkę zabezpieczono „drewnochronem” w kolorze odpowiadającym stolarce przyziemia. W polach między deskami wykonano tynk A R T Y K U ŁY P R O B L E M O W E • • • • • a piętro ocieplono płytami wiórowo-cementowymi i oszalowano deskami, zmieniając tym samym charakter budynku. Pod koniec lat 90., projektanci Stanisław Karczmarczyk i Piotr Stępień przystępując do remontu obiektu zaproponowali rozwiązanie polegające na wymianie starej izolacji i zamontowaniu nowej, z wełny mineralnej. Uwzględniono odtworzenie w warstwie osłonowej szkieletu drewnianego i tynku wypełniającego (rys. 1). Deski powtarzające układ konstrukcji szkieletowej spełniają jednocześnie funkcję elementów dociskowych dla termoizolacji i siatki 49 A R T Y K U ŁY P R O B L E M O W E EKSPLOATACJA I MODERNIZAC J A 50 z gotowej mieszanki charakterystycznej dla cienkowarstwowych wypraw w systemie dociepleń, lecz w kolorze i fakturze odpowiadającym tradycyjnym tynkom wapiennym [2]. Opisane rozwiązanie, choć jest tylko kopią szkieletu konstrukcyjnego, nie narusza substancji zabytkowej i jej estetycznego charakteru. Oryginalny szkielet wraz z wypełnieniem pozostał pod ociepleniem. Deski warstwy osłonowej mocowane są wkrętami. Pogrubienie piętra przy wymiarach rzutu 10x35 m, jest praktycznie niezauważalne. Przykład innego rozwiązania, który należy również traktować jako przypadek szczególny, a nie projekt modelowy, dotyczy docieplenia zabytkowego obiektu – Białego Spichrza w Bydgoszczy (rys. 2). Obiekt ten, pochodzący z XVIII wieku, w latach 80. wyposażony został w instalację c.o. i pełni funkcję muzeum. Ściany piwnic o grubości 94 cm, zostały wymurowane z cegły ceramicznej pełnej oraz z nieociosanych głazów kamiennych na zaprawie wapiennej. Wyprowadzone zostały ponad teren w formie otaczającego budynek cokołu. Wokół budynku wykonano zamkniętą galerię stanowiącą kanał dyfuzyjny, o poziomie dna równym głębokości posadzki w piwnicy. Ściany części nadziemnej o konstrukcji tzw. szachulcowej, wypełnione zostały cegłą pełną o grubości 13 cm oraz otynkowane od zewnątrz (1 cm). Od wewnątrz zamontowano deskowanie na styki i również wykończono ścianę tynkiem. Obiekt jest przekryty dachem dwuspadowym o konstrukcji drewnianej [4]. Ocena termiczna przeprowadzona przez projektantów wykazała, że współczynnik U dla ścian piwnic posiada wartość 0,71 W/(m2K), a dla części nadziemnej − 1,52 W/(m2K). Zgodnie z normą PN-EN ISO 6946, ściany zewnętrzne nadziemnej części w opisywanej konstrukcji można zakwalifikować jako niejednorodne cieplnie [5]. Ściany szachulcowe, nieszczelne i o małej Rys. 2. Biały Spichrz w Bydgoszczy – projekt docieplenia szachulcowej konstrukcji ścian izolacyjności, nie są w stanie utrzymać stabilnych parametrów powietrza wewnętrznego. Propozycja projektantów polegała na wykorzystaniu konstrukcji nośnej dla zastosowania od wewnątrz układu warstwowego z pustką powietrzną dobrze wentylowaną i warstwą osłonową z istniejącej ściany zewnętrznej, przy jednoczesnym uniknięciu mostków cieplnych. Warunek zachowania zabytkowej elewacji w stanie nienaruszonym, został spełniony (rys. 2). 2.2. Docieplenie ścian murowanych z pustką powietrzną W 1. połowie XX wieku zdawano sobie sprawę z większości problemów związanych z nieodpowiednią izolacyjnością przegród zewnętrznych. Z powodu braku dobrych materiałów izolacyjnych, skupiano się na wykonywaniu murów głównie z materiałów ceramicznych, które gwarantowały polepszenie parametrów cieplnych. Na wybrzeżu przed II wojną wybudowano kompleks budynków ze ścianami warstwowymi. W celu poprawy izo- lacyjności przegród zewnętrznych zastosowano pustkę powietrzną wynoszącą 5–7 cm (rys. 3). Pod względem ochrony cieplnej, zamknięta przestrzeń pomiędzy ścianami z cegły była równa murowi o grubości 1/4–1/2 cegły. Obecnie docieplenie takich murów jest możliwe przez pneumatyczne wdmuchiwanie włókna celulozowego albo granulatów z wełny mineralnej. W tym celu wykonuje się otwory w zewnętrznej ścianie. Włókno celulozowe (ekofiber) stosowane jest w budownictwie europejskim od ponad 30 lat. Produkowane jest z makulatury. Celulozowe produkty termoizolacyjne zaliczane są do grupy materiałów trudnozapalnych, nierozprzestrzeniających ognia. Charakteryzują się stałością właściwości termoizolacyjnych. Przystosowując się do wahań temperatury powietrza i wilgotności, zachowują właściwości termiczne aż do wilgotności na poziomie 12%. Według badań przeprowadzonych przez Nordiska Ekofiber Polska w budynkach wilgotność materiału w warunkach normalnej wilgotności powietrza 50% wynosi ok. 5%, a przy nieprzyjaznej wil- Rys. 3. Wiązania w murach z pustką powietrzną gotności powietrza w pomieszczeniach sięgającej 70−80% kształtuje się na poziomie 11%. Dobre własności izolacji cieplnej uzyskuje się dzięki dużej ilości powietrza (70−80% objętości) zamkniętego wewnątrz włókien oraz w przestrzeni międzywłóknowej. Dla większości wyrobów współczynnik przewodzenia ciepła kształtuje się PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/2007 E KS P LO ATA CJA I MODERNIZACJA na poziomie 0,037−0,043 W/(mK). Dla porównania, współczynnik dla wełny mineralnej λ=0,033−0,050 W/(mK). Pod tym względem jest to więc materiał równorzędny. 3. Niekonwencjonalna ochrona cieplna ścian zewnętrznych za pomocą transparentnej izolacji termicznej 4. Podsumowanie Termomodernizacja obiektów wiąże się często z godzeniem sprzecznych interesów, z jednej strony konserwatorskich, z drugiej ochrony cieplnej obiektów. Zaspokojenie w całości wszystkich potrzeb zwią- Rys. 4. Obiekt historyczny z ociepleniem transparentnym w Freiburgu (Niemcy) PRZEG L Ą D B U D O W L A N Y 12/2007 zanych z oszczędnością energii w obiektach zabytkowych jest trudne. Znalezienie kompromisu pomiędzy postawionymi problemami energooszczędności i wymaganiami konserwatorskimi wydaje się jednakże osiągalne i może pozytywnie wpłynąć na estetykę zmodernizowanych budynków. Nasuwa się zatem kilka wniosków: • Można przeprowadzać prace termomodernizacyjne w obiektach, w których technologia ta nie wchodzi w kolizję z wymaganiami konserwatorskimi. Warunek ten spełnia wiele budynków modernistycznych, wzniesionych w Polsce do czasu II wojny światowej. Obiekty te po przeprowadzonych pracach, mogą być włączone w ciągłość kultury i cykle natury. • Stałe remonty są koniecznością w obiektach zabytkowych. Przebudowa ich jest niejednokrotnie konieczna również ze względu na ekonomię utrzymania. Struktura budynków ulega dekapitalizacji wraz z upływem czasu. Unowocześnienie rozwiązań następuje przeważnie wraz ze zmianą funkcji i przystosowaniem do nowych potrzeb. Dla sprostania wymogom ekologii następuje na przykład zmiana sposobu ogrzewania. • Projektant może uwzględnić w projekcie termomodernizacji obiektów historycznych również rozwiązania z grupy elementów: pozyskujących promieniowanie słoneczne, magazynujących nadwyżki ciepła, umożliwiających dystrybucję ciepła w obiekcie, ochrony cieplnej i ochrony przed przegrzaniem. • Prace termomodernizacycyjne wymagają opracowania projektów przez zespół fachowców różnych branż, również przez architektów krajobrazu. Techniczna strona opracowań powinna uwzględniać wykorzystanie ekotechnologii i energii odnawialnej. • Efekt prac dociepleniowych jest zależny od doboru materiału, prawidłowej jego grubości, systemu docieplenia oraz dokładności wykonanych prac. Każdy obiekt posiada inne parametry, dlatego architekt A R T Y K U ŁY P R O B L E M O W E Idea zastosowania promieniowania słonecznego do ogrzewania znana była od najdawniejszych lat, ale dopiero w latach 30. XX wieku doczekała się praktycznej realizacji, aczkolwiek jeszcze wyłącznie ze względów estetycznych. W Chicago, projektanci bracia Keck zaprojektowali obiekt tzw. Cristal House, który dzięki dużym taflom szklanym, przepuszczającym promieniowanie słoneczne, stał się pierwszym budynkiem, który zapoczątkował badania nad możliwością wykorzystania energii słonecznej w budownictwie. Zasoby energii promieniowania słonecznego są praktycznie niewyczerpalne, a nowe technologie i metody umożliwiają efektywne jej wykorzystanie. Rozwiązaniem stosunkowo prostym, który może poprawić bilans cieplny budynku jest również możliwość zastosowania materiałów transparentnych do izolacji cieplnej ścian kolektorowo-akumulacyjnych. Mury te są południowymi przegrodami zewnętrznymi, umieszczonymi za przezroczystą osłoną ochronną lub oszkloną przestrzenią buforową. Izolacja taka gwarantuje znaczne zwiększenie efektywności systemu pasywnego ogrzewania słonecznego. Najlepsze wykorzystanie jej osiąga się tam, gdzie promieniowanie słoneczne jest największe, tj. od strony południowej. W celu ochrony fasady przed przegrzaniem należy zastosować zabezpieczenia w postaci np. żaluzji, rolet, markiz, wysuniętych elementów elewacji, dachu. Ocieplenie składa się zwykle z trzech warstw. Warstwa zewnętrzna chroni materiał izolacyjny przed uszkodzeniami. Oferowane są sys- temy z szybą ze szkła hartowanego lub przezroczystym tynkiem szklanym. Izolacja pokryta tynkiem nie wymaga dodatkowych osłon. Samą termoizolację stanowią np. płyty złożone z drobnych rurek średnicy kilku milimetrów, wypełnione powietrzem. Zimą promienie słoneczne wnikają do wnętrza rurek, a zawarte w nich powietrze pełni rolę izolacji cieplnej. Warstwą absorbującą promienie świetlne może być w zależności od systemu np. powierzchnia kleju zabarwionego na ciemno, płyty metalowe lub włóknocementowe (bezazbestowe). Wykorzystanie materiałów transparentnych do izolacji cieplnej gwarantuje zwiększenie efektywności energetycznej systemu pasywnego ogrzewania słonecznego. W budownictwie na przykład jednorodzinnym zyski ciepła mogą sięgać 200 kW/m2 [7]. Izolacje transparentne stosuje się w Europie Zachodniej również do ocieplenia istniejących budynków (rys. 4). Pomimo wielu zalet systemy izolacji transparentnych nie są jeszcze w Polsce popularne. Przeszkodą w ich rozpowszechnianiu jest wciąż wysoka cena. 51 A R T Y K U ŁY P R O B L E M O W E EKSPLOATACJA I MODERNIZAC J A powinien rozpatrywać problemy każdorazowo indywidualnie. • W poszukiwaniu optymalnego rozwiązania należy wziąć pod uwagę względy estetyczne, techniczne, koszty prac i wpływ ich na późniejsze opłaty związane z ogrzewaniem. Zużycie energii cieplnej zależy od systemu grzewczego oraz od właściwości termoizolacyjnych budynku, które wynikają z rozwiązań architektoniczno-budowlanych. • W obiektach, w których nie będzie mógł być zastosowany bezspoinowy system ociepleń, można zaproponować inne nowe technologie, które poprawią bilans cieplny. Należy pamiętać, że ocieplenie budynków od wewnątrz, możliwe do zaprojektowania w niektórych przypadkach, nie jest zgodne z zasadami fizyki budowli. • W przypadku obiektów zabytkowych, najważniejszym celem jest uniknięcie procesów destrukcyjnych spowodowanych np. zmianą sposobu użytkowania, dlatego wymagania uniknięcia korozji biologicznej często mogą być w takich sytuacjach nadrzędne wobec związanych z oszczędnością energii. • Stan elewacji powinien być szczegółowo studiowany, a stare mury poddane m.in. uzupełnieniom, naprawom, nasączaniem preparatami. W tym celu należy dokonać analiz konstrukcyjnych i badań laboratoryjnych stosowanych materiałów budowlanych. • Wymaganiem efektywności termomodernizacji jest jej kompleksowość, obejmująca nie tylko budynek, ale także wyposażające go instalacje i systemy zaopatrzenia budynku w ciepło. Często przeprowadza się tylko docieplanie budynków, natomiast przystosowanie instalacji do nowych potrzeb, a także opomiarowanie jej i wyposażenie źródeł ciepła w automatykę realizowane jest tylko w niewielu obiektach. Efekty takich działań nie powodują obniżenia wskaźnika zapotrzebowania energii cieplnej do ogrzania 1 m2 powierzchni użytkowej budynku, a jedynie poprawiają warunki temperaturowe w pomieszczeniach i likwidują ewentualne efekty przemarzania ścian. BIBLIOGRAFIA [1] Jaworska-Michałowska M., Wpływ termomodernizacji na architekturę obiektów zabytkowych. Praca doktorska, Politechnika Krakowska, 2006, s. 64–65 [2] Stępień P., Nietypowe ocieplenie „RYGLÓWKI”. Niedzicka „Leśniczówka”. Renowacje 1999, nr 5, s. 44–45 [3] Pogorzelski J. A., Stan wilgotnościowy przegród budowlanych (1). Materiały Budowlane, 2001, nr 4, s. 63–66 [4] Wesołowska M., Hołownia P., Niektóre problemy adaptacji budynków zabytkowych na przykładzie spichrzów na Wyspie Młyńskiej w Bydgoszczy. Budownictwo Ogólne. Zagadnienia konstrukcyjne, materiałowe i cieplno-wilgotnościowe w budownictwie. Wydawnictwo Uczelniane Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, 2005, s. 343–349 [5] PN-EN ISO 6946:1999.Komponenty budowlane i elementy budynku, Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczenia [6] Żenczykowski W., Budownictwo Ogólne Tom II, Konstrukcje i wznoszenie murów i sklepień, Budownictwo i Architektura, Warszawa, 1954, s. 249 [7] Dutko K., Izolacje transparentne w systemie pasywnego ogrzewania słonecznego, Izolacje, 2004, nr 1, s. 28–32 GRODZICE WINYLOWE wieloletnie, ekologiczne, tanie rozwiązanie nie wymagające konserwacji S. i A. Pietrucha Sp. z o.o. ul. Szkolna 29, 95-054 Ksawerów tel. (+48) 42 212 84 84 fax (+48) 42 212 84 87 www. grodzice.com 52 PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/2007