Modernizacja instalacji ogrzewania i wentylacji w budynku mieszkalnym

Na RYS. 1 przedstawiono graficzną prezentację struktury budynków mieszkalnych w zależności od okresu wybudowania, zaś w TAB. 1 strukturę liczby budynków mieszkalnych w Polsce w różnych okresach wraz ze zużywaną przez nie energią końcową i pierwotną.

Termomodernizację budynków mieszkalnych rozpoczęto w latach 90. XX wieku, a znaczący rozwój branży przypada na przełom XX i XXI wieku.

Jakość termomodernizacji w różnych latach była różna i, odnosząc się do wartości współczynnika przenikania ciepła przegród zewnętrznych, można stwierdzić, że jej wartość w polskich normach i warunkach technicznych (WT) była zmniejszana (TAB. 2). Mniejsza wartość współczynnika przenikania ciepła (U, [W/(m2·K)]) oznacza konieczność montowania grubszej warstwy izolacji na przegrodach zewnętrznych, a w odniesieniu do okien i drzwi balkonowych - wysokiej jakości szkła i ram okiennych lub drzwiowych.

Na RYS. 2 przedstawiono obecne i przyszłe wymagania odnośnie do zużycia ciepła do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody w zależności od jakości termoizolacji.

Domki letniskowe – jakie rozwiązania dotyczące ogrzewania warto zastosować?

Dokładniejsza analiza problematyki zużywania ciepła w budynkach o różnym przeznaczeniu zamieszczona w TAB. 3 pozwala na stwierdzenie, że w przyszłości energia pierwotna będzie się zmniejszać do wartości poniżej 100 kWh/(m2·rok) [6-7].

W opisywaniu zagadnienia rozwoju termomodernizacji i wymagań izolacyjności cieplnej zewnętrznych przegród budynków mieszkalnych oraz niemieszkalnych odniesiono się do struktur zużycia ciepła w mieszkalnictwie w Polsce, Unii Europejskiej, a także do zaleceń Międzynarodowej Agencji Energetycznej. Graficzną ilustrację opisywanych struktur zużywania ciepła w mieszkalnictwie przedstawiono na RYS. 3-5.

Wraz z rozwojem techniki budowlanej zmieniła się jakość instalacji, materiałów, technologii urządzeń oraz różnych komponentów stosowanych w budownictwie.

W obszarze zużywania ciepła do ogrzewania budynków występuje wzrost wymagań izolacyjności cieplnej przegród [2, 4-8].

Podwyższanie wymagań w odniesieniu do izolacyjności oraz szczelności stolarki budowlanej (okna, drzwi balkonowe i wejściowe do budynków) rozpoczęło się w latach dziewięćdziesiątych i ciągle wzrasta.

Rezultat stosowania w budownictwie rozwiązań zgodnych lub przewyższających warunki techniczne prowadzi do pozytywnych skutków, takich jak zmniejszenie strat ciepła poprzez okna i przegrody zewnętrzne, a także pojawienie się systemów kontrolowanej wentylacji mieszkań, wyposażonych w urządzenia odzysku ciepła.

Szczelność stolarki okiennej i drzwiowej sprawia, że strumienie objętości powietrza infiltrujące przez nieszczelności stolarki są zbyt małe, by zapewnić właściwą wentylację mieszkań.

Rozwiązaniem prawidłowym jest stosowanie wentylacji z rekuperacją, co gwarantuje odpowiednią ilość świeżego powietrza przy niskim zapotrzebowaniu na ciepło do podgrzania powietrza wentylacyjnego. W budynkach mieszkalnych dogrzewanie powietrza wentylacyjnego realizowane jest, poza odzyskiem ciepła, za pomocą instalacji centralnego ogrzewania.

Według różnych danych [1-3, 5] w istniejących budynkach mieszkalnych najwięcej ciepła, 20–35%, jest tracone przez słabo ocieplone ściany. Dach z cienką izolacją cieplną oraz okna o dość wysokiej wartości współczynnika przenikania ciepła (U ≅ 2 W/(m2·K)) powodują nawet 15-25% ogólnych strat ciepła w budynku, a podłoga - 5-15%. Zapotrzebowanie na ciepło do podgrzania powietrza wentylacyjnego, tzw. straty ciepła na wentylację, osiąga różne wartości w zależności od tego, czy w budynku zainstalowano wentylację mechaniczną z systemem odzysku ciepła, czy też jest w nim wentylacja grawitacyjna - wówczas straty mogą stanowić nawet 40% ogólnych strat ciepła budynku.

Wpływ na sumę ogólnych strat ciepła mają również mostki termiczne występujące na stykach elementów konstrukcyjnych, a co za tym idzie, także kształt bryły budynku. Im bardziej zwarta jest bryła budynku, tym mniejsze straty ciepła.

W obszarze mostków termicznych występuje zwiększenie intensywności wymiany ciepła, co przyczynia się do obniżenia temperatury, często poniżej punktu rosy, i powoduje skraplanie się pary wodnej z powietrza. Efektem jest wilgoć na ścianie lub suficie, a najczęściej w obydwu miejscach, w wyniku której po pewnym czasie (powyżej miesiąca) pojawia się zabrudzenie zawilgoconych powierzchni, a następnie rozwój pleśni. Proces intensyfikuje się, gdy wentylacja pomieszczenia jest słaba.

W budynkach mieszkalnych problem ten dotyczy ponad 30% użytkowanych mieszkań i ze szczególną ostrością występuje w mieszkaniach z wentylacją grawitacyjną, zwłaszcza po wymianie nieszczelnych okien na szczelne, nowoczesne.

Badania izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych budynku mieszkalnego za pomocą kamery termowizyjnej

Badaniom kamerą termowizyjną poddano budynek mieszkalny wielorodzinny z 38 lokalami mieszkalnymi, z 6 kondygnacjami nadziemnymi i jedną kondygnacją podziemną na komórki lokatorskie. Budynek został wybudowany w latach 70. XX wieku i od tego czasu został poddany termomodernizacji. Inwestycję termomodernizacyjną przeprowadzono stosownie do wymagań w zakresie izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych ówczesnego okresu.

W inwentaryzacji słabych miejsc w budynku, a szczególnie z powodu braku izolacji cieplnej przegród zewnętrznych, zastosowano kamerę termowizyjną.

Na RYS. 6, RYS. 7 i RYS. 8 zamieszczono termogramy z ekspertyzy opracowanej przez autorów artykułu, dokumentującej miejsca i przyczyny wykraplania wilgoci na wewnętrznych powierzchniach badanego budynku mieszkalnego [1].

Po obliczeniu współczynnika przenikania ciepła U dla istniejących przegród zewnętrznych analizowanego budynku mieszkalnego [1] (ściany zewnętrzne, dach, stolarka okienna) okazało się, że nie spełniają one warunków izolacyjności stawianych obecnie przez Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Jednocześnie stwierdzono, że optymalny wariant przeprowadzenia termomodernizacji w tym budynku to poprawa parametrów izolacyjnych przegród zewnętrznych i dostosowanie ich co najmniej do wymagań, które będą obowiązywać w 2021 r.

Obliczenia w zakresie wynikającym z przepisów budowlanych dotyczących charakterystyki energetycznej budynku wykonano za pomocą programu Audytor OZC 6.6 Pro.

Otrzymane wyniki z obliczeń, jako szczegółowe zestawienie strat ciepła [kW] w budynku, a także zapotrzebowanie na cieplną energię końcową i pierwotną [kWh/(m2·rok)] wraz z rezultatami z badań kamerą termowizyjną umożliwiły określenie zarówno przyczyn powstawania niekorzystnych zjawisk, jak i ich zakresu w budynku.

Analiza obliczeń wykazała, że najwięcej ciepła budynek traci przez wentylację grawitacyjną, okna zewnętrzne o przestarzałych parametrach oraz ściany zewnętrzne i dach. Na RYS. 7 i RYS. 8  zamieszczono termogramy z kamery termowizyjnej ilustrujące badane miejsca budynku.

Nawiązując do obliczeń cieplnych zgodnych z obowiązującymi przepisami, a także do rezultatów ze zdjęć termowizyjnych, można stwierdzić, że analizowany i badany budynek mieszkalny ma strukturę strat ciepła przez poszczególne przegrody zewnętrzne, jak przedstawiono na RYS. 9.

W projekcie zakresu termomodernizacji [1] ze względu na trójwarstwową konstrukcję ściany zaprojektowano, że ściana elewacyjna nie będzie rozbierana, a wymagana izolacja cieplna - 15 cm styropianu - zostanie zamocowana do tej ściany i pokryta tynkiem, zgodnie z technologią ETICS.

Ocieplenie zaprojektowano również na poddaszu, jako warstwę wełny mineralnej o grubości 30 cm. Izolacja ta zostanie ułożona na folii paroizolacyjnej, co wydatnie ograniczy straty ciepła, a współczynnik przenikania ciepła U = 0,130 W/(m2·K) będzie niższy niż standard, który będzie obowiązywać od 2021 roku.

Termomodernizacja zakłada również wymianę stolarki okiennej i drzwiowej na nowoczesną, trzyszybową, a przede wszystkim odpowiadającą najnowszym wymaganiom technicznym w zakresie przenikania ciepła U = 0,7 W/(m2·K).

Przed termomodernizacją wskaźnik zapotrzebowania na ciepło EP wynosił 169,3 kWh/(m2·rok), co klasyfikowało analizowany budynek do grupy budynków energochłonnych. Termomodernizacja sprawiła, że zapotrzebowanie to spadło do wartości 52,6 kWh/(m2·rok). Według klasyfikacji opracowanej przez Stowarzyszenie na Rzecz Zrównoważonego Rozwoju świadczy to o poprawieniu parametrów energetycznych o trzy klasy -termomodernizowany budynek spełnia warunki budynku energooszczędnego, co jest bardzo dobrym wynikiem. Pozwoli to znacznie zredukować koszty ogrzewania bez względu na dobór źródła ciepła.

Obecnie w polskim prawie brak jest zdefiniowanych wartości dopuszczalnych dotyczących zużycia energii przez cały budynek.

Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, określa jedynie graniczne wartości odnośnie do izolacyjności przegród. Analizowany budynek po termomodernizacji je spełnia (TAB. 4 i TAB. 5).

Przeprowadzenie termomodernizacji analizowanego budynku mieszkalnego spowodowało ponadtrzykrotne zmniejszenie strat ciepła oraz ogólnego zapotrzebowania na ciepło budynku. Pozwoliło to również na osiągnięcie bardzo dobrych parametrów, jeżeli chodzi o izolacyjność cieplną.

Budynek, do tej pory uznawany za energochłonny, po modernizacji zaczął spełniać kryteria budynku energooszczędnego, w którym koszty ogrzewania zmniejszyły się co najmniej dwukrotnie.

Wybór optymalnego systemu ogrzewania i wentylacji budynku mieszkalnego poddawanego termomodernizacji

Po analizie ustalono, że modernizowana instalacja grzewcza powinna pracować przy niskich parametrach, co umożliwia uzyskanie najwłaściwszego pod względem fizjologii ludzkiego organizmu rozkładu temperatury w pomieszczeniach, bliskiego idealnemu (RYS. 10).

Niższa temperatura w obiegu grzewczym wymusza większą powierzchnię wymienników ciepła. W konwencjonalnych systemach ogrzewania temperatura zasilania zawiera się w przedziale 70-90°C. Wysokie temperatury sprzyjają występowaniu znacznych strat ciepła.

W systemach niskotemperaturowych temperatura czynnika grzewczego instalacji nie przekracza 55°C, co wymusza zastosowanie odpowiednich rozwiązań i typów wymienników. Instalacyjnie najlepiej sprawdzają się powierzchniowe systemy grzewcze - ogrzewanie podłogowe, ogrzewanie  ścienne oraz ogrzewanie sufitowe. Znacznie rzadziej stosowane są grzejniki konwektorowe oraz systemy ogrzewania powietrznego.

Wybór odpowiedniego systemu ogrzewania ma ogromny wpływ na wydajność źródła ciepła, rozkład temperatury w pomieszczeniu oraz komfort cieplny lub dyskomfort przekładający się bezpośrednio na samopoczucie mieszkańców.

Duży wpływ na jakość powietrza, jego wilgotność, prędkość przepływu oraz udział promieniowania w wymianie cieplnej ma zastosowany rozdział powietrza oraz rodzaj instalacji wentylacyjnej (instalacja grawitacyjna, instalacja mechaniczna) w powiązaniu z rodzajem zastosowanej instalacji do ogrzewania budynku.

Niekwestionowaną zaletą powierzchniowych systemów grzewczych jest akumulacyjność cieplna mająca znaczny wpływ na obniżenie kosztów eksploatacji [1-3, 9-10].

Instalacja ogrzewania podłogowego cechuje się dużą bezwładnością cieplną, z powodu której system ogrzewania pomieszczeń bardzo wolno reaguje na regulację (zmianę) temperatury pomieszczenia, co powoduje utrzymanie stabilnej temperatury w pomieszczeniach przez długi czas. Dzięki temu zjawisku redukowane są skutki nierównomierności obciążeń cieplnych w ciągu doby, związane ze zmianami temperatury.

Dodatkową zaletą jest brak grzejników oraz rur w pomieszczeniu, umożliwiający swobodną aranżację wnętrza, w tym zastosowanie dowolnego pokrycia podłóg i umeblowania pomieszczenia.

Wadą są wyższe koszty inwestycyjne oraz koszty ewentualnych napraw [2-3].

Temperatura zasilania ogrzewania podłogowego wynosi ok. 38°C, co oznacza temperaturę podłogi ok. 31°C, zaś w strefie przebywania ludzi utrzymuje się temperatura +20 ± 2°C.

Do zastosowania możliwe są dwie technologie układania systemu rur ogrzewania podłogowego - sucha i mokra:

• w suchej rury grzewcze układane są w rowkach w izolacji podłogowej,
• w mokrej - zanurzone w warstwie posadzki układanej na stropie konstrukcyjnym, z oddzieleniem warstwą izolacji termicznej pełniącej głównie rolę izolacji akustycznej.

W instalacji ogrzewania podłogowego izolacja termiczna jest niezbędna, aby ciepło nie było tracone w dół i aby jak najwięcej tego ciepła przekazać do danego pomieszczenia.

Wadą drugiej metody jest stosunkowo długi czas (3-4 tygodnie) wiązania warstwy posadzki, która jest wykonywana z materiałów na bazie zaprawy cementowej z uszlachetniaczami, a niekiedy z gotowych mieszanek, oraz przenoszenie przez nią naprężeń związanych z rozszerzalnością cieplną rur ogrzewania podłogowego.

Dzięki małej różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem grzewczym a pomieszczeniem system ten ma zdolność do samoregulacji. Temperatura w instalacji ogrzewania podłogowego spada, gdy temperatura w pomieszczeniu się podnosi.

Rozkład temperatur w strefie przebywania ludzi w pomieszczeniu jest bardzo korzystny i zbliżony do idealnego, w którym najwyższa temperatura panuje na dole, a najniższa pod sufitem, co przedstawia RYS. 10. Gęstość strumienia ciepła, jaki przekazuje ogrzewanie podłogowe, wynosi około 60-100 W/m2.

Systemy rur grzewczych można umieścić również w ścianach pod tynkiem bądź w suficie, a także w betonowym stropie konstrukcyjnym.

Uwzględniając przedstawione powyżej uwarunkowania funkcjonalne analizowanego i badanego budynku mieszkalnego, rozpatrywano następujące źródła ciepła:

• Ź1: pompa ciepła (PC) solanka/woda z gazowym kotłem kondensacyjnym (GKK), proporcja mocy: 30% PC i 70% GKK; układ współpracuje z gruntowym wymiennikiem ciepła (GWC) o wydajności 70% zapotrzebowania na ciepło budynku.
• Ź2: pompa ciepła powietrze/woda, gazowy kocioł kondensacyjny, proporcja mocy: 30% PC i 70% GKK; układ współpracuje z kotłem opalanym ekogroszkiem (KOEGR) o wydajności 50% zapotrzebowania na ciepło budynku.

Według metody rachunku kosztów odniesionych do cyklu życia budynku LCC (Life Cycle Costs) to właśnie pompa ciepła typu powietrze/woda z kombinacją gazowego kotła kondensacyjnego w układzie współpracy z kotłem opalanym ekogroszkiem jest najbardziej opłacalnym wariantem (Ź2).

W rozwiązaniach instalacji wentylacji budynków mieszkalnych stosowane są trzy systemy wentylacyjne:

• system grawitacyjny,
• system mechaniczny wywiewny,
• system mechaniczny nawiewno-wywiewny.

System wentylacji grawitacyjnej to wciąż najczęściej spotykany system wentylacji. System ten nie zapewnia praktycznie żadnej kontroli nad strumieniem objętości powietrza wentylacyjnego i jest bardzo wrażliwy zarówno na zmianę warunków panujących w pomieszczeniu, jak i zewnętrznych warunków atmosferycznych.

W tym systemie wpływ na pracę instalacji wentylacji grawitacyjnej ma szczelność stolarki budowlanej. Coraz szczelniejsze okna obniżają jej skuteczność, a właściwe funkcjonowanie instalacji może uniemożliwić także nieprawidłowo zaprojektowany przepływ powietrza przez pomieszczenia mieszkalne.

System wentylacji mechanicznej wywiewnej bardzo często stosowany jest przy modernizacji budynków. Sprowadza się on najczęściej do montażu wentylatorów wywiewnych na kratkach instalacji grawitacyjnej. Zastosowanie systemu wentylacji mechanicznej wywiewnej powoduje uniezależnienie się od warunków zewnętrznych oraz umożliwia prawidłowe zaplanowanie przepływu powietrza w mieszkaniu.

Zastosowanie zbyt szczelnej stolarki budowlanej może jednak spowodować niewłaściwą pracę instalacji i zaprojektowane strumienie powietrza wentylacyjnego nie zostaną osiągnięte.

Stosowanie instalacji wentylacyjnej wywiewnej powoduje również niekontrolowany napływ powietrza infiltracyjnego do mieszkania.

System wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej jest zdecydowanie najskuteczniejszy. Całkowicie uniezależnia on warunki panujące w pomieszczeniu od warunków na zewnątrz budynku, pozwala na właściwe zaprojektowanie przepływu powietrza w mieszkaniu, a także na utrzymanie zaprojektowanych strumieni objętości powietrza. W układach tych powietrze doprowadzane jest niezależnym systemem przewodów i dlatego powinna zostać zachowana wysoka szczelność stolarki okiennej.

Ten system w budownictwie jedno- i wielorodzinnym dotychczas stosowany jest rzadko, co wynika przede wszystkim z wyższych kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych budynku. Wyposażenie tej instalacji w skuteczny i wysokosprawny układ do odzyskiwania ciepła [2-3, 9, 11-12] koszty te znacznie obniża.

Odzysk ciepła w wentylacji jest obecnie obowiązkiem prawnym zawartym w warunkach technicznych i rozporządzeniach o zasięgu Unii Europejskiej i krajowym.

Podsumowanie

Na podstawie analiz cieplnych oraz zdjęć przegród zewnętrznych w stanie istniejącym, otrzymanych w technice termowizyjnej, badany budynek mieszkalny, aby z budynku energochłonnego stać się budynkiem o standardach lepszych niż te, które będą obowiązywać po 2021 r.. musi podlegać następującym działaniom termomodernizacyjnym:

• ściany zewnętrzne wymagają ocieplenia warstwą styropianu grubości 15 cm z tynkiem wg technologii ETICS,
• dach wymaga ocieplenia warstwą wełny mineralnej o grubości 30 cm, ułożonej na folii paroizolacyjnej,
• źródło ciepła stanowić będą: pompa ciepła powietrze/woda, gazowy kocioł kondensacyjny; układ współpracuje z kotłem opalanym ekogroszkiem (KOEGR), proporcja mocy: 30% PC i 70% GKK, KOEGR o wydajności 50% zapotrzebowania na ciepło budynku,
• ogrzewanie podłogowe,
• wentylacja wywiewna mechaniczna, zgodna z wymaganiami sanitarnymi, czyli kuchnie 50 m³/h, łazienki 50 m³/h, garderoby 30 m³/h, na jeden lokal 130 m³/h,
• stolarka okienna o współczynniku przenikania ciepła U = 0,700 W/(m²·K),
• obniżenie zapotrzebowania budynku na energię pierwotną z 169,3 na 52,6 kWh/(m²·rok).

Literatura

1. K.P. Kasprzak, "Analiza techniczno-ekonomiczna systemów grzewczych z pompą ciepła w istniejącym budynku mieszkalnym poddanym termomodernizacji", praca dyplomowa, kierownik: J. Wasilczuk, WSEiZ, Warszawa 2016.
2. W. Oszczak, "Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła", Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2009.
3. M. Sobiech, J. Wasilczuk, "Nowoczesne systemy instalacyjne w budownictwie i zagrożenia w przypadku niewłaściwej obsługi i konserwacji", XXX konferencja z cyklu EKOMILITARIS pt. "Inżynieria bezpieczeństwa - ochrona przed skutkami nadzwyczajnych zagrożeń", WAT, Zakopane 13-16.09.2016.
4. J. Wasilczuk, M. Sobiech, "Problemy jakości powietrza w budownictwie mieszkalnym", XXX konferencja z cyklu EKOMILITARIS pt. "Inżynieria bezpieczeństwa – ochrona przed skutkami nadzwyczajnych zagrożeń", WAT, Zakopane 13-16.09.2016 r.
5. G. Bartnicki, B. Nowak, "Zużycie ciepła do ogrzewania mieszkań budynku wielorodzinnego w zależności od ich lokalizacji i okresu sezonu grzewczego", "INSTAL" 4/2017, s. 24-30.
6. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002 Nr 75 poz. 690 z późniejszymi zmianami).
7. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015 poz. 376).
8. J. Wasilczuk, M. Sobiech, J. Gaj, "Nietypowe zagrożenia związane z funkcjonowaniem i eksploatacją systemów instalacyjnych na terenach zurbanizowanych", [w:] "Ochrona przed skutkami nadzwyczajnych zagrożeń", t. 2, WAT, praca zbiorowa, s. 423-440, Warszawa 2011.
9. M. Piotrowski, "Analiza wariantowych rozwiązań konstrukcji domów jednorodzinnych ze szczególnym uwzględnieniem systemów grzewczych", praca dyplomowa, kierownik: J. Wasilczuk, WSEiZ, Warszawa 2016.
10. J. Wasilczuk, M. Sobiech, "Modernizacja instalacji grzewczej przeprowadzana w następstwie termomodernizacji budynku", „MAZOWSZE Studia Regionalne” 20/2017.
11. J. Makowiecki, M. Rosiński, "Wentylacja i klimatyzacja w budownictwie", [w:] "Nowoczesne technologie dla budownictwa", WAT, praca zbiorowa, s. 66–87, Warszawa 2007.
12. M. Sobiech, J. Wasilczuk, A. Koss, "Splity w muzeach i laboratoriach", "Chłodnictwo i Klimatyzacja" 5/2005.
13. A. Rusowicz, "Filtracja w małych klimatyzatorach", "Chłodnictwo i Klimatyzacja" 5/2005.
14. Dyrektywa 2002/91/WE z 16 grudnia 2002 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynku.
15. PN EN 12831, "Instalacje ogrzewcze w budynkach - metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!