Termomodernizacja budynków historycznych

Samo określenie sposobu ograniczenia zużycia energii budynków historycznych jest zadaniem trudnym. Możliwość wykonania standardowych usprawnień termomodernizacyjnych, stosowanych w przypadku budownictwa współczesnego komplikuje się np. wówczas, gdy elementy dekoracyjne zostały objęte ochroną konserwatorską.

Wymaga to rozwiązania zagadnień obejmujących izolacyjność termiczną obudowy, głębokość przemarzania, wpływ mostków termicznych, kondensację powierzchniową i wgłębną, rozszerzalność termiczną, pojemność oraz stateczność cieplną [2].

Przyjmowane rozwiązania nie mogą powodować pogorszenia stanu technicznego obiektu i muszą być realizowane z poszanowaniem oryginalnej i historycznej tkanki budowlanej, a dodatkowo powinny być rentowne [3].

Czytaj również: Piana PUR - wysoce efektywne ocieplanie natryskowe >>

Termomodernizacja - wymagania prawne oraz stosowane rozwiązania

Zgodnie z aktualnie obowiązującymi przepisami techniczno-budowlanymi zawartymi w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4], budynek podlegający przebudowie musi spełniać następujące kryteria w zakresie zagadnień cieplno-wilgotnościowych:

• zapewniać odpowiednią izolacyjność termiczną przegród zewnętrznych stanowiących granicę termiczną budynku, a podlegających przebudowie,
• uniknięcia kondensacji międzywarstwowej w przegrodach zewnętrznych,
• uniknięcia krytycznej temperatury powierzchni wewnętrznej przegrody mogącej spowodować rozwój grzybów pleśniowych – w polu przegrody oraz węzłach,
• zapewnić szczelność powietrzną złączy między przegrodami oraz węzłów,
• mieć ograniczoną powierzchnię okien, przegród szklanych i przezroczystych,
• ograniczenia ryzyka przegrzania pomieszczeń latem.

Kryterium związane z jakością termiczną przegród budowlanych, określone głównie współczynnikiem przenikania ciepła (w przypadku podłóg na gruncie pomieszczeń ogrzewanych warunkuje się również wartość graniczną - minimalną - oporu cieplnego warstwy izolacji termicznej [5]), z mocy zapisów dyrektywy EPBD [6] będzie zaostrzane w kolejnych latach, tj. w 2017 r. i 2021 r. [4].

W istniejących budynkach warunek ten można spełnić przez wykonanie wtórnych izolacji termicznych po stronie zimnej przegrody (rozwiązanie najbardziej poprawne). W przypadku stropów pod nieogrzewanymi poddaszami lub nad piwnicami w większości przypadków nie ma utrudnień z ocieplaniem.

Typowym rozwiązaniem stropu nad poddaszami jest ocieplenie powierzchni wełną mineralną układaną na stropie lub między elementami konstrukcyjnymi (w przypadku stropów belkowych). Stropy piwnic coraz częściej, z uwagi na klasę A1 klasyfikacji ogniowej, izoluje się maszynowo układaną zaprawą termoizolacyjną na bazie granulatu wełny mineralnej oraz spoiwa cementowego [7].

Znacznie bardziej skomplikowane jest izolowanie ścian zewnętrznych, ponieważ często całe elewacje lub ich fragmenty objęte są ochroną konserwatorską. W tej sytuacji jedynym rozwiązaniem jest sytuowanie systemów docieplenia od strony wnętrza w jednym z dwóch podstawowych wariantów: "na sucho" lub "na mokro" [3].

W pierwszym wykorzystuje się system suchej zabudowy na podkonstrukcji - zwykle stelażu z kształtowników stalowych, z wypełnieniem izolacją termiczną oraz uzupełnieniem układu przez niezbędne izolacje i powłoki paroszczelne.

W drugim przypadku można stosować izolacje w formie płyt przyklejane do powierzchni przegród lub wprowadzać tynki termoizolacyjne.

Niezależnie od przyjętej metody, izolacja od strony wewnętrznej wiąże się z:

• ograniczeniem powierzchni wnętrza,
• koniecznością korekty położenia grzejników oraz długości doprowadzonych gałązek instalacji centralnego ogrzewania,
• zmianą rozkładu temperatury w przekroju przegrody i przesunięciem izotermy 0°C w kierunku wnętrza obiektu,
• zwiększeniem ryzyka wystąpienia kondensacji wgłębnej na styku z reguły wtórnej izolacji termicznej i powierzchni pierwotnej konstrukcji oraz możliwymi konsekwencjami odnoszącymi się do stanu konstrukcji, w tym drewnianych elementów konstrukcyjnych,
• zwiększeniem udziału mostków termicznych w całkowitym bilansie potrzeb cieplnych budynku w wyniku niezachowania ciągłości warstwy termoizolacji,
• trudnością zapewnienia szczelności styków czy przejść instalacyjnych przez powłoki paronieprzepuszczalne.

W analizie poprawności rozwiązania wtórnych warstw przegrody należy również ocenić zagadnienia związane z transportem wilgoci.

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4], oraz normą PN-EN ISO 13788:2003 [8] ocenę jakości przegród budowlanych i detali (węzłów) wykonuje się przez porównanie czynnika temperaturowego wyznaczonego przy danych warunkach brzegowych (obejmujących parametry klimatu zewnętrznego i wewnętrznego oraz klasę obciążenia wilgocią pomieszczeń) z wartością graniczną czynnika w typowym roku meteorologicznym [9], wynikającą z lokalizacji analizowanego obiektu.

Wartość obliczeniowa bezwymiarowej temperatury powierzchni wewnętrznej przegrody lub węzła we wszystkich miesiącach typowego roku meteorologicznego powinna być większa niż wartość krytyczna. Do obliczeń przyjmuje się dane średnich miesięcznych wartości temperatury i wilgotności względnej powietrza zewnętrznego [10].

W związku z tym rozwiązania izolacji od strony wnętrza można również sklasyfikować jako ograniczające ilość pary wodnej wnikającej w izolowaną przegrodę przez system barier materiałowych oraz buforujące wilgoć i pozwalające na jej transport kapilarny i odparowanie z powierzchni wewnętrznej.

W przypadku izolacji wykonanej od strony wewnętrznej przegrody istotna jest zależność między buforowaniem wilgoci w postaci pary wodnej oraz kondensatu [1] i umożliwienie jej transportu w kierunku wnętrza obiektu, skąd powinna zostać usunięta przez system wentylacji.

Wybór rozwiązania izolacji termicznej powinien każdorazowo wynikać z oceny stanu zachowania przegrody pierwotnej oraz stanu jej zawilgocenia [1,3]. W realizacjach dociepleń ścian zewnętrznych projektanci stosują zróżnicowane rozwiązania wtórnej izolacji, w tym:

• wełnę mineralną z pustką powietrzną niewentylowaną/wentylowaną,
• styropian,
• poliuretan (PUR), poliizocyjanurat (PIR)
• płyty wapienno-krzemowe,
• izolacje celulozowe,
• beton komórkowy,
• płyty perlitowe.

Ocenę warunków cieplno-wilgotnościowych izolacji wykonanych od strony wnętrza obiektu można znaleźć w pracach wielu autorów, m.in. J. Adamkiewicza [1], D. Barnat-Hunek, A. Karwackiej, K. Stankiewicz, A. Kowalczyk [11], K. Kurtz, H. Garbalińskiej [12], A. Ostańskiej [3].

Szczegółową analizę przykładów najczęściej wykonywanych izolacji cieplnych od wewnątrz prezentują prace J. Adamkiewicza [1] i A. Ostańskiej, D. Barnat-Hunek [3], w których przedstawiono pierwotną zewnętrzną ścianę ceramiczną z izolacją wewnętrzną wykonaną z:

• aktywnej kapilarnie płyty ze sztywnej pianki poliuretanowej,
• gazobetonu,
• wełny mineralnej bez szczeliny powietrznej, z zastosowaniem oraz bez zastosowania izolacji przeciwwil-gociowej oraz wykończeniem płytami gipsowo-kartonowymi,
• wełny mineralnej ze szczeliną powietrzną oraz wykończeniem płytami gipsowo-kartonowymi,
• styropianu bez szczeliny powietrznej, z zastosowaniem oraz bez zastosowania izolacji przeciwwilgociowej oraz wykończeniem płytami gipsowo-kartonowymi,
• styropianu ze szczeliną powietrzną oraz wykończeniem płytami gipsowo-kartonowymi.

W pracach J. Adamkiewicza [1] i A. Ostańskiej, D. Barnat-Hunek [3] (a także często w praktyce) analizy wykonywane są tylko w odniesieniu do pola przegrody, w którym przyjmuje się jednokierunkowy przepływ ciepła i masy [8, 13].

Zgodnie z wymaganiami określonymi w przepisach techniczno-budowlanych [4], zakres analiz powinien być rozszerzony na węzły konstrukcyjne, co rzadko ma miejsce. Sytuacja ta wynika z dostępności prostych narzędzi do szybkiej oceny jednowymiarowego stanu cieplno-wilgotnościowego.

Analiza węzłów wymaga natomiast znajomości bardziej zaawansowanych technik oceny układów dwu- i trójwymiarowych i jest też pracochłonna.

Analiza poprawności rozwiązania izolacji wewnętrznej w węzłach

Analizę poprawności warunków cieplno-wilgotnościowych węzłów przedstawiono na przykładzie rozwiązań wewnętrznej, wtórnej izolacji termicznej przegród budynku wzniesionego w latach 30. XX w.

Ściany zewnętrzne obiektu, gr. 38 cm, murowane są z cegły ceramicznej z warstwą elewacyjną z cegły klinkierowej oraz wykończeniem wyprawą cementowo-wapienną od strony wnętrza.

Stropy wykonano jako masywne ceramiczno-betonowe oraz żelbetowe.

Nadproża okienne i drzwiowe to kształtowniki stalowe lub prefabrykowane elementy żelbetowe.

Konstrukcja więźby dachowej jest drewniana.

Elewacje budynków, w tym indywidualne wykończenie opasek drzwi wejściowych oraz kompozycję obiektu, przewidziano do objęcia ochroną konserwatorską.

W wykonanym projekcie budowlanym i wykonawczym zmiany sposobu użytkowania obiektu wraz z przebudową i termomodernizacją obudowy przyjęto rozwiązanie ocieplenia ścian zewnętrznych, stropów oraz ścian prostopadłych do przegród zewnętrznych od strony wnętrza budynku.

Przyjęto system suchej zabudowy, z wykorzystaniem kształtowników stalowych o szer. 100 mm, wełny mineralnej wypełniającej szkielet, izolacji przeciwwilgociowej oraz wykończenia od strony wnętrza płytami gipsowo-kartonowymi. Między oryginalną przegrodą oraz warstwami wtórnymi przewidziano zachowanie szczeliny powietrznej niewentylowanej gr. 40 mm.

Z analiz jednowymiarowych stanu cieplno-wilgotnościowego przeprowadzonych dla proponowanego rozwiązania (analogicznych do prezentowanych w pracach J. Adamkiewicza [1] oraz A. Ostańskiej i D. Barnat-Hunek [3]) ustalono, że rozwiązanie w polu przegrody nie powoduje zagrożenia transportu wilgoci dla istnie-jącej struktury. Obliczeniowo wykazana kondensacja pary wodnej w przekroju przegrody powinna wysychać w sezonie letnim. Dalszą analizę przeprowadzono w obrębie powierzchni węzłów.

Rozkład izoterm oraz temperaturę minimalną na wewnętrznej powierzchni węzłów określono z wykorzystaniem programu komputerowego Therm [16], przy założeniu warunków brzegowych charakterystycznych dla lokalizacji obiektu.

Z przeprowadzonych analiz wstępnych określono miesiąc krytyczny, którym dla obiektu jest styczeń, opisany średnią miesięczną wartością temperatury powietrza zewnętrznego 1,1ºC oraz wilgotnością względną powietrza 89%.

Na RYS. 1, RYS. 2, RYS. 3, RYS. 4, RYS. 5, RYS. 6, RYS. 7, RYS. 8, RYS. 9, RYS. 10, RYS. 11, RYS. 12, RYS. 13, RYS. 14, RYS. 15, RYS. 16 i RYS. 17 przedstawiono rozkład izoterm z minimalną temperaturą na powierzchni wewnętrznej oraz czynnikiem temperaturowym obliczonym na podstawie normy PN-EN ISO 13788:2002 [8] w odniesieniu do wybranych węzłów analizowanego budynku.

Z wyznaczonych rozkładów temperatury w wybranych detalach połączeń komponentów budowlanych budynku wynika, że nie został w nich zachowany warunek związany z utrzymaniem na powierzchni wewnętrznej detalu temperatury uniemożliwiającej powstanie warunków cieplno-wilgotnościowych sprzyjających rozwojowi grzybów pleśniowych. W przypadku progu drzwi zewnętrznych będzie następowało przemarzanie w warunkach ujemnych temperatur zewnętrznych.

Przedstawione przykłady detali, poza formalnym niespełnieniem warunków określonych w przepisach techniczno-budowlanych [4], w praktyce mogą przyczynić się do pogorszenia warunków użytkowania budynku oraz mieć pośredni lub bezpośredni wpływ na jego stan techniczny.

W związku z tym przed podjęciem decyzji o wprowadzeniu nowych rozwiązań konieczna jest dogłębna analiza przewidywanych warunków pracy istniejącej struktury w nowych warunkach.

W przypadku ocieplenia przegród od strony wewnętrznej analizę taką należy wykonać nie tylko dla pola przegrody, lecz także w węzłach, w których przewidywane jest obniżenie temperatury na powierzchni wewnętrznej.

Podsumowanie

Naturalne niedostosowanie budynków dawnych do współczesnych wymagań użytkowych stanowi częsty problemem:

• technologie i materiały, często innowacyjne w chwili wznoszenia obiektu, przy współczesnym dynamicznym rozwoju rynku budowlanego wydają się przestarzałe i mało wydajne;
• zastosowane w budynkach historycznych rozwiązania implikują wysokie potrzeby energetyczne w zakresie ogrzewania, a w konsekwencji generuja wysokie koszty utrzymania;
• względy finansowe oraz niski komfort termiczny skutkują ich niekonkurencyjnością w odniesieniu do warunków oferowanych przez współczesne obiekty, co często sprzyja sytuacji zaprzestania ich użytkowania [14].

Istniejąca historyczna tkanka budowlana tworzy jednak obraz kulturowy i tożsamość danego obszaru i zawiera znaczną ilość energii wbudowanej, czyli zużytej w procesie wznoszenia obiektu (w tym na produkcję materiałów budowlanych, ich transport czy energii zużytej przez sprzęt wykorzystany w pracach), która w analizie cyklu życia budynku stanowi istotną składową w ocenie potencjału redukcji zużycia energii w budynkach zarówno dawnych, jak i współczesnych.

Wszelkie działania prowadzone na istniejącej tkance budowlanej przed podjęciem decyzji projektowej i realizacją wymagają zebrania dużej ilości informacji o obiekcie, najlepiej w postaci oryginalnej dokumentacji, opinii i ekspertyz, bo taka dogłębna analiza stanu istniejącego i próba wskazania problemów, z którymi boryka się istniejąca tkanka, oraz znalezienia ich bezpośrednich przyczyn dają szansę na prawidłowe dobranie działań naprawczych oraz dostosowanie technologii i materiałów celem uzyskania długotrwałego efektu podejmowanych prac.

W przypadku budynków dawnych często się zdarza, że bezpośrednie ulepszenia termomodernizacyjne muszą zostać poprzedzone dodatkowymi działaniami w zakresie np. poprawy statyki wybranych ustrojów obiektu (np. naprawą nadproży) czy wykonania lub odtworzenia izolacji przeciwwilgociowych przyziemia budynku.

Doprowadzenie istniejących budynków do stanu spełnienia współczesnych wymagań w zakresie oszczędności energii wiąże się ze znacznymi kosztami. W praktyce okazuje się, że nie wszystkie działania termomodernizacyjne są racjonalne ekonomicznie i ekologicznie, stąd proponowane rozwiązania powinny podlegać procedurze optymalizacji.

Z prowadzonych analiz, przedstawionych w pracy "Poprawa standardu energetycznego budynków historycznych" [14], wynika, że możliwe do realizacji w obrębie budynków dawnych usprawnienia pozwalają uzyskać istotną oszczędność zużycia energii, nawet rzędu kilkudziesięciu procent, w zależności od możliwego zakresu prac.

Ponadto z założenia racjonalności podejmowanych działań wynika, że opracowanie projektowe powinno zostać poprzedzone sporządzeniem dla inwestycji audytu energetycznego oraz studium wykonalności inwestycji, a zakres proponowanych działań każdorazowo powinien być powiązany ze stanem struktury budynku, jego techniki instalacyjnej, nałożonych ograniczeń prawnych oraz technicznych czy technologicznych.

Należy jednak zwrócić uwagę, że usankcjonowane prawnie metody optymalizacji proponowanych ulepszeń [15] służą głównie ograniczeniu potrzeb cieplnych związanych z sezonem grzewczym i nie umożliwiają bezpośredniej racjonalizacji rozwiązań uwzględniających całoroczne potrzeby budynku.

Przykładowo, w budynkach o znacznym udziale zysków ciepła i powierzchni przegród szklanych stolarka okienna dobierana tylko z uwagi na ograniczenie strat ciepła w sezonie grzewczym oraz maksymalne wykorzystanie pasywnych zysków słonecznych będzie zawierać oszklenie o maksymalnej wartości współczynnika przepuszczalności promieniowania słonecznego, które poza tym sezonem sprzyjać będzie przegrzaniu wnętrza.

Poza opisanymi w referacie rozwiązaniami wtórnego ocieplenia w miejscach newralgicznych (miejscach występowania mostka termicznego) stosowana jest również metoda "in" [2]. Należy jednak jeszcze raz podkreślić, że proponowane dla danego obiektu rozwiązania powinny sprzyjać jego utrzymaniu w prawidłowym stanie cieplno-wilgotnościowym i nie stanowić przyczynku do pogorszenia stanu technicznego.

Warto również zwrócić uwagę, że dostępne na rynku narzędzia wspomagające pracę projektanta nie umożliwiają dokładnej oceny wpływu przebicia powłok paroizolacyjnych przez łączniki mechaniczne, a przez to pogorszenia właściwości tworzonych barier dyfuzyjnych.

W związku z tym należy zwrócić szczególną uwagę na możliwość powstania uszkodzeń w obrębie rozwiązań wykorzystujących m.in. wełnę mineralną do ocieplenia przegrody od strony wewnętrznej.

Literatura

1. J. Adamkiewicz, "Izolacje termiczne wykonywane na wewnętrznej stronie ścian osłonowych", strona internetowa: www.inzynierbudownictwa.pl.
2. R. Wójcik, "Ochrona przegród przed zawilgoceniem kondensacyjnym - docieplenie budynków od wewnątrz metodą "IN". Część I", "Materiały Budowlane", nr 3/2009, s. 19-21.
3. A. Ostańska, D. Barnat-Hunek, "Ocena efektywności dociepleń od strony wewnętrznej na przykładzie zabytkowego obiektu szpitalnego w Tworkach", „Wiadomości Konserwatorskie", nr 37/2014, s. 22-34.
4. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2013 poz. 926).
5. K. Łastawski, "Polska tożsamość narodowa w Europie", strona internetowa: http://www.klubinteligencjipolskiej.pl/2013/08/polska-tozsamosc-narodowa/.
6. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dn. 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (DzUrz UE L 153/13).
7. Aneks nr 1 do Aprobaty Technicznej AT/2007-10-0050, Katowice 2012.
8. PN-EN ISO 13788:2002, "Cieplno-wilgotnościowe właściwości użytkowe kompo­nentów budow­lanych i elementów budynku. Temperatura po­wierzchni wewnętrznej umoż­liwiająca uniknię­cie krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacja międzywarstwowa. Metoda obliczania".
9. "Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków", strona internetowa: www.mir.gov.pl.
10. K. Kasperkiewicz, "Obliczenia cieplne budynków. Poradnik", ITB, Warszawa 2012, s. 98.
11. D. Barnat-Hunek, A. Karwacka, K. Stankiewicz, A. Kowalczyk, "Analiza cieplno-wilgotnościowa przegród zewnętrznych ocieplonych od strony wewnętrznej", "Energy-saving and ecological materials, installations and Technologies In construction", Wydawnictwo PSW JPII, Biała Podlaska 2012, s. 9–18.
12. K. Kurtz, H. Garbalińska, "Zapewnienie właściwych warunków cieplno-wilgotno­ściowych w adaptowanych budynkach poprodukcyjnych", Ogólnopolska Konferencja GUNB "Problemy techniczno-prawne utrzymania obiektów budowlanych", Warszawa 2012.
13. PN-EN ISO 6946:2008, "Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania".
14. K. Kurtz-Orecka, P. Cierzniewski, "Poprawa standardu energetycznego budynków historycznych", "IZOLACJE", nr 11/12/2014, s. 58-62.
15. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 17 marca 2009 r. w sprawie szczegółowego zakresu i form audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a także algorytmu oceny opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego (DzU 2009 nr 43, poz. 346).
16. Therm, niekomercyjne oprogramowanie Lawrence Berkeley National Laboratory.
17. K. Kurtz, T. Łokietek, P. Cierzniewski, "Opinia techniczna nt. Willa Lentza - wytyczne w zakresie gospodarki energią do projektu zamiennego remontu i przebudowy", Szczecin 2010.
18. M. Wesołowska, "Ochrona przeciwwilgociowa budynku. Wybrane zagadnienia", strona internetowa: http://www.kup.piib.org.pl/tl_files/izba/dokumenty/szkolenia/ochrona­ przeciwwilgociowa­ budynku-dr­ inz-maria-wesolowska.pdf.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!