Termomodernizacja budynków mieszkalnych - wybrane aspekty

Od kilkunastu lat przepisy prawne związane z procesami projektowania, wznoszenia i eksploatacji budynków wymuszają takie rozwiązania technologiczne i organizacyjne, w wyniku których nowo wznoszone budynki zużywają w trakcie eksploatacji coraz mniej energii na ogrzewanie, wentylację i przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Zmiany maksymalnej wartości współczynnika przenikania ciepła U_max. wpływają na wielkość zużycia energii w trakcie eksploatacji budynków (TAB. 1).

Aby ilość energii cieplnej potrzebnej do użytkowania budynku zgodnie z jego przeznaczeniem można było utrzymać na racjonalnie niskim poziomie, przewidziano dwie metody, pozwalające spełnić wymaganie w nowo projektowanych budynkach:

• pierwsza polega na takim zaprojektowaniu przegród w budynku, aby wartości współczynników przenikania ciepła U [W/(m²·K)] przegród zewnętrznych, okien, drzwi oraz technika instalacyjna odpowiadały wymaganiom izolacyjności cieplnej,
•  druga to zaprojektowanie budynku pod kątem zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną na jednostkę powierzchni pomieszczeń o regulowanej temperaturze powietrza w budynku, lokalu mieszkalnym lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową – EP [kWh/(m²·rok)].

Według rozporządzenia [1] dopuszcza się dla budynku produkcyjnego, magazynowego i gospodarczego większe wartości współczynnika U niż U_C(max) oraz U_(max), jeśli uzasadnia to rachunek efektywności ekonomicznej inwestycji, obejmujący koszt budowy i eksploatacji budynku. Ponadto w budynku mieszkalnym, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej, produkcyjnym, magazynowym i gospodarczym podłoga na gruncie w ogrzewanym pomieszczeniu powinna mieć izolację cieplną obwodową z materiału izolacyjnego w postaci warstwy o oporze cieplnym co najmniej 2,0 m2·K/W, przy czym opór cieplny warstw podłogowych oblicza się zgodnie z normami PN-EN ISO 6946:2008 [2] i PN-EN ISO 13370:2008 [3].

Według wprowadzonych zmian w rozporządzeniu [1] wymagania cieplne dotyczą jednoczesnego spełnienia dwóch wymagań w zakresie współczynnika przenikania ciepła U [W/(m2·K)] – U_c ≤ U_c(max) dla pojedynczych przegród budynku oraz wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP [kWh/(m2·rok)] – EP ≤ EP_(max) dla całego budynku.

Wymagania minimalne, o których mowa w ust. 1 rozporządzenia [1], uznaje się za spełnione dla budynku podlegającego przebudowie – termomodernizacji, jeżeli przegrody oraz wyposażenie techniczne budynku podlegające przebudowie odpowiadają przynajmniej wymaganiom izolacyjności cieplnej określonym w załączniku nr 2 do rozporządzenia [1]. Ponadto należy pamiętać, że budynek powinien być zaprojektowany i wykonany w taki sposób, aby ograniczyć ryzyko przegrzewania budynku w okresie letnim (dotyczy przegród przezroczystych, tj. stolarki okiennej).

W trakcie projektowania i wykonywania docieplenia przegród zewnętrznych budynku należy pamiętać o wyeliminowaniu zjawiska kondensacji powierzchniowej (ryzyko rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych) oraz kondensacji międzywarstwowej.

Na podstawie prowadzonych analiz i ocen w zakresie termomodernizacji opracowano schemat w zakresie przedmiotowych działań w tym zakresie (RYS. 1).

Docieplenie przegród zewnętrznych i złączy budowlanych

Aby uzyskać odpowiednią izolacyjność cieplną przegród zewnętrznych w postaci współczynnika przenikania ciepła U [W/(m2·K)], należy dobrać odpowiednią grubość izolacji cieplnej w postaci: płyt styropianowych EPS, płyt styropianowych grafitowych, wełny mineralnej, płyt z pianki poliuretanowej PIR lub innych innowacyjnych materiałów, takich jak płyty aerożelowe, izolacje transparentne i izolacje próżniowe VIP. Do podstawowych metod ocieplenia ścian zewnętrznych od zewnątrz można zaliczyć:

• metodę ciężką mokrą, która polega na oklejeniu całych powierzchni ścian styropianem, zawieszeniu na stalowych bolcach siatek konstrukcyjnych z prętów stalowych i wykonaniu wyprawy zewnętrznej z trójwarstwowego tynku cementowo-wapiennego na siatce stalowej podtynkowej,
• metodę lekką mokrą, która polega na wykonaniu ocieplenia najczęściej ze styropianu, a następnie pokryciu go powłoką zewnętrzną, w skład której z reguły wchodzi warstwa zbrojona tkaniną szklaną oraz cienkowarstwowa wyprawa tynkarska lub okładzina ceramiczna; systemy oparte na tej technologii można podzielić na kilka podstawowych typów, opisanych szczegółowo w [4],
• metodę lekką suchą, która opiera się na wykonywaniu robót budowlanych bez prac mokrych; wykonywanie ocieplenia polega na przymocowaniu do ścian budynku rusztu drewnianego lub metalowego, ułożeniu między elementami rusztu materiału termoizolacyjnego i zamocowaniu gotowych elementów elewacyjnych.

Natomiast ocieplenie przegród zewnętrznych od wewnątrz projektowane i wykonywane jest w obiektach zabytkowych (budynki wpisane do rejestru zabytków lub objęte ochroną konserwatorską), obiektach o wartości architektonicznej (ciekawy charakter elewacji lub oryginalny wygląd budynku), obiektach o ograniczonych prawach własności (w przypadku gdy część ścian zewnętrznych znajduje się dokładnie na granicy działki) i obiektach użytkowanych czasowo (ogrzewanie czasowe w nieregularnych okresach).

Takie rozwiązanie wiąże się jednak ze zjawiskiem wnikania pary wodnej w strukturę przegrody i jej kondensacji. Na skutek niskiej temperatury otoczenia spada znacznie temperatura wewnątrz przegrody, powodując kondensację na styku warstwy konstrukcyjnej i izolacji cieplnej. Warstwa izolacji cieplnej od strony wewnętrznej przegrody oddziela konstrukcję muru od środowiska wewnętrznego, co wpływa na zmniejszenie pojemności cieplnej całego budynku i powoduje wprowadzenie całej warstwy konstrukcyjnej w strefę przemarzania (RYS. 2-3).

Podstawową zaletą ocieplenia od wewnątrz jest zmniejszenie ilości energii niezbędnej do ogrzania pomieszczeń o żądanej temperaturze oraz skrócenia czasu nagrzewania [5].

Do grupy materiałów do ocieplenia od wewnątrz można zaliczyć m.in. silikat wapienny, płyty mineralne, płyty rezolowe, płyty klimatyczne, płyty perlitowe, płyty z wełny drzewnej. Wartości parametrów fizykalnych przegród zewnętrznych i ich złączy zależą głównie od współczynnika przewodzenia ciepła λ [W·m-1·K-1)], współczynnika oporu dyfuzyjnego μ [-] oraz dyfuzyjnie równoważnej warstwy powietrza sd = μ · d [m] materiałów izolacyjnych. Szczegółową charakterystykę wybranych materiałów izolacyjnych przedstawiono w pracach [6, 7].

Należy podkreślić, że kształtowanie struktury materiałowej przegród zewnętrznych i złączy budowlanych po dociepleniu powinno opierać się na podstawie szczegółowych obliczeń i analiz prezentowanych w pracach [5, 8], uwzględniając kryterium cieplne i wilgotnościowe.

Najpopularniejszą metodą wykonywania izolacji termicznej ścian stała się metoda lekka mokra, która od 2009 r. w Polsce określana jest jako ETICS. Chociaż docieplenie metodą lekką mokrą wydaje się nieskomplikowana, to w trakcie realizacji i eksploatacji można napotkać na pewne niedoskonałości, ponieważ wiedza dotycząca zasad stosowania ociepleń była relatywnie niska i brakowało doświadczeń wykonawczych oraz nadzór i kontrole podczas robót budowlanych były niewystarczające i mało efektywne. Dlatego ważnym zagadnieniem jest ocena trwałości docieplenia budynku. Szczególnie jest to istotne w przypadku ponownego docieplenia ocieplonych ścian zewnętrznych w celu spełnienia obecnie obowiązujących przepisów prawnych i wymagań technicznych. Naprawy ocieplonych elewacji dotyczą zabiegów:

• kosmetycznych (np. mycie elewacji),
• powierzchniowych (wzmacnianie struktur tynkarskich i malowanie zabezpieczające),
• w zakresie usuwania uszkodzonych warstw i ponowne wykonywanie lub wymianę warstw zewnętrznych,
• w zakresie wykonywania dodatkowego ocieplenia na już istniejącym.

Należy podkreślić, że wykonywanie dodatkowego ocieplenia na już istniejącym stało się bardzo ważnym istotnym zagadnieniem remontowym wielu istniejących budynków mieszkalnych lub użyteczności publicznej. Dlatego też Instytut Techniki Budowlanej oraz organizacje zrzeszające producentów ociepleń starają się szczegółowo zapoznać z problematyką tego typu realizacji.

Zasadne staje się opracowanie wytycznych realizacji ociepleń wykonywanych na ociepleniach istniejących. W ostatnich latach powstały aprobaty techniczne wydane przez Instytut Techniki Budowlanej dla systemów uwzględniających możliwość mocowania do ścian ocieplonych nowego ocieplenia w zakresie spełnienia obowiązujących wymagań cieplnych. Obecne rozwiązania dotyczą jedynie systemów z zastosowaniem styropianu [9, 10].

Aby ograniczyć dodatkowe straty ciepła oraz możliwość obniżenia temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego, należy odpowiednio ukształtować układ materiałowy, przy zastosowaniu obliczeń numerycznych parametrów fizykalnych złączy przegród zewnętrznych.

Do analizy wybrano połączenie ściany zewnętrznej dwuwarstwowej z płytą balkonową (RYS. 4, RYS. 5-6, RYS. 7, RYS. 8-9, RYS. 10, RYS. 11-12):

• wariant I - typowa płyta wspornikowa,
• wariant II - płyta balkonowa ocieplona - dolna część płyty balkonowej,
• wariant III - płyta balkonowa ocieplona - dolna i górna część płyty balkonowej.

W TAB. 2 przedstawiono wyniki parametrów fizykalnych analizowanego złącza.

Do obliczeń przy zastosowaniu programu TRISCO przyjęto następujące założenia:

• budynek zlokalizowany w III strefie - temp. powietrza zewnętrznego Θ_e = –20°C, temp. powietrza wewnętrznego Θ_i = +20°C,
• wartości współczynników przewodności cieplnej materiałów budowlanych λ [W/(m·K)] przyjęto na podstawie tablic w [7],
• współczynniki przenikania ciepła U_c[W/(m²·K)] obliczono zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:2008 [2],
• warunki przejmowania ciepła na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni przegrody przyjęto zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:2008 [2] dla obliczenia wielkości strumieni cieplnych oraz zgodnie z normą PN-EN ISO 13788:2003 [10] przy obliczaniu temperatur i czynnika temperaturowego ƒ_Rsi,
• modelowanie analizowanych złączy wykonano zgodnie z zasadami sformułowanymi w normie PN-EN ISO 10211:2008 [12].

Usprawnienie systemu grzewczego w budynkach poddawanych termomodernizacji

Instalacja grzewcza w budynku musi spełniać wymagania przepisów techniczno-budowlanych, a także powinna uwzględniać wiedzę techniczną z zakresu rozwiązań energooszczędnych. Projektowany system powinien być systemem wysokosprawnym. Należy zaplanować wysokosprawne źródła ciepła, dołożyć wszelkich starań w celu obniżenia strat na przesyle czynnika grzewczego oraz, jeśli występuje zbiornik akumulacyjny, straty na akumulacji powinny być minimalne, a także optymalnie dobrać elementy odpowiedzialne za regulację i wykorzystanie ciepła.

Maksymalne możliwe sprawności można uzyskać według [14] m.in. poprzez:

• stosowanie kotłów kondensacyjnych,
• stosowanie pomp ciepła o wysokim współczynniku efektywności (COP),
• odpowiednie prowadzenie przewodów rozprowadzających czynnik grzejny (zwarta instalacja) oraz ich właściwą izolację cieplną,
• odpowiednią izolację zbiorników buforowych oraz dobrane do specyfiki ich pracy i użytkowania sterowanie ładowaniem i rozładowaniem,
• niskotemperaturowe systemy grzejne płaszczyznowe, grzejnikowe lub mieszane,
• dobór techniki regulacji i sterowania zapewniającej najwyższą efektywność regulacji w danej strukturze instalacji i przy danym sposobie użytkowania,
• stosowanie wysokosprawnych pomp pomocniczych charakteryzujących się niskim poborem mocy, skutkujące małym zużyciem energii pomocniczej.

Przy określeniu rocznego zapotrzebowanie na energię końcową EK [kWh/(m2·rok)] dostarczaną do budynku lub części budynku dla systemu grzewczego Q_K,H uwzględnia się sprawności wynikające z:

• regulacji i wykorzystania ciepła w przestrzeni ogrzewanej (η_H,e),
• przesyłu ciepła ze źródła ciepła do przestrzeni ogrzewanej (η_H,d),
• akumulacji ciepła w elementach pojemnościowych systemu ogrzewania (η_H,s),
• wytwarzania ciepła z nośnika energii lub energii dostarczanych do źródła ciepła (η_H,g).

Roczne zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną EP [kWh/(m2·rok)] określa efektywność całkowitą budynku. Dotyczy energii zawartej w źródłach, w tym paliwach i nośnikach, niezbędnej do pokrycia zapotrzebowania na energię końcową, z uwzględnieniem dodatkowych nakładów na dostarczenie tej energii do granicy budynku.

Wartość współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii dla systemów technicznych przyjmuje się na podstawie danych udostępnionych przez dostawcę tego nośnika energii lub energii. Uzyskanie niskich wartości wskazuje na nieznaczne zapotrzebowanie i tym samym wysoką efektywność energetyczną budynku.

Na stronach internetowych niektórzy dostawcy ciepła umieszczają wartości wskaźnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej. Osiągnięcie niskiej wartości wskaźnika wiąże się z zastosowaniem odnawialnych źródeł energii: energia słoneczna, energia wiatru, energia wody, energia geotermalna, biomasa oraz urządzeń wspomagających efektywne wykorzystanie OZE: kolektory słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne, pompy ciepła.

Aby osiągnąć odpowiednie parametry mikroklimatu wnętrza (temperatura, wilgotność i czystość powietrza), należy zaprojektować sprawny system wentylacyjny. Jednym z elementów może być rekuperacja, czyli proces odzyskania energii z zanieczyszczonego powietrza za pomocą rekuperatora.

Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła dostarcza świeże zewnętrzne filtrowane powietrze, usuwając powietrze zużyte o wysokiej zawartości CO2. Taka wymiana zachodzi przez cały rok i we wszystkich pomieszczeniach budynku. Nawet bez otwierania stolarki okiennej, bez dodatkowych strat energii, dochodzi do filtrowania powietrza na świeże, gwarantując komfort użytkowania pomieszczeń. Takie usprawnienie systemu wentylacyjnego powoduje wysokie oszczędności eksploatacyjne dotyczące ogrzewania pomieszczeń budynku (nawet do 50%) oraz oszczędności inwestycyjne na pompie ciepła (budynek z rekuperacją charakteryzuje się niższym wskaźnikiem zapotrzebowania na ciepło).

Każde działanie związane z usprawnieniem systemu instalacji w budynku stanowi integralny element szeroko rozumianej termomodernizacji.

Podsumowanie i wnioski

Termomodernizacja jest procesem bardzo złożonym obejmującym działania w zakresie: doboru odpowiedniego systemu docieplenia przegród zewnętrznych i złączy budowlanych, modernizacji lub wymiany systemu grzewczego i przygotowania ciepłej wody użytkowej, usprawnienia systemu wentylacji (np. zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła) oraz ograniczenia emisji CO2 do atmosfery.

Dobór metody docieplenia budynku powinien opierać się na szczegółowych obliczeniach cieplno-wilgotnościowych oraz miarodajnej ocenie stanu technicznego i cieplnego istniejącego budynku. Szczególną uwagę należy zwrócić na odpowiednie ukształtowanie układu warstw materiałowych złączy przegród po dociepleniu, np. połączenie ściany zewnętrznej z oknem czy też połączenie ściany zewnętrznej z płytą balkonową. Ocieplenie górnej i dolnej krawędzi płyty balkonowej minimalizuje straty ciepła w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψi [W/(m·K)] oraz wyeliminowanie ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej (RYS. 4, RYS. 5-6, RYS. 7, RYS. 8-9, RYS. 10, RYS. 11-12, TAB. 2).

Znacząca staje się także tematyka projektowania i wykonywania dociepleń na istniejące ocieplenia budynków. Takie działanie pozwoli na renowację budynku i minimalizację wpływu mostków cieplnych

Przy doborze rozwiązań materiałowo-technologicznych należy rozważyć wszystkie uwarunkowania techniczne i formalno-prawne. Zasadne jest także monitorowanie systemów ociepleń z różnych okresów realizacji w celu określenia stanu technicznego elewacji istniejących budynków oraz opracowania "wysokiej jakości" projektów "docieplenia na ocieplenie". Takie kompleksowe działanie pozwoli na poprawne wykonanie prac termomodernizacyjnych.

Dążenie do spełnienia wymagań dla osiągnięcia standardu budynku o niskim zużyciu energii, dla budynków poddawanych termomodernizacji, w zakresie wskaźnika EP (np. dla budynku jednorodzinnego, poniżej 70 kwh/[m2·rok)] wymaga:

• zaprojektowania przegród i złączy budowalnych zapewniających minimalne straty ciepła przez przenikanie (U_c ≤ U_cmax),
• doboru odpowiednich elementów instalacji c.o., c.w.u.,
• chłodzenia (ze szczególnym uwzględnieniem sprawności)
• oraz zastosowania odnawialnego źródła energii.

Należy także podkreślić, że wszystkie działania związane z termomodernizacją budynków powinny prowadzić do zapewnienia odpowiednich parametrów mikroklimatu wnętrza: temperatura, wilgotność i czystość powietrza. Często podczas eksploatacji budynków, mimo podjętych działań, ww. parametry odbiegają od wartości normatywnych. W związku z powyższym należy podkreślić, że termomodernizacja powinna dotyczyć wszystkich etapów procesu inwestycyjnego: projektowania, wykonania i eksploatacji.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2017 r. poz. 2285).
2. PN-EN ISO 6946:2008, "Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania".
3. PN-EN ISO 13370:2008, "Cieplne właściwości użytkowe budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metoda obliczania".
4. M. Gaczek, J. Jasiczak, M. Kuiński, M. Siewczyńska, "Izolacyjność termiczna i nośność murowanych ścian zewnętrznych. Rozwiązania i przykłady obliczeń", Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2011.
5. M. Wesołowska, K. Pawłowski, "Aspekty związane z dostosowaniem obiektów istniejących do standardów budownictwa energooszczędnego", praca wydana w ramach projektu finansowanego ze środków funduszy norweskich i środków krajowych, Agencja Reklamowa TOP, Włocławek 2016.
6. M. Dybowska-Józefiak, K. Pawłowski, "Analiza rozwiązań materiałowych przegród zewnętrznych ocieplonych od wewnątrz", "Materiały budowlane" 1/2017, s. 31-33.
7. K. Pawłowski, "Innowacyjne rozwiązania materiałów termoizolacyjnych w aspekcie modernizacji budynków w Polsce", "IZOLACJE" 3/2018, s. 48-64.
8. K. Pawłowski, "Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy", Grupa MEDIUM, Warszawa 2016.
9. P. Gaciek, "Metody docieplania budynków na starych systemach dociepleń", "IZOLACJE" 3/2012, s. 26-29.
10. "Ocieplenie na ocieplenia - zalecenia dotyczące renowacji istniejącego systemu ETICS", Stowarzyszenie na Rzecz Systemów Ociepleń, wyd. I, Warszawa 2012.
11. PN-EN ISO 13788:2003, "Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej umożliwiająca uniknięcie krytycznej wilgotności powierzchni wewnętrznej kondensacji. Metody obliczania".
12. PN-EN ISO 10211:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe".
13. K. Pawłowski, "Termomodernizacja a mostki cieplne w budownictwie", „Przewodnik Projektanta” 2/2018, s. 10-14.
14. "Poradnik w zakresie poprawy charakterystyki energetycznej budynków", Ministerstwo Infrastruktury i Budownictwa, Warszawa 2016.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!