Rewitalizacja osiedli z budynkami wielkoblokowymi w aspekcie analizy energetycznej

Transkrypt

1 Rewitalizacja osiedli z budynkami wielkoblokowymi w aspekcie analizy energetycznej Dr inż. Magdalena Grudzińska, dr inż. Anna Ostańska, Politechnika Lubelska 1. Wprowadzenie Rys. 1. Widok budynków wielkoblokowych po II i III etapie docieplenia W artykule przedstawiono propozycję zakresu analiz umożliwiających wskazanie miejsc o zwiększonej ucieczce ciepła w budynkach wielkoblokowych, oraz wyniki badań przeprowadzonych na jednym z lubelskich osiedli. Badania te są pomocne w opracowaniu programu kompleksowej rewitalizacji dzielnic z zabudową prefabrykowaną, uwzględniającej aspekt społeczny, techniczny, energetyczny i architektoniczny. Wstępną ocenę stanu termicznego budynków umożliwiła termografia przegród zewnętrznych i wewnętrznych, szczególnie narażonych na kondensację wilgoci z uwagi na wady technologiczne systemu wielkoblokowego oraz błędy w sposobie prowadzenia prac ociepleniowych. Analizę energetyczną kontynuowano poprzez symulacje komputerowe pola temperatury w węzłach konstrukcyjnych na różnych etapach prac ociepleniowych. Wyniki badań pozwoliły wyodrębnić elementy wymagające dalszych prac termomodernizacyjnych oraz ocenić skuteczność proponowanych sposobów likwidacji istniejących mostków termicznych. 2. Krótki opis osiedla oraz dotychczasowych prac termomodernizacyjnych Osiedle Moniuszki jest kompleksem mieszkaniowym z usługami handlowymi, administracyjnymi i kulturalnymi. W jego skład wchodzi 17 budynków, w tym 15 mieszkalnych. Osiedle zajmuje obszar 14,94 ha, administracja zarządza 1618 mieszkaniami o powierzchni użytkowej wynoszącej m², w których żyje około 6,5 tys. osób. Na terenie osiedla znajduje się osiem budynków jedenastokondygnacyjnych wykonanych w techno logii wielkoblokowej Cegła Żerańska. Od momentu powstania cha rakteryzowały się one małą izolacyjnością cieplną przegród zewnętrznych, ściany szczytowe o współczynniku U = 1,33 W/m 2 K oraz ściany osłonowe o współczynniku U = 1,30 W/m 2 K nie speł niały wymagań nor my [1] obowiązującej w chwili oddawania ich do użytku. Efektem tego było zawilgocenie ścian zew nętrznych oraz rozwój pleśni i grzybów na przemarzających pasach okienno-nadprożowych. W 1981 roku spółdzielnia podjęła się realizacji pierwszego etapu modernizacji związanego z naprawą termiczną opisanych budynków. Ocieplono wówczas ściany szczytowe wełną mineralną o grubości 5 cm, ułożoną pomiędzy rusztem stalowym i zabezpieczoną blachą trapezową. W drugim etapie ( ) ocieplono ściany osłonowe wełną mineralną o grubości 5 cm na ruszcie drewnianym i wykończono płaskimi płytami azbestowymi. Podczas trzeciego etapu prac ( ) wymieniono istniejące ocieplenie ścian osłonowych na ocieplenie metodą BSO (przy użyciu styropianu i lokalnie wełny mineralnej grubości 10 cm). W czwartym etapie (2005 r.) docieplono stropy ostatnich kondygnacji ekofibrem o grubości około 15 cm. Poszczególne etapy modernizacji budynków wykonanych w systemie wielkoblokowym szerzej opisano w monografii [2] oraz w marcowym numerze Przeglądu Budowlanego. Do badań wytypowano budynek przy ulicy Kurantowej 6. Mimo przeprowadzonych prac ociepleniowych lokatorzy nadal odczuwają problemy związane z dyskomfortem termicznym, takie jak miejscowe przemarzanie ścian oraz prądy zimnego powietrza. 3. Badania termograficzne Celem badań termograficznych było bezinwazyjne rozpoznanie 37

2 Rys. 2. Termogram ściany wewnętrznej parteru sąsiadującej z szybem windowym Rys. 3. Termogram narożnika południowo-wschodniego od strony zewnętrznej budynku 38 Rys. 4. Termogram narożnika klatki schodowej i korytarza, strona północno-zachodnia miejsc zwiększonej ucieczki ciepła po ociepleniu elewacji i rejestracja pola temperaturowego na możliwych do obserwacji fragmentach powierzchni przegród, takich jak: ściany, cokoły, płyty balkonowe (pomiar od dołu), okna, zwłaszcza klatki schodowej. Badania termograficzne pozwoliły także na obserwację wad wykonanych izolacji, takich jak niedocieplenia czy nieszczelności. Badania przeprowadzono z poziomu terenu oraz wewnątrz mieszkań w dniach , w godzinach 17:00 18:30 i , w godzinach 17:30 19:30. Temperatura powietrza na zewnątrz przez ostatnie 4 godziny przed badaniami wahała się od 1 do 2 C, a w czasie badań była stabilna i nie przekraczała 0 C. Wiatr był słaby i bardzo słaby w kierunku południowo-zachodnim, o prędkości 2 m/s. W czasie badań temperatura w pomieszczeniach była zróżnicowana (od 18 do 28 C), ale według oświadczeń mieszkańców od kilku godzin nie była przez nich regulowana. Do badań wykorzystano aparaturę AGEMA ThermaCAM 570 z obiektywem o kącie polowym 24 C. Większą część termogramów uzyskano za pomocą nakładki telex2 Rys. 5. Termogram ściany osłonowej z widocznymi balkonami, strona południowo-wschodnia na obiektyw zmieniając kąt polowy na 12 C. Do analizy termogramów użyto następujących narzędzi analitycznych programu ThermaCAM Reporter2000: punkt z wyznaczoną temperaturą; obszar, a w nim temperatura średnia; linia na termogramie i profil termiczny przegród zewnętrznych; paleta barw żelaza. Poniżej przedstawiono wybrane termogramy, które wskazują niezlikwidowane jeszcze problemy termiczne w analizowanym budynku. Na parterze różnica temperatur pomiędzy powietrzem wewnętrznym w mieszkaniu a ścianą przy zsypie i szybie windowym wynosi ponad 7 C, co przedstawia rysunek 2. Powoduje to odczuwalny dyskomfort oraz zwiększone zużycie ciepła na ogrzewanie pomieszczeń. Termogram na rysunku 3 przedstawia narożnik zewnętrzny budynku w miejscu połączenia ściany parteru ocieplonej metodą BSO i nieocieplonej ściany piwnic. Temperatura zewnętrzna ocieplonej ściany odnotowana na linii Li1 wynosi około 8 C, i wzrasta średnio o 9 C do wartości około 1 C przy przejściu na nieocieploną ścianę piwnic, a następnie spada o 5 C do wartości około 4 C na przyległym terenie (betonowa opaska przyobiektowa). Linia Li2 wskazuje na spadek temperatury w narożniku o około 4 C. Mimo że na pierwszym odcinku linii wynik jest zakłócony sąsiadującą niską zielenią, to dalej widoczna jest zwiększona ucieczka ciepła w narożu budynku, a szczególnie w sąsiedztwie rury spustowej. Termogram na rysunku 4 obrazuje narożnik zewnętrzny budynku i stalowe okna klatki schodowej. Widoczna na linii Li1 temperatura ocieplonej ściany podokiennej wynosząca około 0 C, wzrasta średnio o 11 C na zewnętrznej powierzchni okna ogrzewanego korytarza. Podobną różnicę temperatur wskazuje linia Li2. Obie linie poprowadzono w taki sposób, aby pomiary nie zostały zakłócone przez odbicia sąsiadujących okien. Na termogramie na rysunku 5 widoczne są od spodu płyty balkonów wspornikowych. Za pomocą linii Li1 pokazano temperaturę kolejnych elementów: ekran balkonowy około 1,5 C, nieocieplona płyta balkonowa około 1,5 C (temperatura wzrasta w miejscu połączenia balkonu z ocieploną ścianą osłonową o około 3 C do wartości maksymalnej 4,5 C), nadproże ściany pod balkonem średnio 0,5 C. Na nadprożach

3 I etap Rys. 6. ściany szczytowej i osłonowej z zaznaczeniem etapów prac mo der nizacyjnych [3]: 1 płyta kanałowa typu Żerań, 2 gazobeton odmiany 600, 3 ściana z płyt SEG, 4 ocieplenie wełną mineralną z okładziną z blachy falistej, 5 ocieplenie wełną mineralną z okładziną z płyt azbestowych, 6 ocieplenie metodą BSO I etap do dalszych badań wytypowano węzły o największym zagrożeniu wykraplaniem wilgoci i występowaniem mostków termicznych. Są to połączenia: ściany szczytowej i osłonowej (rys. 6), wspornikowej płyty balkonowej i ściany osłonowej (rys. 8), stropu piwnic i ściany osłonowej (rys. 10). Aby ocenić skuteczność dociepleń przeprowadzono analizę pola temperatury, strumieni ciepła i możliwości kondensacji na wewnętrznych powierzchniach przegród w węzłach konstrukcyjnych objęnie zauważono smug ciepła, które mogłyby świadczyć o wpływie emisji ciepła z okien na temperaturę płyty balkonowej i zakłócić wynik pomiaru. Na ocieplonej metodą BSO ścianie osłonowej widoczne są też mostki punktowe w miejscach zastosowania metalowych kołków mocujących izolację do ścian. 4. Analiza węzłów konstrukcyjnych Rys. 7. ściany szczytowej i osłonowej, przebieg izoterm po kolejnych etapach prac termomodernizacyjnych [3] Na podstawie badań termowizyjnych i przeglądów technicznych, I I Tabela 1. Porównanie parametrów cieplno-wilgotnościowych węzła ściany szczytowej i osłonowej po ociepleniu [3] przed ociepleniem po ociepleniu (I ETAP) po ociepleniu (II ETAP) po ociepleniu (III ETAP) U dla ściany szczytowej 1,33 W/m 2 K 0,51 W/m 2 K 0,51 W/m 2 K 0,51 W/m 2 K U dla ściany osłonowej 1,03 W/m 2 K 1,03 W/m 2 K 0,51 W/m 2 K 0,30 W/m 2 K Strumień ciepła przez 1mb. naroża 66,49 W/m 47,79 W/m (zmn. o 28%) 38,74 W/m (zmn. o 42%) 24,54 W/m (zmn. o 63%) Strumień ciepła przez 1mb. ściany (pasmo o szerokości równej szer. 56,60 W/m 34,29 W/m 29,97 W/m 13,08 W/m mostka w narożu) Temperatura w narożu + 9,35 C + 11,49 C + 14,27 C + 15,02 C Kondensacja w narożu tak tak / nie nie nie Temperatura pow. zewn., przy której zaczyna się kondensacja 15 C 24 C 45 C 55 C tych kolejnymi etapami prac termomodernizacyjnych. Analizę pola temperatury wykonano przy użyciu metody elementów skończonych, w założeniu stanu ustalonego przepływu ciepła. Płyty kanałowe zamodelowano w obliczeniach w sposób uproszczony jako elementy izotropowe o zastępczym oporze cieplnym; pominięto opory cieplne rusztu służącego do mocowania docieplenia oraz warstw wykończeniowych przegród. Temperaturę wewnętrzną przyjęto t i = +20 C, wilgotność względną φ i = 55%, temperaturę zewnętrzną t e = 20 C. Temperatura punktu rosy wynosi +10,7 C. Połączenie ściany szczytowej i osłonowej. Prowadząc pierwsze prace ociepleniowe ograniczono się jedynie do wykonania izolacji na ścianach szczytowych. Naroże zewnętrzne ściany szczytowej i osłonowej nie zostało zabezpieczone, co było powodem wykraplania się wilgoci. Ocieplenie węzła w ie pozwoliło na zmniejszenie ryzyka kondensacji i ograniczenie strat ciepła o 42%, a w Iie o 63% (tab.1). Kondensacja wilgoci w narożach jest obecnie praktycznie wyeliminowana wystąpić może dopiero w przypadku temperatury powietrza zewnętrznego niższej niż 40 C lub na skutek zwiększenia wilgotności w pomieszczeniach w trakcie użytkowania (np. w wyniku niesprawnej wentylacji). Połączenie płyty wspornikowej balkonu ze ścianą osłonową. Likwidacja mostka cieplnego jest w tym miejscu znacznie utrudniona przez zakotwienie płyty balkonowej w konstrukcji stropu. Rozwiązanie to należy zaliczyć do istotnych wad systemu wielkoblokowego. Rysunek 8 przedstawia schemat węzła w kolejnych etapach dociepleń, a rysunek 9 układ izoterm. Przerwanie ciągłości izolacji cieplnej przy połączeniu wspornikowej płyty balkonowej i ścian osłonowych powoduje, że wzrost temperatury 39

4 40 Stan pierwotny Rys. 8. Połączenie płyty balkonowej ze ścianą osłonową z zaznaczeniem etapów prac modernizacyjnych [3]: 1 wspornikowa płyta balkonowa, 2 ściana z płyt SEG, 3 ocieplenie wełną mineralną z okładziną z płyt azbestowych, 4 ocieplenie metodą BSO Stan pierwotny I I Rys. 9. Połączenie balkonu i ściany osłonowej, przebieg izoterm po kolejnych etapach prac termomodernizacyjnych [3] Tabela 2. Porównanie parametrów cieplno-wilgotnościowych węzła płyty balkonowej ze ścianą osłonową przed i po ociepleniu (II i I) [3] po ociepleniu po ociepleniu przed ociepleniem (II ETAP) (III ETAP) U dla ściany osłonowej 1,03 W/m 2 K 0,51 W/m 2 K 0,30 W/m 2 K Strumień ciepła przez 1mb. węzła 55,60 W/m 43,63 W/m (zmn. o 22%) 32,14 W/m (zmn. o 42%) Strumień ciepła przez 1mb. ściany (pasmo o szerokości równej szer. mostka 37,08 W/m 26,72 W/m 15,84 W/m w węźle) Temperatura w narożu + 8,66 C + 12,25 C + 14,12 C Kondensacja w narożu tak nie Nie Temperatura pow. zewn., przy której zaczyna się kondensacja 14 C 25 C 45 C Wariant I ocieplenie powierzchni balkonu Wariant II balkon dostawiony na niezależnej konstrukcji Rys. 10. Połączenie płyty balkonowej ze ścianą osłonową izotermy po ociepleniu [4] powierzchni wewnętrznej (do 12,3 C w ie i do 14,1 C w Iie modernizacji) oraz redukcja strat ciepła (o 22% w ie i o 42% w Iie w porównaniu z przegrodą nieocieploną) są mniejsze niż w pozostałych węzłach (tab. 2). Mimo przeprowadzonych dociepleń, miejsce to nadal przyczynia się do zwiększonych strat ciepła. Jako alternatywę dla stanu istniejącego zaproponowano docieplenie płyt balkonowych lub wykonanie balkonów dostawianych na niezależnej konstrukcji z płytą oddylatowaną od ścian zewnętrznych. Rozwiązania takie pozwalają na zachowanie ciągłości izolacji, a tym samym skuteczniej przyczyniają się do likwidacji mostków termicznych. W obu przypadkach przewidywany jest istotny wzrost temperatury w narożu (do 16,6 C w I wariancie i do 18,0 C w II wariancie modernizacji) oraz redukcja strat ciepła (o 48% w I wariancie i o 46% w II wariancie w porównaniu z przegrodą nieocieploną). Połączenie stropu piwnic ze ścianą osłonową. Ocieplenie ścian parteru wykonane w ie prac termomodernizacyjnych doprowadzone zostało do poziomu cm ponad terenem (rys. 11). Strop nad piwnicami nie został ocieplony, a sam węzeł jest miejscem o intensywnej ucieczce ciepła spowodowanej zmniejszoną grubością docieplenia wieńca. Zaproponowano trzy sposoby możliwych działań w celu zlikwidowania istniejącego w tym miejscu mostka termicznego: ocieplenie stropu piwnic (wariant I), ocieplenie wieńca piwnic od wewnątrz (wariant II), ocieplenie cokołu od zewnątrz do poziomu 60 cm poniżej wieńca (wariant III). Docieplenie przewidziano metodą BSO z wykorzystaniem styropianu lub styroduru o grubości 10 cm. Rezultatem przedstawionych mo żliwości ocieplenia (tab. 4) jest zmniejszenie strat ciepła o: 34% (I wariant), 37% (I + II wariant) i 42% (I + II + III wariant). Jednocześnie

5 Tabela 3. Porównanie parametrów cieplno-wilgotnościowych węzła płyty balkonowej i ściany osłonowej po ociepleniu metodami alternatywnymi [4] Współczynnik przenikania ciepła dla ściany osłonowej Strumień ciepła przepływającego przez 1mb. węzła Strumień ciepła przepływającego przez 1mb. ściany (pasmo o szer. równej szer. mostka w węźle) uzyskuje się podwyższenie temperatury w narożach wewnętrznych rozpatrywanego węzła do +13,5 C (wariant I i II) lub +14,3 C (III wa riant). Mimo porównywalnych wielkości strumieni ciepła, docieplenie węzła Stan obecny Ocieplenie płyty balkonowej Balkony dostawiane 0,30 W/m 2 K 0,30 W/m 2 K 0,30 W/m 2 K 32,1 W/m 16,7 W/m (zmn. o 48 %*) 17,3 W/m (zmn. o 46 %*) 15,8 W/m 10,3 W/m 15,6 W/m Temperatura w narożu + 14,1 C + 16,6 C + 18,0 C Kondensacja w narożu nie występuje nie występuje nie występuje * w porównaniu ze stanem obecnym Stan istniejący Propozycja dalszych dociepleń (opis w tekście) Rys. 11. połączenia stropu nad piwnicami ze ścianą osłonową po Iie prac termomodernizacyjnych oraz proponowane ulepszenia [5]: 1 żelbetowa ściana piwnic, 2 strop kanałowy typu Żerań, 3 wieniec żelbetowy, 4 ściana z płyt SEG, 5 ocieplenie metodą BSO, 6 gazobeton odmiany 600 połączone z ociepleniem wieńca od wewnątrz i ociepleniem ściany piwnic w strefie cokołu (wariant I+II+III) od zewnątrz wydaje się być najbardziej skuteczne z uwagi na: najwyższe temperatury w narożu wewnętrznym, najmniejsze strumienie ciepła przepływającego na zewnątrz węzła, wyższe temperatury w obrębie węzła, a co za tym idzie mniejsze ryzyko kondensacji w jego objętości. 5. Podsumowanie Pierwsze prace termomodernizacyjne w budynkach wielkoblokowych związane były z koniecznością likwidacji przemarzania i zawilgocenia ścian. Były to często jedynie doraźne działania naprawcze wynikające z kart przeglądu stanu technicznego budynku. Późniejsze przedsięwzięcia modernizacyjne wymuszone były wzrostem cen energii i wiązały się przede wszystkim z dążeniem do obniżenia kosztów eksploatacji. Wszystkie te zabiegi należy ocenić pozytywnie powstrzymały one przyspieszoną degradację budynków i niewątpliwie pozwoliły na zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło na potrzeby centralnego ogrzewania. Przeprowadzone analizy wskazują jednak na możliwość podjęcia wielu dalszych działań ograniczających straty ciepła z budynków oraz poprawiających mikroklimat pomieszczeń mieszkalnych. Zaliczyć do nich można m.in.: ocieplenie przegród wewnętrznych przyczyniających się do znacznych start ciepła z pomieszczeń ogrzewanych, przede wszystkim Stan istniejący Wariant I docieplenia Wariant I + II docieplenia Wariant I + II + III docieplenia Rys. 12. Izotermy w węźle połączenia stropu nad piwnicami ze ścianą osłonową stan istniejący oraz zaproponowane warianty dociepleń [5] 41

6 Tabela 4. Porównanie parametrów cieplno-wilgotnościowych węzła po ociepleniu [5] Stan obecny (strop piwnic nieocieplony) ścian przy windach i stropów nad piwnicami; wymianę stalowej stolarki okiennej na klatkach schodowych i korytarzach; likwidację mostków cieplnych, głównie w miejscach połączenia balkonów ze ścianami osłonowymi oraz w strefie cokołu budynku. Większość tych działań można było przeprowadzić podczas dotychczasowych prac ociepleniowych wiązałoby się to z najmniejszymi kosztami i uciążliwością dla lokatorów. Potwierdza to konieczność kompleksowego planowania termomodernizacji, poprzedzonego Docieplenie węzła wariant I Docieplenie węzła wariant I+II Docieplenie węzła wariant I+II+III U dla ściany osłonowej 0,30 W/m 2 K 0,30 W/m 2 K 0,30 W/m 2 K 0,30 W/m 2 K U dla ściany piwnic 3,48 W/m 2 K 3,48 W/m 2 K 3,48 W/m 2 K 0,72 W/m 2 K Strumień ciepła przez 1mb. naroża 52,0 W/m 34,1 W/m (zmn. o 34%) 33,0 W/m (zmn. o 37%) 30,2 W/m (zmn. o 42%) Temperatura w narożu + 9,7 C + 13,5 C + 13,5 C + 14,3 C Kondensacja w narożu tak nie nie nie staranną analizą węzłów konstrukcyjnych oraz oceną skuteczności i opłacalności przewidywanych działań. Zagadnienie to jest tym bardziej istotne, że zabudowa prefabrykowana wielkoblokowa i wielkopłytowa wciąż stanowi dominującą część krajowych zasobów mieszkaniowych. Bibliografia [1] PN-74/B-03404: Współczynniki przenikania ciepła K dla przegród budowlanych [2] Ostańska A., Podstawy metodologii tworzenia programów rewitalizacji dużych osiedli mieszkaniowych wzniesionych w technologii uprzemysłowionej na przykładzie osiedla im. St. Moniuszki w Lublinie, Politechnika Lubelska, Monografie Wydziału Inżynierii Budowlanej i Sanitarnej Vol.1, Wydawnictwa Uczelniane, Lublin 2009, s [3] Grudzińska M., Ostańska A., Porównanie skuteczności dociepleń budynków wielkoblokowych S.M. Czechów w Lublinie poprzez analizę wybranych mostków cieplnych, V Konferencja Naukowo-Techniczna: Problemy projektowe w kontekście nowych technologii budowlanych, Kraków 2003, s [4] Grudzińska M., Ostańska A., Czarnigowska A., Barnat-Hunek D., Problematyka skuteczności dociepleń balkonów wspornikowych na przykładzie osiedla w Lublinie, Przegląd Budowlany, 7 8/2005, s [5] Barnat-Hunek D., Czarnigowska A., Grudzińska M., Ostańska A., Propozycja zwiększenia efektywności dociepleń budynków wielkoblokowych S.M. Czechów w Lublinie, Konferencja Naukowo- -Techniczna REMO Problemy remontowe w budownictwie ogólnym i obiektach zabytkowych, Kliczków 2004, s [6] Grudzińska M., Ostańska A., Porównanie skuteczności dociepleń balkonów wspornikowych budynków wielkoblokowych, Rehabilitation of exiting Urban building stock, International Workshop, Gdańsk 2004, s