Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy strona 1. Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy

Transkrypt

1 Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy strona 1 Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy Jak opisałem w raporcie Problemy z elewacją zabytkowej Plebanii w Choroszczy, w całym budynku nie osiągano wymaganych temperatur powietrza wewnętrznego zimą. Ponadto, zarówno na parterze, jak i piętrze przez cały czas wyczuwało się wyraźną stęchliznę - szczególnie w okresach wiosny i lata. Stanąłem zatem, przed koniecznością przeprowadzenia pełnej analizy cieplnowilgotnościowej ścian plebanii. W związku z faktem istnienia zupełnie różnych układów warstw ścian parteru i piętra, analiza musiała być wykonana oddzielnie dla każdej kondygnacji. Stan istniejący - warunki ustalone W celu zbadania jakości zastosowanego ocieplenia ścian parteru styropianem oraz ew. wpływu na występującą korozję biologiczną na elewacji, trzeba było najpierw wykonać sprawdzające obliczenia cieplno-wilgotnościowe w warunkach stacjonarnych. Wyniki: Opór cieplny: R = 2,631 m 2 K/W Wsp. przenikania ciepła: U = 0,38 W/m 2 K Gęstość przenikającego strumienia ciepła: q = 15,203 W/m 2 Opór dyfuzyjny: R v = m 2 hpa/g Gęstość strumienia dyfundującej pary: q v = 0,080 g/m 2 h Wartość wsp. przenikania ciepła U jest o 27% za wysoka w stosunku do aktualnie zalecanej wytycznymi jako górna, co naraża użytkowników obiektu na zbyt wysokie straty ciepła i wynikające stąd zawyżone opłaty na ogrzewanie budynku.

2 Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy strona 2 W celu interpretacji geometrycznej wyników obliczeń, sporządzono wykres rozkładu temperatur w ścianie oraz wykres rozkładu ciśnień cząstkowych pary wodnej w stanie obliczeniowym i w stanie nasycenia, co przedstawia rysunek na stronie 1. Jak widać, występuje tu strefa skraplania się pary wodnej SK szerokości 22 mm - zlokalizowana w styropianie tuż pod wyprawą elewacyjną. Wprawdzie gęstość strumienia dyfundującej pary wodnej jest niewielka, ale krzywe ciśnień pary wodnej przecinają się pod łagodnym kątem, co świadczy o niestabilnym stanie zagrożenia kondensacją pary i tworzy sprzyjające warunki do jej skraplania na znacznie większej szerokości niż SK, przy każdym spadku temperatury zewnętrznej poniżej obliczeniowej. Płaszczyzna temperatury 0 o C znajduje się wprawdzie w styropianie, ale tuż za granicą styku z murem ceglanym, co sprzyja utrzymywaniu się zwiększonej wilgotności muru. Najniższa temperatura muru w tej strefie wynosi +5 o C przy temperaturze zewnętrznej -20 o C. Po renowacji - warunki ustalone Dla sprawdzenia, jak zmieniłyby się warunki cieplno-wilgotnościowe oraz zdolność do wysychania tej ściany, wykonano ponowne obliczenia, zastępując styropian wełną mineralną grubości 10 cm z wyprawą mineralną o niskim oporze dyfuzyjnym. Wyniki: Opór cieplny: R = 3,713 m 2 K/W Wsp. przenikania ciepła: U = 0,27 W/m 2 K Gęstość przenikającego strumienia ciepła: q = 10,773 W/m 2 Opór dyfuzyjny: R v = m 2 hpa/g Gęstość strumienia dyfundującej pary: q v = 0,127 g/m 2 h

3 Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy strona 3 W tym przypadku, wartość wsp. przenikania ciepła U zmalała o 41 % w stosunku do stanu istniejącego. Strumień dyfundującej pary wodnej wzrósł o 59%. Zatem, zmalały straty ciepła parteru, zaś większy strumień dyfundującej pary wodnej pozwoli na łatwiejsze wysychanie zawilgoconych ścian parteru. Wyniki obliczeń przedstawione są na wykresie na stronie 2. Występuje zdecydowanie lepszy rozkład temperatur wewnątrz ściany, bowiem płaszczyzna 0 o C znajduje się w większym oddaleniu od muru (w 1/3 grubości wełny). Uzyskuje się lepszy rozkład ciśnień cząstkowych pary wodnej. Skraplanie teraz jest minimalne (szerokość strefy SK wynosi zaledwie 3 mm). Jest istotne to, że krzywe ciśnień cząstkowych pary wodnej przecinają się pod ostrym kątem, co tworzy warunki wilgotnościowe bardzo stabilne. Najniższa temperatura muru wzrosła tym razem do +10 o C przy temperaturze zewnętrznej -20 o C. Stan istniejący i po renowacji - warunki rzeczywiste Oba przypadki dają tylko obraz wyjściowy, tj. w warunkach ustabilizowanych w czasie i przy warunkach zewnętrznych (temperaturze i wilgotności) obliczeniowej, ale stałej dla tej miejscowości. Nie oddają jednak stanu rzeczywistego, jaki występuje - z uwzględnieniem opadów deszczu i śniegu, zmiennych temperatur otoczenia, działania słońca, wiatru oraz zmian wilgotności powietrza. Symulacji cieplno-wilgotnościowej zachowania się ściany parteru w warunkach rzeczywistych w okresie kolejnych 24 miesięcy dokonano za pomocą programu

4 Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy strona 4 WUFI. Wykonano obliczenia porównawcze: w stanie istniejącym oraz po wymianie styropianu na wełnę mineralną grubości 10 cm - pokrytą warstwą szpachlową EKOR 32 zbrojoną siatką szklaną oraz mineralną wyprawą elewacyjną EKOR 82 (baranek 2 mm) na koniec pokrytą silikonową farbą hydrofobową ANTOL SI- LICON 3). Całkowita zawartość wilgoci w ścianie: Wykresy na stronie 3. W stanie istniejącym mamy do czynienia z całkowitą zawartością wilgoci w ścianie od 1,55 do 2,25 kg/m 3, zaś po zamianie na wełnę mineralną, całkowita zawartość wilgoci wynosi 1,05 do 1,65 kg/m 3 ), tj. spada średnio o ok. 30 %. Znamienne jest to, że w stanie istniejącym ściany, utrzymuje się wysoki poziom zawartości wilgoci zimą, która np. w styczniu wynosi 1,98 kg/m 3 w pierwszym roku, zaś rok później wzrasta do 2,03 kg/m 3. Po zamianie styropianu na wełnę mineralną, zawartość wilgoci w tym samym czasie jest mniejsza średnio o 45 % i utrzymuje się na tym samym poziomie w kolejnym roku (ok. 1,2 kg/m 3 ). Zatem, po zamianie styropianu na wełnę, uzyskuje się pewną zdolność do wysychania zawilgoconej dotąd ściany i wyraźnie lepsze w niej warunki cieplno-wilgotnościowe. Porównując oba wykresy można zauważyć ciekawe zjawisko. Otóż, wzrost zawilgocenia ściany spowodowany kondensacją pary wodnej w tej ścianie, występuje nie w okresie zimy (jak się często uważa), lecz rozpoczyna się już od

5 Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy strona 5 kwietnia i trwa do października - jest to okres przekraczania ciśnienia nasycenia przez parę wodną w warstwach ściany. Proces ten występuje zarówno w przypadku styropianu, jak i wełny mineralnej. Począwszy o początku listopada aż do końca marca, mamy do czynienia z lekkim obniżaniem się zawilgocenia - z tym, że w przypadku ocieplenia wełną tej ściany, spadek jest bardziej dynamiczny i większy niż w przypadku styropianu. Wilgotność warstw elewacyjnych: Wykresy na stronie 4. Ciekawie prezentują się wyniki porównawcze zawilgocenia warstwy szpachlowej leżącej bezpośrednio na termoizolacji. W stanie istniejącym mamy do czynienia z niezwykle wysoką zawartością wilgoci w tej warstwie, bo wynoszącą od 130 do 220 kg/m 3, co odpowiada wilgotności masowej od 6,5 do 11 % - przez cały rok. Dzięki temu właśnie, powstają w warstwach elewacji i tuż pod nią procesy gnilne i utrudniona dyfuzja pary na zewnątrz, co odczuwane jest przez użytkowników jako zawilgocenie i stęchlizna w powietrzu. W rezultacie wyprawa jest podatna na pękania spowodowane zamarzaniem wilgoci w niej zawartej 1), a także na powstanie w niej i tuż pod nią procesów gnilnych 2). Objawy zarówno licznych spękań, a także silnej korozji biologicznej zaobserwowano na całej elewacji - szczególnie intensywne od strony północnej, gdzie w miejscach pęknięć wyprawy powstały wyraźne nacieki wodne z glonami (fot. 1 do 3 w Problemy z elewacją zabytkowej Plebanii w Choroszczy).

6 Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy strona 6 W przypadku zamiany styropianu na wełnę mineralną pokrytą lekką wyprawą elewacyjną mamy do czynienia aż z 8-krotnym z zmniejszeniem najmniejszej zawartości wilgoci i 4-krotnym zmniejszeniem maksymalnej tj. uzyskuje się wartości kg/m 3, co odpowiada wilgotności masowej od 0,8 do 2,9 %, co skutecznie wyeliminuje zagrożenie powstania korozji biologicznej. Zawartość wilgoci w warstwie termoizolacyjnej: Wykresy na stronie 5. Dokonano sprawdzenia zawilgocenia w warstwach termoizolacyjnych: styropianu FS-15 (w stanie istniejącym) oraz wełny mineralnej (w stanie po renowacji), tj. na grubości 2 cm tuż pod warstwą szpachlową. Widać, że masowa wilgotność styropianu jest ogromna i wynosi od 74 do 124%, co nie tylko wzmaga korozję biologiczną na elewacji, ale silnie zwiększa współczynnik przewodzenia styropianu tj. zmniejsza opór cieplny termoizolacji i przyczynia się do zwiększonych strat ciepła oraz naraża użytkownika na zawyżone wydatki na ogrzewanie budynku. W przypadku ocieplenia wełną mineralną, jej wilgotność masowa wynosi od 1,2 do 6,1 %, zaś porównując zawartość wilgoci, jest ona 5 do 12 razy mniejsza niż w styropianie. Dla porównania, w ciągu roku wilgotność masowa termoizolacji, ale w warstwie grubości 2 cm bezpośrednio stykającej się z murem, wynosi: 5,1-15,9 % (w styropianie) i 0,5-2,8 % (w wełnie mineralnej).

7 Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy strona 7 Tak więc, zamiana styropianu grubości 6 cm na wełnę mineralną grubości 10 cm pozwoli uzyskać zmniejszenie strat ciepła przez przenikanie o ok. 30 %. Niezwykle istotny jest fakt, że w przypadku zastosowania wełny mineralnej grubości 10 cm zamiast istniejącego styropianu grubości 6 cm, aż 19-krotnemu zmniejszeniu ulega opór dyfuzyjny wszystkich warstw ściany z wartości S d = 3,68 m do wartości S d = 0,19 m. Dzięki zastosowaniu specjalnej farby silikonowej o oporze dyfuzyjnym S d = 0,045 m, nowe warstwy po renowacji pozwolą na poprawne wysychanie ścian - mimo nadal podciąganej kapilarnie wilgoci z gruntu. Dzięki usunięciu wyprawy mozaikowej z fundamentów w strefie nadziemnej i przywróceniu stanu pierwotnego, znaczna część wilgoci będzie też odparowywać jeszcze w fundamencie, a tylko jej resztki będą podciągane wyżej i dzięki nowemu rozwiązaniu, w większości odparują do otoczenia w strefie ścian tuż nad cokołem. Izoplety stanów wilgotnościowych: Wykresy na stronie 6. Fatalne efekty zastosowanego ocieplenia tej ściany styropianem grubości 6 cm, potwierdzają izoplety zawierające relacje wilgotności względnej powietrza i temperatury tuż przy powierzchni wyprawy elewacyjnej ściany zewnętrznej. Wskaźnikiem jest wilgotność powietrza zewnętrznego tuż przy wyprawie elewacyjnej wynosząca 100%. Z wykresów widać, że w szerokim zakresie temperatur od -15 do +30 o C w stanie istniejącym mamy permanentne stany nasycenia wilgocią w płaszczyźnie elewacji, co tworzy stan najgorszy z możliwych i niedopuszczalny do zastosowania. Występująca narastająca zawartości wilgoci w warstwie elewacyjnej, w ciągu kolejnych lat stwarza warunków sprzyjające korozji biologicznej na elewacji. W przypadku ocieplenia wełną mineralną, obraz izoplet jest zupełnie odmienny. Nie ma tu stanów nasycenia wilgocią, a najwyższa wilgotność względna powietrza na elewacji nie przekracza 93 %, co pozwala wysnuć wniosek o słuszności takiego rozwiązania i braku zagrożenia korozją biologiczną na elewacji. Fot. 1 Wykonywanie odkrywki w strefie korozji biologicznej na ścianie tuż nad cokołem. Po przedstawieniu proboszczowi wyników niniejszych analiz cieplnowilgotnościowych, podjęto decyzję o zdemontowaniu ocieplenia styropianem i zastosowaniu ocieplenia wełną mineralną grubości 10 cm, zaś w ościeżach grubości 4 cm. Opracowałem technologię prac, która została zaakceptowane przez Wojewódzkiego Konserwatora Zabytków w Białymstoku.

8 Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy strona 8 Fot. 2 Odsłonięty mur ceglany po usunięciu styropianu i wyprawy. Wilgotność masowa cegieł wynosiła aż 15,8%. Fot. 3 Spodnia strona usuniętego kawałka styropianu z zaprawą klejową z wyraźnym zapachem zgnilizny. Fot. 4 Podczas prac ocieplania wełną mineralną metodą BSO. Robót podjęła się niewielka firma budowlana YORK Bogdana Wojno, którą nie pierwszy raz poleciłem, gdyż ściśle trzyma się opracowanej technologii i rzetelnie wykonuje prace. Renowację wykonano wiosną 2006 r.

9 Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy strona 9 Fot. 5 Widok elewacji ogrodowej po zakończonych pracach (2006 r.). Fot. 6 Widok elewacji ogrodowej wiosną 2010 r. Po czterech latach odwiedziłem plebanię. Proboszcz nie ukrywał zadowolenia z efektów renowacji. Okazało się, że rokowania co do oszczędności strat ciepła się sprawdziły, bowiem rachunki za ogrzewanie spadły grubo ponad 30%, zaś z pomieszczeń całkowicie zniknęła stęchlizna i pleśń. mgr inż. Jerzy Zembrowski Biuro Doradztwa Budowlanego Białystok r. aktualizacja r. Rysunki i fotografie autora. 1) Patrz: Destrukcja materiałów przez lód 2) Patrz: Korozja biologiczna materiałów 3) Produkty firmy TORGGLER

10 Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian parteru plebanii w Choroszczy strona 10 Większość produktów tu zastosowanych znajduje się w serwisie BDB w dziale poradnik > produkty, technologie Dalsze szczegółowe rysunki detali i porady znajdują się w dziale poradnik > jak, czym, dlaczego? W przypadkach indywidualnych, można przesyłać zapytania o porady i konsultacje na adres: porady@bdb.com.pl