E KS P LO ATA C J A M O D E N I Z A C J A Termomodernizacja zabytkowego budynku użyteczności publicznej Dr inż. Aleksander Byrdy, dr inż. Czesław Byrdy, Politechnika Krakowska Zgodnie z zaleceniami fizyki budowli, najlepiej jest ocieplać ściany i przegrody zewnętrzne budynków od zewnątrz. Jednak ze względu na zabytkowy charakter elewacji budynku (por. rys. 1) zaistniała konieczność ocieplenia ścian budynku od strony wewnętrznej. Do ocieplenia zastosowano płyty z polistyrenu jako trudniej przepuszczalne dla pary wodnej, w porównaniu z płytami z wełny mineralnej. 1. Charakterystyka budynku Modernizowany budynek wzniesiono na początku XX wieku jako ośrodek kulturalno-oświatowy (czytelnia). Budynek przedstawiony na rysunku 1 jest częściowo ys. 2. Uwarstwienie podłogi sali widowiskowej przed termorenowacją budynku 2.1. Podłogi w części niepodpiwniczonej W sali widowiskowej podłoga na gruncie przedstawiona na rysunku 2 miała posadzkę wykonaną z grubych desek (bali) o grubości 4 cm ułożonych na legarach 12/10 cm na podkładzie z ubitego żużla paleniskowego o grubości ok. 25 cm, na podłożu gruntowym. Opory cieplne oraz współczynniki przenikania ciepła podłogi przed modernizacją przedstawia tabela 1. 16 ys. 1. Fragment elewacji budynku czytelni w trakcie prac renowacyjnych podpiwniczony, ściany budynku wymurowano z cegły pełnej i jest przykryty dachem mansardowym ocieplonym podczas renowacji pokrycia wełną mineralną ułożoną na stropach strychowych. 2. Podłogi przed i po termorenowacji Ze względu na zły stan desek podłogowych (nierówna powierzchnia, miejscowe ubytki drewna), zdecydowano się na usunięcie wszystkich desek podłogowych oraz legarów i wykonanie nowej podłogi o uwarstwieniu przedstawionym na rysunku 3. W celu wyrównania podłoża, usunięto 5 cm żużla paleniskowego, a następnie rozprowadzono na całej powierzchni sali warstwę piasku o grubości 10 cm na pozostawionej 20-cm warstwie żużla. Przed ułożeniem warstwy termoizolacyjnej, wykonano w podłożu wykopy wąskoprzestrzenne pod kanał nawiewny do ogrzewania sali za pomocą gorącego powietrza. Kanał wykonany jest z blachy stalowej ocynkowanej o przekroju kwadratowym 50 x 50 cm i zaizolowany płytami z polistyrenu, co przedstawiono na rysunku 3. W warstwie piasku ułożono również przewody instalacji elektrycznej w rurkach ochronnych. Następnie na całej powierzchni sali widowiskowej ułożono płyty z twardego styropianu o grubości 5 cm, które stanowią zasadniczą warstwę termoizolacyjną podłogi.
EKSPLOATACJA MODENIZACJA Tabela 1. Podłoga w sali widowiskowej (stan przed ociepleniem) Masa objętościowa * 1 Podłoga deski na legarach 0,30 550 4,0 0,13 2 Żużel paleniskowy 0,28 1000 25,0 0,89 3 Grunt rodzimy 1,00 (0,5) Minimalna całkowita grubość podłogi wraz z izolacją termiczną: 29,0 2,02 (1,52) Współczynnik przenikania ciepła podłogi: w strefie środkowej U= 0,46 W/(m 2 K) w strefie przyściennej U= 0,59 W/(m 2 K) * dane w nawiasie dotyczą oporów cieplnych podłogi w strefie przyściennej ys. 3. Podłoga w sali widowiskowej po dociepleniu (stan projektowany) Izolacja przeciwwilgociowa oraz paroizolacja wykonana jest z czarnej folii PCV ułożonej podwójnie na izolacji termicznej. Ze względu na przewidywane obciążenia użytkowe, na izolacji przeciwwilgociowej wykonano płytę betonową grubości 6 cm, zbrojoną od dołu i od góry siatkami z drutu stalowego o średnicy 4,5 mm, o oczkach 10 x 10 cm. Na płycie podkładowej zbrojonej grubości 6 cm wykonano gładź cementową grubości 1 cm pod posadzkę z drewnopochodnych paneli podłogowych, ułożonych na macie z pianki PE. Charakterystykę właściwości fizycznych materiałów oraz opory cieplne poszczególnych warstw podłogi zestawiono w tabeli 2. Zaletą rozwiązania uwarstwienia podłogi w sali widowiskowej jest pojedyncza płyta betonowa z gładzią ułożoną na izolacji przeciwwilgociowej nad termoizolacją, co zmniejsza nakłady na robociznę i zużycie betonu do wykonania podłogi, w porównaniu z dotychczasowymi rozwiązaniami. Tabela 2. Podłoga w sali widowiskowej po dociepleniu (stan projektowany) Masa objętościowa * 1 Panele podłogowe 0,18 0,5 1000 0,03 2 Płyta betonowa zbrojona 1,70 7 2500 0,04 3 2 x folia PCV izol. przeciwilg. 0,17 1390 4 Styropian EPS 250 0,04 5 40 1,25 5 Ubity piasek 0,40 10 1650 0,25 6 Żużel paleniskowy 0,28 20 1000 0,71 7 Grunt rodzimy 1,00 (0,5) Minimalna całkowita grubość podłogi wraz z izolacją termiczną: 42,5 3,28 (2,78) Współczynnik przenikania ciepła podłogi: w strefie środkowej U= 0,29 W/(m 2 K) w strefie przyściennej U= 0,34 W/(m 2 K) * dane w nawiasie dotyczą oporów cieplnych podłogi w strefie przyściennej 17
E KS P LO ATA C J A M O D E N I Z A C J A 2.2. Podłoga w części podpiwniczonej W części socjalnej budynku nad piwnicą posadzka wykonana była z desek grubości 4 cm na legarach ułożonych na warstwie trocin z wapnem grubości 5 cm, na stropie żelbetowym grubości 15 cm, której przekrój pokazano na rysunku 4, a współczynnik przenikania ciepła w tabeli 3. Ze względu na zły stan desek 5 cm (por. rys. 5). Izolację paroszczelną i przeciwwilgociową podłogi stanowi folia czarna z PCV ułożona na warstwie termoizolacyjnej. Posadzkę wykonano z płytek ceramicznych grubości 0,8 cm, ułożonych na wylewce cementowej grubości 3,5 cm. Charakterystykę właściwości fizycznych materiałów oraz opory cieplne poszczególnych warstw podłogi zestawiono w tabeli 4. 3. Ocieplenie ścian zewnętrznych ys. 4. Uwarstwienie podłogi w części socjalnej przed termorenowacją budynku Tabela 3. Podłoga nad piwnicą w części socjalnej (stan poprzedni) W analizowanym budynku ściany zewnętrzne tworzył dotychczas mur z cegły ceramicznej pełnej o grubości 51 cm, z obustronnym tynkiem wapiennym grubości po 1,5 cm (por. rys. 6). Dotychczasowy współczynnik przenikania ciepła U dla tych ścian wynosił wg tabeli 5 1,15 W/(m 2 K) i był większy od wymaganego, który wg [1] wynosi U=0,45 W/(m 2 K). W celu uzyskania racjonalnie niskiego zapotrzebowania na energię budynku, zachodzi potrzeba ocieplenia istniejących przegród 1 Podłoga deski na legarach 0,30 550 4,0 0,13 2 Trociny z wapnem 0,09 300 5,0 0,56 3 Płyta żelbetowa 1,70 2500 15 0,09 4 Tynk wapienny zewnętrzny 0,7 1700 1,0 0,01 Minimalna całkowita grubość podłogi wraz z izolacją termiczną: 25,0 0,79 Współczynnik przenikania ciepła podłogi U= 0,88 W/(m 2 K) podłogowych oraz ze względu na projektowaną funkcję pomieszczeń socjalnych, usunięto deski, legary oraz trociny. Na powierzchni płyty stropowej ułożono płyty termoizolacyjne z twardego styropianu grubości zewnętrznych. Ponieważ elewacje budynku mają charakter zabytkowy (por. rys. 1) oraz w wyniku uprzedniego wykonania remontu dachu bez wystarczającego wysunięcia okapów, zdecydowano się na ocieplenie ścian od wewnątrz. 18 ys. 5. Podłoga nad piwnicą w części socjalnej po dociepleniu (stan projektowany) 3.1. Ściany w sali widowiskowej W sali widowiskowej projektowane uwarstwienie ścian zewnętrznych przedstawia rysunek 7. Przy 6-cm grubości izolacji termicznej ze styropianu uzyskano współczynnik przenikania ciepła U=0,45 W/(m 2 K) (por. tab. 6). Ze względów estetycznych i wykonawczych zastosowano na płytach termoizolacyjnych wewnętrzny tynk akrylowy o grubości 0,5 cm, który wystarczająco chroni ścianę zewnętrzną przed dyfuzją pary wodnej od wewnątrz (por. rys. 9). 3.2. Ściany części socjalnej W części socjalnej budynku w pomieszczeniach o podwyższonej wilgotności powietrza wewnętrz-
EKSPLOATACJA MODENIZACJA Tabela 4. Podłoga nad piwnicą w części socjalnej po dociepleniu (stan projektowany) 1 Posadzka płytki ceramiczne 0,77 1800 0,8 0,01 2 Wylewka cementowa 1,00 2000 3,5 0,04 3 Izolacja przeciwwilg. 1 x folia PCV 0,17 1390 4 Styropian 0,04 40 5 1,25 5 Płyta żelbetowa 1,70 2500 15 0,09 6 Tynk wapienny zewnętrzny 0,7 1700 1,0 0,01 Minimalna całkowita grubość ściany wraz z izolacją termiczną: 25,3 1,40 nego, zastosowano inne rozwiązanie uwarstwienia ścian, przedstawione na rysunku 8. Dla ochrony ścian przed dyfuzją wilgoci od wewnątrz, zastosowano ys. 6. Mur z cegły pełnej o grubości 51 cm (stan przed termorenowacją) Współczynnik przenikania ciepła przegrody U= 0,57 W/(m 2 K) folię paroszczelną PE grubości 0,15 mm na płytach termoizolacyjnych grubości 6 cm. Wykończenie ścian od wewnątrz wykonano za pomocą płyt G-K mocowanych na ruszcie z listew drewnianych. Właściwości fizyczne materiałów oraz współczynniki przenikania ciepła U dla ściany przedstawiono w tabeli 7. Należy zwrócić uwagę na dodatkową izolację naroży ścian wewnętrznych prostopadłych do ścian zewnętrznych, celem eliminacji mostków termicznych. 4. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe Obydwa rozwiązania ścian zewnętrznych były weryfikowane pod kątem uniknięcia rozwoju pleśni na powierzchniach wewnętrznych. W celu ustalenia minimalnej temperatury na powierzchni wewnętrznej (tzw. temperatury punktu pleśni) obliczono minimalny czynnik temperaturowy f si zgodnie z EN-ISO 13788:2001 dla poszczególnych miesięcy w roku i zestawiono w tabeli 8. Dla pomieszczeń sali widowiskowej przyjęto wilgotność względną w pomieszczeniach 45% (klasa wilgotności 3 wg [4]), a dla pomieszczeń socjalnych wilgotność względną wg [2] o wartości 55% (klasa wilgotności 4 wg [4]). Tabela 5. Mur z cegły pełnej o grubości 51 cm (przed ociepleniem) 1 Tynk wapienny wewnętrzny 0,7 1700 1,5 0,02 2 Mur z cegły ceramicznej na zaprawie cem.-wap. 0,77 1800 51 0,66 3 Tynk wapienny zewnętrzny 0,7 1700 1,5 0,02 Minimalna całkowita grubość ściany wraz z izolacją termiczną: 54 0,70 Współczynnik przenikania ciepła przegrody U = 1,15 W/(m 2 K) 19
E KS P LO ATA C J A M O D E N I Z A C J A Na podstawie wyników obliczeń przedstawionych w tabeli 8, miesiącem krytycznym jest grudzień, dla którego temperatura punktu pleśni na powierzchni ściany wynosi 12,1 C. W celu sprawdzenia krytycznej wilgotności powierzchni wewnętrznej oraz uniknięcia kondensacji międzywarstwowej w ścianach zewnętrznych budynku, przeprowadzono odpowiednie analizy cieplno-wilgotnościowe zgodnie z [3], [4], [5] por. rys. 9 i rys.10. 5. Zastosowany sposób ogrzewania budynku ys. 7. Mur ocieplony od wewnątrz ściana sali widowiskowej Tabela 6. Mur ocieplony od wewnątrz ściana sali widowiskowej 1 Tynk akrylowy 0,82 1800 0,5 0,01 2 Styropian 0,04 15 6,0 1,50 3 Tynk wapienny wewnętrzny 0,7 1700 1,5 0,02 5 Mur z cegły ceramicznej na zaprawie cem.-wap. 0,77 1800 51 0,66 5 Tynk wapienny zewnętrzny 0,7 1700 1,5 0,02 Minimalna całkowita grubość ściany wraz z izolacją termiczną: 60,5 2,21 Współczynnik przenikania ciepła przegrody U = 0,45 W/(m 2 K) 20 ys. 8. Mur z cegły pełnej ocieplony od wewnątrz ściana kuchni emontowany budynek ma być wykorzystywany okresowo przez kilka do kilkunastu godzin tygodniowo. Z tego powodu, temperatura wewnętrzna budynku w przeważającym okresie czasu okresu grzewczego powinna oscylować w zakresie temperatur minimalnych, określonych na podstawie obliczeń (por. rys. 11). ównocześnie ze względów ekonomicznych, system grzewczy powinien zapewniać szybką zmianę temperatury powietrza wewnętrznego budynku w godzinach planowanego użytkowania obiektu. Z tego powodu, w budynku zastosowano ogrzewanie nadmuchowe zaprojektowane jako zintegrowany system centralnego ogrzewania i wentylacji. W zastosowanym systemie medium grzewcze stanowi powietrze, które po obróbce cieplnej (tzn. filtrowaniu, nawilżeniu) wdmuchiwane jest bezpośrednio do pomieszczeń budynku. Wewnętrzna instalacja nadmuchowa i wyciągowa wykonana jest w postaci kanałów z blachy stalowej, ocynkowanej, izolowanej termicznie. Lokalizacja kanałów w sali widowiskowej znajduje się pod podłogą (por. rys. 3). W części socjalnej kanały rozprowadzające znajdują się częściowo nad podłogą, a częściowo w sufitach podwieszanych. Powietrze doprowadzane i odprowadzane jest przez kształtki nadmuchowe z przepustnicami regulucjącymi sterowanie potrzebnej ilości powietrza. Ogrzewanie nadmuchowe pozwala na sterowanie ilością dostar-
EKSPLOATACJA MODENIZACJA Tabela 7. Mur ocieplony od wewnątrz ściana sali widowiskowej 1 Płyty g-k 0,23 1000 1,2 0,05 2 Paroizolacja folia PE 0,0015 3 Szczelina pow. 2 cm 2 0,11 4 Styropian 0,04 15 6,0 1,50 5 Tynk wapienny wewnętrzny 0,7 1700 1,5 0,02 6 Mur z cegły ceramicznej na zaprawie cem.-wap. 0,77 1800 51 0,66 7 Tynk wapienny zewnętrzny 0,7 1700 1,5 0,02 Tabela 8. Wyniki obliczeń czynnika temperaturowego na powierzchni wewnętrznej dla uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni ściany w pomieszczeniach budynku Miesiąc Minimalna całkowita grubość ściany wraz z izolacją termiczną: 63,2 2,36 Średnia temperatura powietrza zewnętrznego Θ e [ C] Współczynnik przenikania ciepła przegrody U= 0,42 W/(m 2 K) Minimalna temperatura powietrza wewnętrznego Θ i [ C] Minimalna dopuszczalna temperatura powierzchni ściany Θ si min [ C] Minimalny czynnik temperaturowy na powierzchni wewnętrznej ściany f si min I -2,4 12,1 10,6 0,578 II -1,3 12,4 11,0 0,575 III 2,2 12,9 11,8 0,536 IV 7,3 13,0 12,4 0,4 V 11,9 14,5 14,2 0,279 VI 16,5 17,0 16,9 0,11 VII 16,9 17,3 17,2 0,08 VIII 16,5 17,4 17,3 0,219 IX 13,2 16,8 16,5 0,467 X 8,9 14,3 13,7 0,437 XI 4,0 13,7 12,7 0,544 XII 0,1 13,5 12,1 0,603 czanego świeżego powietrza do pomieszczeń użytkowych w granicach od 5 do 100% (z wykorzystywaniem wewnętrznej czerpni powietrza lub bez). Na szczególną uwagę zasługuje możliwość zastosowania w sezonie letnim systemu ogrzewania jako wentylacji mechanicznej. Temperatura powietrza morze być sterowana automatycznie. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń minimalnych temperatur powietrza wewnętrznego budynku, określonych w celu uniknięcia na powierzchni wewnętrznej ścian tzw. temperatury punktu pleśni, sporządzono diagram minimalnych temperatur powietrza wewnętrznego w okresie roku kalendarzowego (por. rys. 11). Zaprojektowany sposób ocieplenia ścian od wewnątrz zapewnia małą bezwładność cieplną przegród zewnętrzną budynku; dla dodatkowego zmniejszenia prawdopodobieństwa powstawania pleśni wzdłuż ścian poprowadzono kratki nadmuchu powietrza. Ze względu na dużą wysokość sali widowiskowej, dla ograniczenia efektów ruchu konwekcyjnego powietrza ogrzanego zastosowano cichobieżne wentylatory sufitowe (tzw. wiatraki). Zużyte powietrze z pomieszczeń usuwane jest za pomocą kanału wywiewnego z przepustnicą regulacyjną oraz za pomocą grawitacyjnej instalacji kominowej. 6. Wnioski końcowe Na podstawie przeprowadzonej analizy obliczeniowej przyjęto następujące wnioski: minimalna grubość izolacji termicznej wykonanej ze styropianu mocowanego od strony wewnętrznej 21
E KS P LO ATA C J A M O D E N I Z A C J A 22 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 p, ps [Pa] ps ciśnienie pary nasyconej p ciśnienie pary wodnej w przegrodzie 0 2 4 6 8 10 ys. 9. ozkład ciśnień pary wodnej w skali grubości dla ściany zewnętrznej sali widowiskowej (por. rys. 7), przy założeniu warunków klimatycznych dla stycznia: p obliczeniowe ciśnienie pary wodnej, ps ciśnienie pary nasyconej 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 p, ps [Pa] ps ciśnienie pary nasyconej p ciśnienie pary wodnej w przegrodzie 0 5 10 15 20 ys. 10. ozkład ciśnień pary wodnej w skali grubości dla ściany zewnętrznej pomieszczeń socjalnych (por. rys. 8), przy założeniu warunków klimatycznych dla stycznia: p obliczeniowe ciśnienie pary wodnej, ps ciśnienie pary nasyconej 19,0 18,0 17,0 16,0 15,0 14,0 13,0 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 o C 12,1 12,4 12,9 13,0 14,5 17,0 17,3 17,4 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII miesiąc ys. 11. Obliczone minimalne temperatury wnętrza budynku dla poszczególnych miesięcy roku, określone w celu uniknięcia na powierzchni wewnętrznej ścian tzw. temperatury punktu pleśni, zgodnie z EN-ISO 13788:2001 16,8 14,3 13,7 sd sd 13,5 ściany ceglanej o grubości 51 cm wynosi 6,0 cm, a grubość izolacji termicznej podłogi nad piwnicą nieogrzewaną dla stropu żelbetowego o grubości 15 cm wynosi 5,0 cm; dla powyższych grubości termoizolacji oraz zastosowanych warstw wewnętrznych (tynk akrylowy, płyty G-K na paroizolacji z folii PE) na powierzchni we wnętrzu przegrody nie występuje kondensacja pary wodnej (por. rys. 9 i 10); krytycznym miesiącem w roku jest grudzień, w którym należy utrzymywać temperaturę wnętrza budynku na poziomie min. 12,1 C, aby uniknąć na powierzchni ścian temperatury punktu pleśni (por. tab. 8). Z powodu konieczności zastosowania docieplenia wewnętrznego budynku (zabytkowy charakter elewacji), najkorzystniejsze ze względów cieplno-wilgotnościowych oraz ekonomicznych jest ogrzewanie wnętrza za pomocą powietrznej instalacji nadmuchowej. Instalacja ta gwarantuje szybką zmianę temperatury wnętrza oraz możliwość automatycznego sterowania potrzebnej ilości ciepłego powietrza w pomieszczeniach o okresowym czasie eksploatacji. BIBLIOGAFIA [1] Dziennik Ustaw nr 75 poz. 690 z 12 kwietnia 2002. ozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2] PN-91/B-02020 Ochrona cieplna budynków. Wymagania i obliczenia [3] PN-EN 12524:2000 Materiały i wyroby budowlane Właściwości cieplnowilgotnościowe Tabelaryczne wartości obliczeniowe [4] PN-EN ISO 13788:2002 Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej dla uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacji międzywarstwowej. Metody obliczania [5] PN-EN ISO 6946:1999 Komponenty budowlane i elementy budynku. i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania