Energooszczędny segment w zabudowie szeregowej str. 1 Energooszczędny segment w zabudowie szeregowej Jeden z uŝytkowników serwisu BDB z Wrocławia przesłał projekt segmentu w zabudowie szeregowej z takim oto komentarzem: Kupiłem dom w zabudowie szeregowej na razie jest stan surowy zamknięty a ściany ocieplone styropianem grubości 10 cm. Chciałbym osiągnąć moŝliwie najniŝszy współczynnik przenikania ciepła - tak aby zapotrzebowanie na energię spadło do 30 kwh/m 2 rok (obecnie wg deklaracji developera jest ponoć 75). Chciałbym docieplić istniejącą ścianę ale raczej od wewnątrz, chyba Ŝe to w ogóle niemoŝliwe lub bardzo szkodliwe dla ściany to wtedy od zewnątrz. Proszę więc o wykonanie analizy c-w dla tego budynku (z naciskiem na 30 kwh, jeśli to moŝliwe). Z izolacją dachu i posadzki nie ma problemu. Mogę dać tyle izolacji ile będzie trzeba. Fundamenty ocieplone 1m w głąb grubość styropianu 5 cm. Przesyłam równieŝ fotografie projektów oraz podaję link strony developera tam są podane dane stolarki okiennej. Jeśli wyniki będą zadowalające to zamierzam namówić kilku sąsiadów tej szeregówki na takie docieplenie. Tak więc, inwestor słysząc zewsząd nawoływania do tworzenia domów energooszczędnych, postanowił (i słusznie) swój segment przenieść do grupy domów o super niskim zapotrzebowaniu na energię. Trzeba przyznać, Ŝe segment mający zuŝycie energii 75 kwh/m 2 rok, pod tym względem juŝ daje powody do zadowolenia. Stan istniejący Za stan istniejący przyjmuję zakres i rozwiązania zawarte w projekcie budowlanym oraz zastosowane juŝ przy budowie materiały, o których pisze pytający. W pierwszej kolejności naleŝy obliczyć wartości współczynników przenikania ciepła w warunkach obliczeniowych. 1. Po obliczeniach współczynniki przenikania ciepła U wynoszą: ściany zewnętrzne: tynk gipsowy 15 mm, beton komórkowy 500 grub. 24 cm, styropian 10 cm, warstwa zbrojona szpachlowa mineralna, wyprawa mineralna 2 mm firmy KABE, farba akrylowa firmy SELENA, U = 0,24 W/m 2 K podłogi na gruncie: beton podkładowy 5 cm, folia, styropian FS-20 grub. 8 cm, beton posadzki 10 cm, posadzka, U = 0,43 W/m 2 K
Energooszczędny segment w zabudowie szeregowej str. 2 dach nad poddaszem uŝytkowym: płyta G-K, paroizolacja folia, wełna mineralna grub. 20 cm, U = 0,20 W/m 2 K okna i drzwi zewnętrzne z drewna klejonego 2-szybowe, U = 1,2 W/m 2 K drzwi wejściowe drewniane, U = 2 W/m 2 K 2. Ilość zamieszkałych osób: 3 3. Instalacja c.o.: kocioł 2-funkcyjny co/cwu gazowy kondensacyjny sterowanie programatorem tygodniowym ogrzewanie podłogowe 4. Instalacja c.w.u.: z zasobnikiem 150 l, temp. maksymalna wody uŝytkowej +60 o C temp. wody zimnej +10 o C 5. Poddasze: uŝytkowe 6. Ocieplenie fundamentów: od zewnątrz styropian XPS grub. 6 cm do ław od wewnątrz - brak. Po obliczeniach energetycznych (wariant A), struktura strat ciepła segmentu przedstawia się następująco: ściany zewnętrzne 2,02 % okna 14,19 % podłoga 11,09 % dach 9,19 % okno dachowe 0,64 % wentylacja 38,89 % c.w.u. 23,99 % Emisja CO 2 wynosi 26,63 kg/m 2 rok. Uzyskany wskaźnik energetyczny EP tego segmentu w stanie projektowym wynosi 0,77 w stosunku do domu modelowego wynikającego z aktualnych norm w Polsce. Daje to klasę energetyczną D o zapotrzebowaniu energii wynoszącym 93 kwh/m 2 rok, tj. w dolnym zakresie klasy D.
Energooszczędny segment w zabudowie szeregowej str. 3 Poprawa własności energetycznych przez docieplenie podłogi i dachu Spróbujmy poprawić charakterystykę energetyczną tego segmentu, zmieniając strukturę warstw podłogi na gruncie na następujący układ warstw (od spodu): - beton podkładowy 10 cm, - hydroizolacja polimerowo-bitumiczna grubości 2 mm, - styropian EPS-200 grubości 15 cm, - beton posadzki 7 cm, oraz zmieniając strukturę warstw dachu na (od wewnątrz): - płyta G-K, - folia paroizolacyjna, - wełna mineralna grubości 25 cm. W przypadku podłogi uzyskuje się nową wartość U = 0,26 W/m 2 K, tj. niŝszą o 40 %, zaś w przypadku dachu uzyskuje się nową wartość U = 0,16 W/m 2 K, tj. niŝszą o 20 %. Zwiększamy takŝe rodzaj i grubość ocieplenia fundamentów na: od zewnątrz styropian XPS grub. 10 cm do ław, od wewnątrz styropian EPS-200 grub. 5 cm. Pozostałe rozwiązania pozostawiamy bez zmian. Po obliczeniach energetycznych (wariant B), struktura strat ciepła segmentu tym razem przedstawia się następująco: ściany zewnętrzne 2,15 % okna 15,13 % podłoga 7,15 % dach 7,84 % okno dachowe 0,68 % wentylacja 41,47 % c.w.u. 25,59 % Emisja CO 2 wynosi 24,17 kg/m 2 rok (zmalała o 4 %). Uzyskany lepszy wskaźnik energetyczny EP tego segmentu wynoszący 0,72 w stosunku do domu modelowego wynikającego z aktualnych norm w Polsce. Daje to klasę energetyczną C o zapotrzebowaniu energii wynoszącym 86 kwh/m 2 rok, tj. w górnym zakresie klasy C. Poprawa własności energetycznych przez docieplenie podłogi i ścian Spróbujmy teraz dalej poprawić charakterystykę energetyczną tego segmentu, zmieniając na podłodze grubość styropianu EPS-200 na 20 cm, utrzymując ostatnie rozwiązanie dachu oraz zmieniając strukturę warstw ściany zewnętrznej na (od wewnątrz):
Energooszczędny segment w zabudowie szeregowej str. 4 - tynk gipsowy 15 mm, - beton komórkowy 500 grub. 24 cm, - styropian 10 cm, - warstwa zbrojona szpachlowa mineralna, - wyprawa mineralna 2 mm firmy KABE, - farba akrylowa firmy SELENA, - dodatkowo styropian 10 cm, - warstwa zbrojona szpachlowa mineralna, - wyprawa mineralna 2 mm, - farba silikonowa. Utrzymujemy takŝe ostatnie rozwiązanie ocieplenia fundamentów. Pozostałe rozwiązania pozostawiamy bez zmian. W przypadku podłogi uzyskuje się nową wartość U = 0,20 W/m 2 K, tj. niŝszą o 54 % od stanu istniejącego (0,43), zaś w przypadku ścian zewnętrznych uzyskuje się nową wartość U = 0,16 W/m 2 K, tj. niŝszą o 33 % od stanu istniejącego (0,24). Po obliczeniach energetycznych (wariant C), struktura strat ciepła segmentu tym razem przedstawia się następująco: ściany zewnętrzne 1,41 % okna 15,50 % podłoga 5,64 % dach 8,03 % okno dachowe 0,70 % wentylacja 42,50 % c.w.u. 26,22 % Emisja CO 2 wynosi 23,27 kg/m 2 rok i zmalała o 13 % w stosunku do stanu istniejącego (26,63). Uzyskany wskaźnik energetyczny EP tego segmentu niewiele się poprawił i wynosi teraz 0,71 w stosunku do domu modelowego wynikającego z aktualnych norm w Polsce. Daje to nadal klasę energetyczną C o zapotrzebowaniu energii wynoszącym 85 kwh/m 2 rok, tj. w tym samym zakresie klasy C. Wnioski z badania charakterystyki energetycznej 1. Analizowany segment budynku po dodatkowych termoizolacjach, najwięcej ciepła potrzebuje na wentylację (42 %), ciepłą wodę uŝytkową (ponad 26 %) oraz na pokrycie strat ciepła przez stolarkę okienno-drzwiową (ponad 15 %). Straty ciepła przez ściany zewnętrzne stanowią tylko ok. 2 %, podłogi na gruncie tylko ok. 5 % i dach 8 %.
Energooszczędny segment w zabudowie szeregowej str. 5 2. W stanie projektowym (wariant A) segment uzyskuje klasę energetyczną D o wskaźniku 0,77. Daje to zmniejszenie zapotrzebowania energii o 23 % w stosunku do domu o klasie odniesienia 1,0 i pozwala uzyskać zapotrzebowanie energii w wysokości 93 kwh/m 2 rok. 3. Zastosowane w wariancie B zwiększenie ocieplenia podłogi styropianem do grubości 15 cm, ocieplenia fundamentu od zewnątrz styropianem grub. 10 cm i od wewnątrz grub. 5 cm oraz dachu wełną mineralną do grubości 25 cm, pozwala uzyskać klasę energetyczną C o wskaźniku 0,72. Daje to zmniejszenie zapotrzebowania energii o kolejne 5 % i pozwala uzyskać zapotrzebowanie energii w wysokości 86 kwh/m 2 rok. 4. Dalsza poprawa własności energetycznych domu poprzez zwiększenie grubości ocieplenia ścian styropianem o kolejne 10 cm z wyprawą mineralną oraz farbą silikonową, praktycznie nie zmienia klasy energetycznej segmentu i daje wskaźnik 0,71 (dalsze zmniejszenie zapotrzebowania energii o zaledwie 1 %). Zapotrzebowanie energii wynosi 85 kwh/m 2 rok. Wyklucza to celowość wprowadzania dodatkowego docieplania ścian w segmencie w stosunku do stanu zrealizowanego. Wniosek ten wynika z niskiego udziału strat ciepła przez przenikanie ścian (ok. 1,5 %) w całości strat ciepła. Dalsze docieplanie podłóg oraz dachu takŝe jest niecelowe - z tego samego powodu. 5. W przyszłości - jeśli będzie taka moŝliwość - celowa będzie wymiana stolarki okiennej i drzwiowej na lepszą (o niŝszych współczynnikach przenikania ciepła U). 6. W celu uzyskania oszczędności w potrzebach energetycznych domu, celowe będzie oszczędne gospodarowanie zuŝyciem ciepłej wody uŝytkowej, gdyŝ zapotrzebowanie ciepła na jej cele wynosi aŝ ponad 26 % w całym zapotrzebowaniu energii dla budynku. Celowe jest rozpatrzenie zastosowania instalacji solarnej do uzyskiwania c.w.u., a nakłady inwestycyjne szybko się zwrócą uŝytkownikowi. 7. Z uwagi na najwyŝszy udział zapotrzebowania energii na cele wentylacji, wskazane jest zastosowanie wentylacji mechanicznej w segmencie z uŝyciem rekuperatora ciepła. Zastosowanie GWC moŝe mieć miejsce, ale pod warunkiem moŝliwie najniŝszych kosztów inwestycyjnych oraz posiadania warunków terenowych przed segmentem. Długość i średnica GWC musi być dobrana stosownie do potrzeb energetycznych domu na cele wentylacji (V = 185 m 3 /h). 8. Całość niniejszej analizy została wykonana przy załoŝeniu, Ŝe system ociepleń ścian zewnętrznych, podłóg oraz dachu został dobrany poprawnie, tj. z wykluczeniem zawilgoceń przegród tracących ciepło z powodu skraplającej się wewnątrz nich pary wodnej. Analiza cieplno-wilgotnościowa ścian zewnętrznych Podkreślić trzeba, Ŝe do obliczeń energetycznych segmentu przyjąłem załoŝenie, iŝ wszystkie współczynniki przenikania ciepła przegród tracących ciepło mają niezmienioną wartość przez cały rok. Stąd powstało zastrzeŝenie zawarte w p. 8, bowiem w rzeczywistości tak nie jest i potrzebne jest sprawdzenie stanu wilgotnościowego tych przegród. Przyjrzyjmy się ścianom zewnętrznym. Jak wynika z obliczeń cieplno-wilgotnościowych w stanie stacjonarnym (obliczeniowym) dla miasta Wrocławia, dla ścian segmentu ocieplonych styropianem grub. 10 cm, z mineralną warstwą szpachlową zbrojoną siatką szklaną, z wyprawą mineralną 2 mm firmy KABE, farbą akrylową firmy SELENA, uzyskuje się następujące wartości fizyczne: - wsp. przenikania ciepła U = 0,243 W/m 2 K - gęstość strumienia ciepła q = 8,740 W/m 2 - gęstość strumienia pary wodnej q v = 0,117 g/m 2 h Jak wynika z interpretacji geometrycznej tych wyników obliczeń, występuje zagroŝenie kondensacją pary wodnej w strefie SKs = 164 mm - obejmującej całą grubość styropianu oraz ponad 6 cm muru z betonu komórkowego. Wskazuje to, iŝ nie jest to rozwiązanie poprawne, bowiem kondensacja pary wodnej moŝe doprowadzić do powstania korozji biologicznej ścian (szczególnie od strony północnej) oraz moŝe wpływać na pogorszenie własności cieplnych styropianu oraz bloczków betonu komórkowego - w rezultacie zwiększenia rzeczywistych strat ciepła przez ściany. Linie ciśnień cząstkowych pary wodnej
Energooszczędny segment w zabudowie szeregowej str. 6 przecinają się pod małym kątem, co oznacza znaczną niestabilność warunków wilgotnościowych w ścianie - szczególnie w pomieszczeniach o większym zawilgoceniu powietrza lub przy przeciągających się zimach. Dla określenia istnienia zagroŝenia procesami biologicznymi, konieczne jest wykonanie symulacji zachowania się tych ścian w warunkach rzeczywistych. Wykorzystując program WUFI uzyskuje się potwierdzenie, iŝ kondensacja pary wodnej występuje głównie w warstwie styropianu i trwa w okresie od początku listopada do końca kwietnia. W okresie letnim zachodzi tylko częściowe odparowanie wilgoci i w rezultacie w kolejnej zimie bilans wilgoci rośnie - z zagroŝeniem kumulacji wilgoci w ścianie. Wilgotność styropianu wynosi od 2 do 5,5 kg/m 2 co odpowiada masowej zawartości wilgoci od 13 do 36 %. ZagroŜenie korozją biologiczną na elewacji jest duŝe - szczególnie od strony północnej. Jeśli jednak,
Energooszczędny segment w zabudowie szeregowej str. 7 za jakiś czas elewacja byłaby malowana ponownie farbą akrylową, stan zagroŝenia korozją biologiczną silnie wzrośnie. Widać, Ŝe podczas projektowania nie wykonywano analizy cieplno-wilgotnościowej, gdyŝ do malowania tej elewacji powinna być zastosowana farba silikonowa i w przyszłości wyłącznie taka moŝe być zastosowana do renowacji elewacji! Trzeba zastrzec, Ŝe wobec braku danych fizycznych zarówno wyprawy mineralnej firmy KABE jak i farby akrylowej SELENA (brak danych na stronach internetowych tych firm), do analizy przyjąłem uśrednione wartości oporów dyfuzyjnych wyprawy i farby, co w rzeczywistości moŝe dać nieco inne wyniki analizy, jednakŝe nie zmieni to generalnych wniosków. Dla celów porównawczych identyczne obliczenia wykonałem dla wersji ocieplenia wełną mineralną tej samej grubości. Z obliczeń w stanie stacjonarnym tej wersji wynika, iŝ kondensacja pary wodnej jest znacznie mniejsza i znajduje się w skrajnej strefie wełny mineralnej na szerokości połowy jej grubości tj. 50 mm - rozpoczynając się tuŝ pod warstwą wyprawy elewacyjnej. Wnioski z analizy cieplno-wilgotnościowej Analizowana ściana zewnętrzna moŝe podczas eksploatacji stwarzać problemy z utrzymaniem nienagannego stanu - szczególnie od strony północnej (glony, wykwity). Zwiększenie wilgotności warstwy styropianu na skutek kondensacji pary wodnej będzie zwiększać rzeczywistą wartość wsp. przenikania ciepła U i tym samym zwiększy rzeczywiste straty ciepła przez ściany zewnętrzne. Jedynym pozytywnym wnioskiem jest fakt, iŝ udział strat ciepła ścian zewnętrznych jest na szczęście niewielki, co nie będzie
Energooszczędny segment w zabudowie szeregowej str. 8 wyraźnie odczuwalne na kosztach eksploatacji i charakterystyka energetyczna segmentu pozostanie niemal taka jak obliczyłem wcześniej. Na koniec kilka spostrzeŝeń. Wielu osobom wydaje się, Ŝe jeśli nie jedynym to podstawowym kryterium tworzenia domów energooszczędnych jest zadbanie o jak najniŝsze wartości współczynników przenikania ciepła. Co najgorsze, podobne myślenia spotyka się takŝe wśród niektórych projektantów. Jest to niewątpliwie spowodowane nachalną i wprowadzającą w błąd reklamą wielu producentów materiałów termoizolacyjnych, którą rynek jest faszerowany niemal codziennie. Jak wynika z przedstawionej analizy energetycznej, owszem niska wartość współczynników przenikania ciepła U ścian, dachu i podłogi ma znaczenie w obniŝeniu sumarycznego zapotrzebowania na energię. JednakŜe są pozycje, które niweczą efekty obniŝania strat ciepła przez te elementy segmentu. Taką pozycją jest stolarka okienna i drzwiowa. Wysokie jej współczynniki przenikania ciepła dają takie rezultaty, jakby w termoizolacji ścian czy dachu istniały przerwy! PrzecieŜ sama stolarka traci tyle samo ciepła co ściany, podłogi i dach razem wzięte! Dalsze ocieplanie zarówno ścian, dachu jaki i podłóg nie ma juŝ uzasadnienia! Inną pozycją nie do ugryzienia w bilansie energetycznym jest ciepła woda uŝytkowa. Zapotrzebowanie ciepła na jej przygotowanie stanowi aŝ ponad 26 %. W tej sytuacji, chcąc dalej zmniejszyć zapotrzebowanie energii do segmentu, naleŝałoby zastosować podgrzewanie wody wodociągowej z wykorzystaniem taniej energii cieplnej, np. instalacji solarnej - najlepiej wspólnej dla kilku sąsiednich segmentów. No i ostatnia niezwykle energochłonna pozycja: wentylacja. Na cele wentylacyjne potrzeba aŝ 43 % energii. Chcąc spełnić marzenie pytającego i doprowadzić do uzyskania charakterystyki energetycznej na poziomie 30-40 kwh/m 2 rok, naleŝy zastosować nie tylko rekuperację ciepła wentylacyjnego, ale takŝe wstępne podgrzanie powietrza czerpanego do wentylacji w gruntowym wymienniku ciepła. NiezaleŜnie od tego, zajdzie potrzeba dostarczenia taniej energii cieplnej do nagrzewnic powietrza, np. z grupowej pompy cieplnej - wspólnej dla kilku segmentów. Oczywiście, w takim przypadku nie będzie nic za darmo, gdyŝ tworząc segment o tak niskim zapotrzebowaniu energii, trzeba będzie liczyć się ze zwiększonymi kosztami budowy związanymi z eliminacją wentylacji grawitacyjnej i zastosowaniem wentylacji mechanicznej (rurociągi, izolacje, stropy podwieszone, czerpnia, wyrzutnia, filtry, automatyka i sterowanie, projekt instalacji skojarzonej itd.). Inaczej mówiąc, domy energooszczędne wymagają zupełnie innego niŝ dotychczas podejścia do projektowania i wykonawstwa, aby moŝna było osiągać zamierzone cele: domy energooszczędne za rozsądne wydatki. mgr inŝ. Jerzy Zembrowski Biuro Doradztwa Budowlanego Białystok 06.06.2008 r. rysunki autora