Poprawa standardu energetycznego budynków historycznych

Wśród głównych przyczyn zmian klimatycznych na Ziemi wskazuje się na rosnące stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze, wynikające zarówno z naturalnych procesów przyrodniczych, jak i w coraz większym stopniu będące skutkiem działalności człowieka.

W skali światowej około 15,3% emisji gazów cieplarnianych jest skutkiem użytkowania budynków [2]. Na terenie państw Unii Europejskiej sektor budowlany odpowiedzialny jest za konsumpcję około 40% całkowitej produkcji energii [3], co powoduje, że zrównoważone, pozbawione śladu węglowego zużycie energii w budynkach stało się dużym wyzwaniem współczesności. 

Inżynierowie i liczne zespoły badawcze na świecie poszukują możliwych do zastosowania rozwiązań niskoenergetycznych sprzyjających ograniczeniu popytu na nieodnawialne nośniki energii, pozwalających jednocześnie na zmniejszenie emisji CO₂ do atmosfery.

Większość realizowanych projektów związana jest z nowymi, często innowacyjnymi i mocno zaawansowanymi technicznie oraz technologicznie obiektami o wysokim standardzie energetycznym. Należy jednak pamiętać, że niemal nieodłącznym elementem krajobrazu przestrzennego są budynki dawne.

Typowym problemem budynków historycznych, wynikającym z czasu ich powstania, dostępnej ówcześnie wiedzy, stanu techniki i rozwoju rynku materiałów, jest ich wysoka energochłonność, głównie w zakresie ogrzewania i wentylacji. Obiekty te w ramach oferowanego komfortu użytkowania nie stanowią konkurencji dla budynków nowych, co często jest powodem zaprzestania ich użytkowania.

Istniejąca dawna tkanka budowlana zawiera jednak znaczącą ilość energii wbudowanej¹, która przy odpowiednio wprowadzonych działaniach modernizacyjnych stanowi potencjał uniknięcia zużycia energii w procesie jej rozbiórki i utylizacji oraz wzniesienia nowych obiektów.

Z powyższego wynika, że potencjał energetyczny tkwiący w istniejących zasobach budowlanych powinien każdorazowo być brany pod uwagę w strategiach zrównoważonego zarządzania energią przestrzeni zurbanizowanych.

Określenie sposobu poprawy jakości energetycznej budynków historycznych jest zadaniem trudnym i wymagającym szczególnej uwagi zarówno audytora, projektanta, jak i innych służb związanych z procesem inwestycyjnym.

Możliwość wykonania standardowych usprawnień termomodernizacyjnych ulega komplikacji w przypadku konieczności zachowania cennego detalu architektonicznego, zarówno powierzchni wewnętrznych, jak i zewnętrznych, wynikającej z objęcia budynku ochroną prawną przez służbę ochrony zabytków.

Zagadnienia związane z modernizacją obiektów historycznych pojawiają się w opra­cowaniach wielu autorów, co dowodzi istotności tematyki. Stale prowadzone są prace badawcze mające na celu opracowanie racjonalnego podejścia do dawnej tkanki budowlanej oraz określenie oddziaływania na istniejący budynek proponowanych do zastosowania technologii czy materiałów.

Wprowadzane rozwiązania powinny w pierwszym rzędzie skutkować zmniejszeniem zużycia energii na cele grzewcze, zapewnieniem poprawności stanu cieplno-wilgot­nościo­wego przegród oraz polepszeniem komfortu cieplnego użytkowników, przy jednoczesnej możliwej minimalizacji ingerencji w obiekt. Rozwiązania te nie mogą natomiast powodować pogorszenia stanu technicznego obiektu.

Samo znaczenie termomodernizacji zaczyna ewoluować w kierun­ku rozwiązań odnoszących się do szerokiego kontekstu zużycia energii w budynkach, włączając kwestie oświetlenia pomieszczeń, jak i coraz częściej ich chłodzenia w okresie letnim.

Charakterystyka obiektów historycznych

Zagadnienia związane z termomodernizacją budynków historycznych przedstawione zostaną na przykładzie wybranych obiektów użyteczności publicznej. Ocenie wielkości potrzeb energetycznych poddano grupę 12 obiektów o zróżnicowanym datowaniu - od lat 20. XVIII w. do 1. połowy XX w. (TABELA 1).

W analizowanej grupie 8 budynków pełni funkcję biurowo-administracyjną, 2 - usługową, a kolejne 2 - pomocniczą w opiece zdrowotnej w zakresie pokrycia potrzeb społecznych.

Wszystkie obiekty wzniesione zostały w konstrukcji tradycyjnej murowanej z wykorzystaniem cegły ceramicznej pełnej, poza budynkiem oznaczonym symbolem B7, który ma szkieletowy, żelbetonowy układ konstrukcyjny z ceramicznym wypełnieniem ścian.

Budynek U1, pomimo tradycyjnej konstrukcji, charakteryzuje ponadprzeciętna grubość murów dochodząca do 2 m. Obiekt ten pierwotnie wchodził w skład dawnych fortyfikacji miejskich - jego ściany boczne zwieńczone sklepieniem osłonięte były wałem ziemnym.

Budynek U1 jest najstarszym z analizowanej grupy i jednocześnie ma najbogatsze opracowanie elewacji frontowej i tylnej (FOT. 1). Budynek U2 w partii piętra jest oszalowany w układzie pionowym (FOT. 2). Budynki oznaczone jako B3 i B6 mają elewacje ceglane akcentowane detalem wykonanym z barwionej w masie, szkliwionej cegły (FOT. 5).

Tynkowane ściany obiektu PS2 zdobione są detalem w postaci ceglanych gzymsów i opasek okiennych (FOT. 3), pozostałe budynki są wykończone typowymi wyprawami tradycyjnymi. Obiekt B8 ma dekora­cję zewnętrzną w postaci opasek okiennych wykonanych z piaskowca i szlifowanych bloków betonowych (FOT. 6).

Energia cieplna dostarczana do obiektów pochodzi głównie ze źródeł lokalnych w postaci kotłowni gazowej - budynki PS1, B2, B3, B5, B6 i B8, kotłowni węglowej - obiekty U2 i B7.

Budynki PS2 i B1 zaopatrywane są w ciepło z zewnętrznej sieci ciepłowniczej (stan wyjściowy), natomiast obiekt U1 zasilany jest z sieci elektroenergetycznej. Wszystkie budynki charakteryzują się wysokim wskaźnikiem zapotrzebowania na energię cieplną i wynikającymi z tego kosztami utrzymania.

W TABELI 3 zestawiono wskaźniki zapotrzebowania na energię końcową i pierwotną poszczególnych budynków w stanie wyjściowym.

Zważywszy, że aktualnie obowiązująca wartość graniczna zapotrzebowania na energię pierwotną na cele ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej w nowych budynkach użyteczności publicznej wynosi 65 kWh/(m²·rok), a w przypadku obiektów opieki zdrowotnej 390 kWh/(m²·rok), należy wskazać, że analizowane obiekty nie spełniają aktualnych standardów w zakresie zużycia energii.

Skrajnie, w przypadku budynku U1, wartość graniczna wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną przekroczona jest ponad dwudziestokrotnie.

Proponowane usprawnienia termomodernizacyjne

W celu ograniczenia wysokich kosztów eksploatacyjnych oraz poprawy warunków użytkowania obiektów zaproponowano szereg przedsięwzięć termomodernizacyjnych.

Zakres usprawnień w poszczególnych budynkach wynikał z ich stanu zachowania - zarówno konstrukcji, jak i elementów wykończeniowych, a w przypadku budynków podlegających ochronie prawnej - z wytycznych wydanych przez służbę konserwatorską (TABELA 2).

W sytuacji występowania elementów dekoracyjnych na elewacjach, ocieplenie ścian zewnętrznych budynku staje się utrudnione lub wręcz niemożliwe. Ocieplenie zewnętrzne ścian zaproponowano dla budynków U2, PS2, B1, B2, B4, B5, B7 i B8.

W przypadku budynku PS2 przewidziano wykonanie wtórnych wypraw zewnętrznych z wykorzysta­niem tynku termoizolacyjnego. W obiekcie U2 przewidziano ocieplenie ścian od strony zewnętrznej płytami z twardej wełny mineralnej wraz z odtworzeniem na siatce Rabitza tynku zewnętrznego według oryginalnych receptur i charakterystycznego dla tego obiektu szalowania ścian wyższej kondygnacji.

Stan tynków zewnętrznych budynku B8 kwalifikował je do skucia, stąd w przewidywanym usprawnieniu zaproponowano wprowadzenie w pierwotnej grubości tynku zewnętrznego izolacji termicznej z płyt fenolowych grubości 2 cm, a następnie odtworzenie tynku zewnętrznego na siatce Rabitza.

Proponowane działania w zakresie ocieplenia powierzchni połaci dachowych oraz stropów pod nieogrzewanymi poddaszami, z uwagi na brak zagospodarowania większości poddaszy, przewidziano w powszechnie stosowanej technologii wprowadzenia izolacji termicznej z wełny mineralnej z uzupełnieniem izolacją paroszczelną i wiatroszczelną.

Wyjątek od tej reguły pojawił się w przypadku dawnej bramy miejskiej (U1), w której przewidziano ocieplenie od strony zewnętrznej najcieńszego fragmentu sklepienia w celu poprawy warunków cieplno-wilgotnościowych na powierzchni wewnętrznej przegrody.

Stan stolarki otworowej w poszczególnych budynkach był zróżnicowany. W budynkach U1, U2, PS1, PS2 oraz B7 przewidziano całkowitą wymianę pierwotnej, często jednoszynowej stolarki okiennej, na nową i spełniającą aktualne wymagania izolacyjności termicznej oraz odtwarzającą oryginalne podziały okienne.

W przypadku obiektu B8 część stolarki okiennej poddana była wymianie w poprzednich latach, natomiast w budynku B6 usprawnienie dotyczyło tylko jednego reprezentacyjnego okna witrażowego, szklonego szybą pojedynczą.

W tym przypadku jako działanie termomodernizacyjne zaproponowano wprowadzenie drugiego okna spełniającego wymagania izolacyjności termicznej, a jednocześnie pozwalającego na pełną ekspozycję oryginalnego zamknięcia otworu.

W budynku U1 przewidziano wymianę pełnych witryn szklanych (zawierających również drzwi zewnętrzne) zamykających półkoliście zwieńczone pierwotne otwory bramne.

W przypadku drzwi zewnętrznych specyficzna sytuacja wystąpiła w budynku B8, w którym z uwagi na ograniczenia konserwatorskie nie wymieniono stolarki drzwiowej, a jedynie poddano ją pełnej renowacji z dodatkowymi zabiegami mającymi na celu uszczelnienie otworu.

W przypadku pięciu budynków zaproponowano wprowadzenie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Nowy system wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła przewidziano w budynkach U1, U2, B7 i B8, natomiast w obiekcie PS2 zakres usprawnienia objął wymianę istniejących 3 układów wentylacji mechanicznej.

W sześciu przypadkach (U1, U2, PS1, PS2, B7 i B8) zaproponowano usprawnienie systemu ogrzewania wraz z pracami w obrębie źródła ciepła. W przypadku budynku U1 przewidziano wprowadzenie powietrznej pompy ciepła, zaś w obiekcie U2 zlokalizowanym na terenie objętym programem ochrony przyrody Natura 2000 - zastąpienie istniejącej kotłowi węglowej pionową gruntową pompą ciepła. W przypadku źródła ciepła budynku B7 (kotłowni węglowej) zaproponowano przyłączenie obiektu do miejskiej sieci ciepłowniczej.

W TABELI 3 zestawiono dane obliczeniowe w stanie przed modernizacją, obejmujące średnioważony współczynnik przenikania ciepła obudowy UC,śr, jednostkowe zapotrzebowanie na energię końcową EKH oraz energię pierwotną EPH do celów ogrzewania i wentylacji, roczny koszt ogrzewania 1 m² powierzchni użytkowej wraz z oszacowaniem tych wielkości w stanie po zakładanej termomodernizacji.

Dane w tabeli uzupełnione zostały o wielkość oszczędności energii wynikającą z proponowanych usprawnień oraz prosty czas zwrotu proponowanych usprawnień.

Wyznaczony w analizowanej grupie obiektów wskaźnik zapotrzebowania na energię końcową na potrzeby ogrzewania i wentylacji (EKH) w stanie wyjściowym, w większości rozpatrywanych budynków pokrywa się z wielko­ścią podawaną w literaturze [4] wynoszącą od 240 do 350 kWh/(m²·K) w odniesieniu do budynków wzniesionych do 1966 r.

W analizowanej grupie, w zależności od zakresu możliwych do realizacji i proponowanych usprawnień (TABELA 2), szacowana roczna oszczędność zużycia energii na cele ogrzewania i wentylacji waha się w zakresie od 15 do 92% (TABELA 3, RYS.). Największym potencjałem termomodernizacyjnym charakteryzują się budynki usługowe U1 i U2, będące jednocześnie obiektami najstarszymi.

Jak wiadomo, działania termomodernizacyjne, poza przewidywaną oszczędnością energii i kosztów utrzymania obiektów, skutkują również ograniczeniem emisji CO2 do atmosfery.

W TABELI 4 zestawiono określoną dla analizowanych obiektów wielkość emisji CO2 w stanie wyjściowym oraz przewidywanym po wprowadzeniu usprawnień. Przewidywana procentowa redukcja emisji CO2 wskutek przeprowadzenia wskazanych usprawnień waha się w granicach od 15 do 94%.

Podsumowanie

Z przedstawionych w artykule analiz wynika bezsprzeczna możliwość poprawy standardu energetycznego budynków dawnych, w tym również objętych ochroną konserwatorską.

Zakres proponowanych usprawnień w obrębie obudowy przedstawionych obiektów i ich systemów technicznych każdorazowo odnosił się do ich stanu zachowania, nałożonych ograniczeń prawnych oraz technicznych i wynikał z wykonanych dla nich audytów energetycznych.

Uzyskane wyniki pozwalają stwierdzić, że w przypadku obiektów dawnych efektywne energetycznie usprawnienia nie muszą obejmować całej bryły budynku, a mogą dotyczyć tylko wybranych przegród tak, jak w przypadku budynków B3 i B6.

Poza tradycyjnymi usprawnieniami opisanymi w artykule, stosuje się również inne rozwiązania, np. metodę ocieplenia przegród od strony wewnętrznej „In” [5] czy tworzenie buforów cieplnych poprzez wprowadzenie zewnętrznej fasady szklanej [6].

Autorzy pragną podziękować Ryszardowi Oreckiemu, pierwszemu czytelnikowi artykułu, za udzielone wsparcie merytoryczne i edytorskie.

Literatura

1. https://secure.avaaz.org/pl/climate_march_reportback/? bAjBaib&v=47067 [dostęp: 29.09.2014 r.].
2. T. Mania, "Efektywność energetyczna w rewaloryzacji budynków zabytkowych", Konferencja Bałtyckiego Klastra Ekoenergetycznego oraz Gdańskiego Klastra Budowlanego nt. "Eko-budownictwo i Energetyka Odnawialna szansą na rozwój regionu pomorskiego w programie Horyzont 2020", Gdańsk, 4.12.2013 r. http://www.imp.gda.pl/fileadmin/user_upload/bkee/2013_12_04_konferencja/04_Tomasz_Mania_Zabytki.pdf [dostęp: 29 września 2014 r.].
3. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dn. 19.05.2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (Dz. Urz. UE L153/13).
4. J. Żurawski, "Energochłonność budynków mieszkalnych", "Izolacje" nr 2/2008, s. 26–29.
5. R. Wójcik, "Rewitalizacja i remonty budynków zabytkowych w aspekcie oszczędności energetycznej", VIII Dni oszczędzania energii, Wrocław 2010.
6. A. Swarcewicz, K. Kurtz-Orecka, "Wykorzystanie podwójnej fasady w termomodernizacji budynków zabytkowych - studium przypadku" [w:] "Kierunki rozwoju budownictwa energooszczędnego i wykorzystania odnawialnych źródeł energii na terenie Dolnego Śląska", praca zbiorowa pod red. A. Bać, J. Kasperskiego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013, s. 175–184.
7. N. Larsson, "Zagadnienia zrównoważonego rozwoju dla budynków w XXI w.", "Energia i Budynek", nr 8 (08)/2007, str. 48–55.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

¹ Energia wbudowana w postaci energii zużytej na proces produkcji materiałów budowlanych, transport czy prace związane ze wzniesieniem obiektu