Elementy komfortu użytkowania w ocieplonych budynkach

Ochrona cieplna zewnętrznych przegród obiektów budowlanych jest nie tylko jednym z podstawowych zagadnień związanych z oszczędnością energii, ale wiąże się również z komfortem cieplnym pomieszczeń przeznaczonych na pobyt ludzi.

Zagadnienie zapewnienia odpowiedniego komfortu cieplnego użytkowanych pomieszczeń, z reguły nieposiadających klimatyzacji, dotyczą całego roku, a nie tylko okresu grzewczego.

W okresie grzewczym na parametry mikroklimatu cieplnego poza izolacyjnością termiczną przegród czy sprawnością wentylacji wpływają również źródła ciepła umieszczone w eksploatowanych pomieszczeniach.

Latem, przy zaprzestaniu ogrzewania w budynkach, występuje mikroklimat równowagi pomiędzy użytkowanymi pomieszczeniami a środowiskiem zewnętrznym.

W budynkach użyteczności publicznej, np. w budynkach biurowych, gdzie wydzielone są niewielkie biura wyposażone w kilka urządzeń wydzielających dużą ilość ciepła, dość często występują problemy przegrzewania się takich pomieszczeń, szczególnie zlokalizowanych na najwyższej kondygnacji, powodujące występowanie tzw. dyskomfortu termicznego.

W polskich warunkach klimatycznych istotne jest zwrócenie uwagi na mikroklimat pomieszczeń zarówno w sezonie grzewczym, jak i latem.

Wybrane wymagania normatywne

Zgodnie z wymogami rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], na wewnętrznej powierzchni przegrody zewnętrznej nie może występować kondensacja pary wodnej umożliwiająca rozwój grzybów pleśniowych.

W celu zachowania tego warunku w odniesieniu do przegród zewnętrznych budynków mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej i produkcyjnych oraz ich węzłów konstrukcyjnych powinny one charakteryzować się współczynnikiem temperaturowym ƒ_Rsi o wartości nie mniejszej niż wymagana wartość krytyczna. Oblicza się ją zgodnie z normą PN-EN ISO 13788:2013-05 dotyczącą metody obliczania temperatury powierzchni wewnętrznej koniecznej do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacji międzywarstwowej [2].

Wymaganą wartość krytyczną współczynnika temperaturowego ƒ_Rsi w pomieszczeniach ogrzewanych do temperatury co najmniej 20°C w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej należy określać wg polskiej normy, przy założeniu, że średnia miesięczna wartość wilgotności względnej powietrza wewnętrznego jest równa 50%, przy czym dopuszcza się przyjmowanie wymaganej wartości tego współczynnika równej 0,72.

Wartość współczynnika temperaturowego, charakteryzującego przyjęte rozwiązanie konstrukcyjno-materiałowe, należy obliczać dla wszystkich przegród pełnych w miejscach poza mostkami termicznymi, a także dla mostków cieplnych (np. połączenie dachu ze ścianą zewnętrzną itp.). W obliczeniach można zastosować przestrzenny model przegrody - według normy [3] dotyczącej obliczania strumieni cieplnych i temperatury powierzchni lub metodę uproszczoną - według Polskiej Normy dotyczącej obliczania strumieni cieplnych i temperatury powierzchni, korzystając z katalogów mostków cieplnych [4].

Oprócz powyższych wymogów przegrody zewnętrzne powinny być tak zaprojektowane, by we wnętrzu przegrody nie występowało narastające w kolejnych latach zawilgocenie spowodowane kondensacją pary wodnej.

Sprawdzenie powyższego warunku należy przeprowadzać według PN-EN ISO 13788. Dopuszcza się kondensację pary wodnej wewnątrz przegrody w okresie zimowym, o ile struktura przegrody umożliwia wyparowanie kondensatu w okresie letnim i nie następuje przy tym degradacja materiałów budowlanych przegrody na skutek tej kondensacji.

Rozwiązania materiałowo-konstrukcyjne przegród zewnętrznych, warunki cieplno-wilgotnościowe, a także intensywność wymiany powietrza w pomieszczeniach, powinny uniemożliwiać powstawanie zagrzybienia.

Do budowy przegród należy stosować materiały, wyroby i elementy budowlane odporne lub uodpornione na zagrzybienie i inne formy biodegradacji, odpowiednio do stopnia zagrożenia korozją biologiczną [1].

Ocieplenie budynków a wentylacja - problematyka z zakresu mykologii

Termomodernizację istniejących budynków mieszkalnych realizuje się z wykorzystaniem zróżnicowanych koncepcji budowlano-architektonicznych.

Jak wykazuje praktyka budowlana, użytkownicy modernizowanych obiektów dość często mają zastrzeżenia dotyczące komfortu ich użytkowania. W wielu przypadkach jest to związane z zapewnieniem odpowiednich warunków cieplno-wilgotnościowych pomieszczeń mieszkalnych. Warunki te są wypadkową przyjętych rozwiązań projektowych, wykonawstwa oraz sposobu użytkowania mieszkań. Problem ten wydaje się dość istotny ze względu na fakt, iż człowiek przebywa w pomieszczeniach zamkniętych około 75% czasu swego życia.

Oddziaływanie czynników tworzących mikroklimat można określić jako zbiór parametrów fizycznych i chemicznych, zmiennych w czasie i przestrzeni, który wywiera wpływ na każdy żywy organizm. Parametry mikroklimatu można podzielić na dwie zasadnicze grupy:

• warunki cieplno-wilgotnościowe, które wywierają wpływ na bilans i odczucia cieplne (wiążą się z oddziaływaniem środowiska na organizm ludzki),
• warunki higieniczno-zdrowotne, związane z jakością powietrza wewnątrz pomieszczeń, oddziaływaniem przegród budowlanych, oświetleniem, oddziaływaniem hałasu, natężeniem pola elektromagnetycznego itp.

Czynnikami istotnie wpływającymi na kształtowanie mikroklimatu pomieszczeń są:

• temperatura powietrza i temperatura na wewnętrznych powierzchniach przegród budowlanych,
• prędkość ruchu powietrza oraz jego wilgotność,
• a także sposób i wielkość wymiany powietrza w pomieszczeniach.

Pomimo znacznego rozwoju zróżnicowanych koncepcji dotyczących zmiany sposobu wentylacji budynków mieszkalnych, w Polsce stosuje się przeważnie wentylację grawitacyjną.

Niestety, w wielu przypadkach użytkownicy budynków mieszkalnych napotykają na problem zapewnienia odpowiedniego mikroklimatu pomieszczeń. Jest to związane z trudnościami w usunięciu nadmiaru pary wodnej (wilgoci) z mieszkań.

Przepływ powietrza przez pomieszczenia uzależniony jest od kilku czynników w tym zasadniczo od różnicy ciśnień pomiędzy budynkiem a otoczeniem. Na zróżnicowanie ciśnienia wpływa między innymi różnica temperatury powietrza oraz oddziaływanie wiatru na bryłę budynku.

Istotnym elementem wentylacji pomieszczeń jest szczelność stolarki okiennej. Bez zastosowania w nowych oknach nawiewników higrosterowanych, bez higrosterowanych nawiewników wentylacja naturalna jest bardzo trudna do kontrolowania, a jej wydajności nie można dostosować do zmian w zapotrzebowaniu.

Realizacja koniecznych działań termomodernizacyjnych, związanych z poprawą stanu ochrony cieplnej budynków oraz zwiększeniem szczelności ich obudowy (w tym stolarki okiennej), przyniesie oczekiwane efekty tylko wtedy, gdy zostaną zrealizowane odpowiednie rozwiązania zapewniające minimalne wymogi higieniczno-zdrowotne (w szczególności dotyczące zapewnienia odpowiedniej wymiany powietrza).

W pomieszczeniach mieszkalnych, w których występuje w dłuższym okresie czasu nadmierna wilgotność powietrza, może mieć miejsce powstawanie szkodliwej flory bakteryjnej i grzybowej.

Grzyby i pleśnie powstają bardzo często na ścianach zewnętrznych, w miejscach osłoniętych meblami lub ciężkimi zasłonami, w których utrudniony jest właściwy przepływ powietrza (w kuchniach zagrzybienie może występować dodatkowo wskutek osiadania na przegrodach zewnętrznych tłuszczów unoszących się w powietrzu podczas przygotowywania posiłków).

Przykładowa różnica temperatury w narożu ściennym zabudowanym szafkami kuchennymi może być niższa o ok. 5 K w stosunku do naroża niezabudowanego (RYS. 1).

Można stwierdzić, że ilość grzybów i pleśni w mieszkaniu jest proporcjonalna do wilgotności powietrza i jakości cieplnej przegród.

Mikrobiolodzy stosują w tej dziedzinie jako miarodajny wskaźnik równowagi higroskopijnej (aktywności wodnej).

W warunkach mieszkalnych występują dodatkowo inne czynniki przyspieszające lub opóźniające rozwój poszczególnych gatunków grzybów. Czynnikiem takim jest przede wszystkim wentylacja i intensywności przepływu powietrza w obrębie ściany oraz podatność podłoża (kleje, tapety) na zawilgocenia.

Izolacyjność termiczna ściany ma istotny wpływ na stan zawilgocenia przegród. W przypadku braku dostatecznej izolacyjności termicznej ścian zewnętrznych istnieje możliwość skraplania się (kondensacji) pary wodnej, szczególnie w narożach ściennych i nadprożowych.

Zawilgocenie na wewnętrznej powierzchni ściany powstaje wówczas, gdy temperatura tej powierzchni lub jej fragmentu jest niższa od tzw. temperatury punktu rosy.

Na RYS. 2 przedstawiono miejsca kondensacji wilgoci w zakresie jednowymiarowego i dwuwymiarowego przepływu ciepła.

W przypadku budynków poddanych termomodernizacji temperatura na wewnętrznej powierzchni przegrody (a także w miejscach mostków termicznych geometrycznych) wzrasta w stosunku do temperatury wewnętrznej powierzchni ściany nieocieplonej. W niesprzyjających warunkach mikroklimatu pomieszczeń, tj. w przypadkach występowania zbyt dużej wilgotności względnej powietrza (przekraczającej 60%) może dojść do kondensacji wilgoci zarówno w miejscach mostków termicznych, jak i na fragmentach ścian pełnych.

Zależności pomiędzy wilgotnością powietrza wewnętrznego i temperaturą powierzchni przegrody sprzyjające kondensacji można przedstawić za pomocą wykresu (RYS. 3).

Zespół czynników oddziałujących na człowieka w pomieszczeniu zamkniętym określa się jako mikroklimat, którego zasadniczą częścią, obok zagadnień wilgotnościowych, jest komfort cieplny.

Komfortem cieplnym wg definicji ASHARE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) [4] nazywamy stan odczucia wyrażający zadowolenie z danego środowiska termicznego. W skali odczucia ASHARE odpowiada to środkowej strefie, czyli sytuacji, kiedy człowiek nie odczuwa ani ciepła, ani zimna. Skala ta oparta jest na sześciu stopniach odczuwania ciepła: (3) - gorąco, (2) - ciepło, (1) - letnio, (0) -neutralnie, (–1) - lekko chłodno, (–2) - lekko ciepło–chłodno, (–3) - zimno.

Graficzną skalę ASHRE przedstawiono na RYS. 4.

W przełożeniu na parametry fizyczno-fizjologiczne o komforcie cieplnym możemy się wyrażać wtedy, gdy bilans cieplny organizmu jest zrównoważony przy minimalnym obciążeniu naszego układu termoregulacji.

Poprzez parametry mikroklimatu związane z temperaturą pomieszczenia należy nie tylko rozumieć jako jednoznacznie określoną temperaturę powietrza, ale również określać w wymiarze lokalnych jej różnic, w tym:

• lokalne konwekcyjne ogrzewanie lub ochładzanie (zwiększony ruch powietrza),
• lokalne radiacyjne ogrzewanie lub ochładzanie,
• bezpośredni kontakt z zimnymi powierzchniami (wymiana przez przewodzenie),
• zbyt duży pionowy gradient temperatur powietrza >  3K.

Komfort cieplny pomieszczeń w budynkach zależy ściśle od izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych. Wyniki wielu badań potwierdzają, że w budynkach poddanych termomodernizacji odczucia cieplne użytkowników zmieniały się w wielu przypadkach z lekko chłodno na neutralnie lub lekko ciepło.

Wpływ termomodernizacji na mikroklimat pomieszczeń - przykłady

Przykład 1

Pierwszy analizowany przykład dotyczy termomodernizacji budynku biurowego, zrealizowanego w latach 70. XX wieku (FOT. 1).

W budynku wykonano ocieplenie ścian zewnętrznych i adaptację polegającą na podziale pomieszczeń ostatniej kondygnacji na mniejsze, przystosowane do potrzeb biurowych. W procesie termomodernizacji nie wykonano w budynku ocieplenia stropodachu.

Na podstawie oceny stanu technicznego przeprowadzono obliczenia izolacyjności termicznej przedmiotowego stropodachu w dwóch stadiach:

• jak dla warunków pierwotnych - tzn. materiały stropodachu nie utraciły swoich projektowanych właściwości,
• dla warunków wilgotnych - z uwzględnieniem destrukcji materiałowej; cześć materiałów uległa zawilgoceniu w czasie na skutek występowania przecieków z dachu.

Przyjęto uśrednioną izolacyjność termiczną stropodachu, wyrażoną współczynnikiem przenikania ciepła U będącą wypadkową izolacyjności termicznej tych stanów.

Z obliczeń uzyskano następujące wyniki: U_k1 = 0,94 W/(m2·K), U_k2 = 1,05 W/(m2·K).

Jako miarodajną wielkość dla stropodachu przyjęto średnio wartości: U_k = 1,00 W/(m2·K).

Na podstawie informacji uzyskanych od użytkowników budynku, potwierdzonych podczas badań pomiarami temperatur, w czasie dziennego nasłonecznienia w okresie letnim stwierdzono, że:

• w pomieszczeniach ostatniej kondygnacji o oknach skierowanych w kierunku S-E w godzinach popołudniowych temperatura powietrza, przy zamkniętych oknach, w środku pomieszczeń na wysokości 1,5 m od posadzki wahała się od 25°C do 28°C,
• w podobnych pomieszczeniach na niższych kondygnacjach temperatura powietrza podczas pomiarów była niższa i wynosiła od 22°C do 24°C,
• w pomieszczeniach ostatniej kondygnacji o oknach skierowanych w kierunku N-W w godzinach popołudniowych temperatura powietrza wahała się od 24°C do 27°C,
• w podobnych pomieszczeniach na niższych kondygnacjach temperatura powietrza wynosiła od 21°C do 23°C.

Zakładając jednakową ekwiwalentną temperaturę zewnętrzną latem, można przyjąć, że różnice temperatury powietrza w pomieszczeniu wynikające z różnic izolacyjności termicznej stropodachu i stropu międzykondygnacyjnego wynoszą od 3K do 4K.

Różnice temperatury powietrza w pomieszczeniu wynikające z usytuowania okien ze względu na strony świata, przy podobnej powierzchni otworów okiennych, wynoszą od 1K do 2K. Maksymalną temperaturę powietrza w pustce wentylacyjnej podczas badań oceniono na poziomie 45°C.

W celu uzasadnienia poprawności przyjętego rozwiązania likwidacji przegrzewania pomieszczeń ostatniej kondygnacji przeprowadzano po wykonaniu ocieplenia na stropie nad ostatnią kondygnacją porównawcze badania termowizyjne izolacyjności termicznej stropodachu za pomocą termowizji.

W trakcie przeprowadzania badań część pustki stropodachu została już wypełniona materiałem termoizolacyjnym, część zaś nie została jeszcze ocieplona.

Pomiary temperatury powietrza wykonano w przestrzeni stropodachu przy użyciu zestawu badawczego THERM 2227-2, poprzez wpuszczenie sondy przez nowo wykonane kominki wentylacyjne od strony dachu.

Wyniki pomiarów temperatury:

• temperatura powietrza zewnętrznego 5°C-26°C,
• temperatura połaci dachowej 52°C-58°C,
• temperatura wewnątrz pomieszczeń 23,4°C-26,8°C,
• temperatura w przestrzeni stropodachu średnio 37,5°C.

Po ociepleniu stropodachu przedmiotowego budynku nastąpiła wyraźna poprawa odczuwalnej temperatury pomieszczeń biurowych i laboratoryjnych położonych na ostatniej kondygnacji. Badania termowizyjne wykazały zasadnicze różnice w zakresie izolacyjności termicznej części ocieplonej i nieocieplonej.

Użytkownicy, którzy poprzednio odczuwali duży dyskomfort termiczny związany z przegrzewaniem, odczuli znaczną poprawę mikroklimatu.

Z informacji uzyskanych od administracji budynku wynika, że sytuacja uległa odczuwalnej zmianie, zaś temperatura powietrza pomieszczeń ostatniej kondygnacji jest zbliżona do pomieszczeń na niższych kondygnacjach.

Przykład 2

Opisany przykład dotyczy badania intensywności wymiany powietrza w budynkach poddanych termomodernizacji.

Przyczyną prowadzonych badań, które realizowano równolegle z badaniami termowizyjnymi dotyczącymi stanu ochrony cieplnej budynków, było powstanie zawilgoceń i/lub zagrzybień na zewnętrznych przegrodach budowlanych.

Badania ilości wymiany powietrza realizowano za pomocą anemometru skrzydełkowego.

Pomierzone poziomy wilgotności względnej w analizowanych pomieszczeniach mieszkalnych wynosiły od 45% do 89%. Maksymalne pomierzone strumienie objętości powietrza wentylacyjnego wahały się w granicach 200 m3/h.

W niektórych pomieszczeniach mieszkalnych występował brak wymiany powietrza lub też ciąg zwrotny.

Podczas realizowanych badań stwierdzono następujące, powtarzające się cyklicznie nieprawidłowości, które były związane z zastosowaniem kratek wentylacyjnych z dodatkową tworzywową siatką od strony kanału wentylacyjnego (RYS. 5).

Występująca za kratką siatka po kilku miesiącach użytkowania pomieszczeń (kuchnia, łazienka, wc) stała się w praktyce nieprzepuszczalna dla przepływu powietrza (zalegający tłuszcz, kurz itp.) i uniemożliwiała zapewnienie odpowiedniej jego wymiany.

Przeprowadzane wizje lokalne wykonane przez autorów w ramach przeglądów wielu lokali mieszkalnych umożliwiły ujawnienie nieprawidłowości związanych z niedozwolonym zabudowywaniem przez użytkowników otworów wentylacyjnych (szafki, okapy itp.). Powodowało to całkowity brak lub pogorszenie ciągu wentylacyjnego w kuchniach, łazienkach i pomieszczeniach wc.

Przedstawione na FOT. 2, FOT. 3 i FOT. 4 przykłady nie były jedynymi przypadkami, które dotyczyły opisywanych nieprawidłowości. Miały one miejsce w około 10% wszystkich analizowanych mieszkań.

W przypadku braku należytej wentylacji w pomieszczeniach następuje obniżenie zawartości tlenu w powietrzu, co prowadzi do pogorszenia się mikroklimatu mieszkań i wywiera destruktywny wpływ na zdrowie człowieka, powodując dodatkowo rozwój drobnoustrojów (bakterii, wirusów, pleśni i grzybów).

Obok zaleceń dotyczących okien o dużej szczelności uniemożliwiających infiltrację powietrza zewnętrznego w ilości niezbędnej do potrzeb wentylacyjnych, obowiązujące w naszym kraju przepisy nie określają wymaganej ilości powietrza potrzebnego do przewietrzania pomieszczeń w fazie eksploatacji budynku.

W większości przebadanych mieszkaniach, w których nastąpiło mykologiczne porażenie przegród zewnętrznych, pomierzona wilgotność względna powietrza przekraczała 60%. Przyczyniły się do tego nie tylko czynniki techniczno-ekonomiczne (rozwiązania wentylacji grawitacyjnej), ale przede wszystkim sposób użytkowania pomieszczeń przez mieszkańców.

Powszechnie stosowane siatki na kratkach wentylacyjnych powinny być czyszczone co najmniej raz w miesiącu, w przeciwnym wypadku powodują one bowiem znaczne ograniczenie ilości wymienianego powietrza w pomieszczeniach. Przeprowadzone pomiary skuteczności wentylacji grawitacyjnej w badanych budynkach pozwalają na stwierdzenie, iż należy całkowicie usunąć dodatkowe siatki znajdujące się za kratkami wentylacyjnymi.

W przypadku samowolnego zabudowania lub zatkania wentylacji użytkownik mieszkania nie może w żadnym wypadku żądać od administratora (lub właściciela) obiektu usunięcia występujących zagrzybień. Należy także stwierdzić, że prowadząc działania termomodernizacyjne, uczestnicy procesu budowlanego nie powinni zapominać o konieczności usprawnienia istniejącej wentylacji, np. w oparciu o nasady kominowe czy też nawiewniki okienne lub ścienne.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU Nr 75, poz. 690 z późniejszymi zmianami).
2. PN-EN ISO 13788:2013-05, "Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacja międzywarstwowa. Metody obliczania".
3. PN-EN ISO 10211:2017-09, "Mostki cieplne w budynkach - obliczanie strumieni cieplnych i temperatury powierzchni".
4. PN-EN ISO 14683:2017-09, "Mostki cieplne w budynkach - liniowy współczynnik przenikania ciepła - metody uproszczone i wartości orientacyjne".
5. T. Steidl, P. Krause, "Wybrane zagadnienia użytkowania pomieszczeń w aspekcie ich zdrowotności", konferencja ATIZ, Gliwice 2003.
6. Strona internetowa: www.ashrae.org.
7. T. Steidl, P. Krause, "Komfort cieplny pomieszczeń ostatniej kondygnacji latem", konferencja ATIZ, Gliwice 2004.
8. P. Krause, "Wpływ wentylacji na mikroklimat pomieszczeń w budynkach wielorodzinnych", konferencja ATIZ, Gliwice 2007.
9. Badania i pomiary archiwalne. STEKRA s.c., www.stekra.pl

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!