Termomodernizacja zabytkowego budynku szkolnego

W Polsce znajduje się około 30 000 budynków szkolnych, z czego większość ma ponad 30 lat i w wielu przypadkach kwalifikuje się do wykonania prac remontowo-modernizacyjnych. Wiele z tych budynków dodatkowo nie spełnia wymogów podstawowych, dotyczących odpowiednich warunków higienicznych i zdrowotnych oraz ochrony środowiska, a także oszczędności energii i odpowiedniej izolacyjności cieplnej przegród.

W przypadku podjęcia działań termomodernizacyjnych pierwszej kolejności realizowane są czynności zmierzające do zmniejszenia zużycia energii na cele ogrzewcze, jak np. ocieplenie przegród zewnętrznych, wymiana stolarki okiennej, wymiana bądź modernizacja źródła ciepła. W wielu przypadkach pomija się zagadnienia dotyczące mikroklimatu pomieszczeń, odpowiedniej wentylacji, oświetlenia czy ochrony akustycznej.

Bardzo interesującym przykładem modernizacji budynku szkolnego jest szkoła zlokalizowana w niemieckim mieście Olbersdorf (Saksonia). Szkoła składa się z budynku głównego oraz sali gimnastycznej, które zostały wybudowane na przełomie lat 1927/1928. W 22 klasach, na powierzchni użytkowej wynoszącej 5362 m2,uczy się ok. 180 uczniów. Kubatura ogrzewana budynku wynosi 16  756 m3, wskaźnik A/V = 0,29 m–1.

Ze względu na walory architektoniczne budynek jest wpisany na listę saksońskich zabytków, jako istotny przykład regionalnego budynku szkolnego Republiki Weimarskiej. Realizowana inwestycja miała być wzorcem dla przyszłych modernizowanych budynków tego typu, jednakże powyższy wpis nie ułatwiał przyjęcia optymalnych rozwiązań technicznych.

Budynek główny jest czterokondygnacyjny, podpiwniczony, wykonany w technologii tradycyjnej.

• W przeważającej części ściany zewnętrzne są murowane i mają grubość 48 cm, z obustronnym tynkiem wapiennym, o sumarycznej grubości 51 cm.
• Współczynnik przenikania ciepła U ściany wynosi 1,25 W/(m²∙K).
• Dach wykonano jako wielospadowy o konstrukcji drewnianej. Współczynnik przenikania ciepła stropu nad ostatnią kondygnacją U wynosi 1,52 W/(m²∙K).
• W budynku od strony wschodniej zastosowano okna drewniane skrzynkowe o współczynniku przenikania ciepła U wynoszącym 2,4-4,0 W/(m²∙K), zaś od strony zachodniej - okna skrzynkowe zespolone o współczynniku U równym 1,4 W/(m²∙K).

Ocena stanu technicznego budynku wykazała m.in. niedostateczny stopień ochrony cieplnej przegród zewnętrznych. Dodatkowo, ze względu na brak zacienienia, stwierdzono znaczne przegrzewanie klas szkolnych od strony wschodniej oraz pomieszczeń dydaktycznych na ostatniej kondygnacji. Oświetlenie pomieszczeń szkolnych światłem dziennym oceniono jako niewystarczające, co w konsekwencji powodowało nierzadko całodobowe korzystanie ze sztucznego oświetlenia.

Budynek przed modernizacją ogrzewany był za pomocą dwóch kotłów gazowych o mocy odpowiednio 250 i 283 kW. W budynku była wentylacja grawitacyjna, z nawiewem realizowanym poprzez istniejącą stolarkę okienną. Znaczne straty ciepła przez ściany zewnętrzne oraz stolarkę okienną sprawiały, iż zużycie energii do ogrzewania kształtowało się na poziomie ok. 765 MWh. Zużycie energii pierwotnej wynosiło 174,2 kWh/(m²∙a) [2].

Ze względu na fakt, że budynek znajduje się w saksońskim rejestrze zabytków, poszukiwano możliwości poprawy stanu ochrony cieplnej przy jednoczesnym zachowaniu wymagań konserwatorskich dotyczących w szczególności fasady.

Cel i zakres planowanej modernizacji

Głównym celem założonym w projekcie było zapewnienie odpowiednich warunków nauczania. Cel miał zostać osiągnięty poprzez poprawę mikroklimatu pomieszczeń, warunków higienicznych, oświetlenia i akustyki, a także obniżenie temperatury w okresie letnim.

Istotnym założeniem kompleksowej modernizacji budynku było osiągniecie standardu tzw. budynku 3-litrowego (3-Liter-Haus-Standard wg Fraunhofer IBP). Obliczeniowe roczne zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i wentylacji, po modernizacji, miało się kształtować na poziomie 34 kWh/m2.

Szczególną uwagę zwrócono na zastosowanie wysokoefektywnej izolacji termicznej, a także na modelowe rozwiązanie wentylacji pomieszczeń lekcyjnych.

Zakres prac modernizacyjnych dotyczący obudowy budynku wiązał się z ociepleniem ścian zewnętrznych i stropu nad ostatnią kondygnacją oraz z wymianą stolarki okiennej. Dodatkowo założono wymianę źródła ciepła, modernizację wewnętrznej instalacji c.o., usprawnienie wentylacji, poprawę oświetlenia naturalnego oraz wybrane rozwiązania dotyczące ochrony akustycznej.

Ze względu na poczynione założenie jak najmniejszej ingerencji w fasadę budynku, a także spełnienie wymogu "budynku 3-litrowego", analizowano zróżnicowane możliwości ocieplenia ścian zewnętrznych.

Termoizolacja od strony wewnętrznej w znacznej mierze zmniejszyłaby bowiem powierzchnię użytkową budynku oraz nie wyeliminowałaby znacznej ilości mostków termicznych. Ocieplenie ścian od zewnątrz musiało z kolei spełniać lokalne wymogi konserwatora zabytków.

Nie zezwolono na wykonanie ocieplenia grubości kilkunastu centymetrów, dopuszczając jedynie pogrubienie istniejącej ściany zewnętrznej maksymalnie o 6 cm. Większość stosowanych na rynku materiałów termoizolacyjnych do ocieplania ścian zewnętrznych, o dopuszczalnej przez konserwatora grubości, nie zapewnia spełnienia rocznego zapotrzebowania na energię pierwotną do ogrzewania i wentylacji na wcześniej założonym poziomie.

Izolacja i ocieplenie ścian

Wobec powyższego zdecydowano się na pilotażowy projekt ocieplenia ścian zewnętrznych, wykorzystując izolację próżniową (VIP). Zaprojektowano warstwę izolacji próżniowej VIP grubości 2 cm o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,008 W/(m∙K), z dodatkową izolacją cieplną z pianki PUR grubości 3 cm o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,035 W/(m∙K) i z cienkowarstwowym tynkiem zewnętrznym.

Zestawienie współczynników przenikania ciepła dla stanu istniejącego i projektowanego pokazuje TABELA.

Przed przystąpieniem do prac zasadniczych na fragmencie ściany zewnętrznej wykonano próbne ocieplenie z wykorzystaniem projektowanej termoizolacji. Dodatkowo zrealizowano analogiczną przegrodę jako stanowisko badawcze w pomieszczeniu laboratoryjnym Bauhaus-Universität Weimar, na której wykonano badania laboratoryjne. Przeprowadzono także zróżnicowane obliczenia i symulacje komputerowe dotyczące m.in. wymiany ciepła, wilgoci oraz wentylacji.

Z uwagi na specyfikę materiału oraz m.in. wymogi dotyczące ochrony przeciwpożarowej zastosowana izolacja termiczna VIP była obudowana warstwą folii ochronnej z włókna szklanego.

Panele VIP były mocowane do podłoża wyłącznie za pomocą specjalnego systemowego kleju.

Okna i system wentylacji

W miejsce istniejących okien drewnianych, zarówno od strony wschodniej, jak i zachodniej, zastosowano nowe okna skrzynkowe z termoizolacyjnymi zespolonymi wkładami okiennymi oraz zintegrowanym nawiewem powietrza (z niem. Zuluftkastenfenster).

Zewnętrzne skrzydła okienne wyposażone są w otwory nawiewne umieszczone na spodzie ramy (dopływ powietrza zewnętrznego do przestrzeni między skrzydłami okiennymi).

Wewnętrzne skrzydła okienne posiadają otwory nawiewne zlokalizowane na górze ramy okiennej (nawiew powietrza do budynku z tzw. przestrzeni międzyokiennej).

W celu ograniczenia przegrzewania w okresie letnim w wybranych pomieszczeniach szkolnych zamontowano szyby elektrochromowe (możliwość przyciemnienia pod wpływem impulsu elektrycznego). Poprawa ochrony cieplnej latem została zrealizowana poprzez dodatkowe zastosowanie lamelowych żaluzji, umieszczonych w przestrzeni pomiędzy skrzydłami okien skrzynkowych. Dla efektywnego rozwiązania wentylacji pomieszczeń klasowych stworzono dopasowaną do lokalnych warunków wentylację hybrydową wykorzystującą okna ze zintegrowanym nawiewem powietrza, wentylację wywiewną oraz system rekuperacji ciepła.

Napływające powietrze zewnętrzne ogrzewa się, przepływając przez otwory w przestrzeni pomiędzy skrzydłami okiennymi. Ogrzane powietrze wpływa do pomieszczenia poprzez otwory umieszczone w górnej części wewnętrznego skrzydła okiennego. Dzięki wstępnemu ogrzaniu powietrza jest ono dostarczane powyżej strefy przebywania ludzi, zmniejszając tym samym możliwość wystąpienia nadmiernego przeciągu.

System wentylacji jest w pełni zautomatyzowany. W celu poprawy mikroklimatu pomieszczeń mogą zostać włączone dodatkowe wentylatory, które zwiększają wymianę powietrza wentylacyjnego (impuls od czujników mierzących stężenie dwutlenku węgla).

Ciekawym rozwiązaniem jest chłodzenie budynku w okresie letnim. Przyjęto rozwiązanie niewpływające w istotny sposób na wzrost zużycia energii pierwotnej, wykorzystując tzw. efektywne nocne ochłodzenie. Dzięki zastosowaniu nocnego chłodzenia poprzez zintegrowany system: okna skrzynkowe -kanały wywiewne - automatyka regulująca ilość wywiewanego powietrza, uzyskano możliwość znacznego obniżenia temperatury powietrza w budynku.

Wnioski

Aplikacja praktyczna nowych rozwiązań technologicznych na obiektach zabytkowych nierzadko napotyka na problemy natury technicznej. W przedstawionym budynku nie udało się osiągnąć zakładanych parametrów izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych ze względu na problemy z mocowaniem izolacji termicznej.

Badania systemu ocieplającego (wykonane wraz z pracownikami FH Zittau/Goerlitz) wykazały niewystarczającą przyczepność systemowego kleju pianki PUR i izolacji VIP. Pomimo wykonania szeregu obliczeń i symulacji numerycznych, realizacji badań próbnych na obiekcie oraz testowania laboratoryjnego konieczne okazało się zdemontowanie izolacji próżniowej.

Ze względu na ograniczenia dotyczące grubości termoizolacji ściennej oraz przewodności cieplnej izolacji zamiennej, finalnie nie osiągnięto wszystkich założonych w analizach przedprojektowych parametrów. Mimo to opisana inwestycja może stanowić wzorcowy przykład modernizacji zabytkowego obiektu, w istotny sposób poprawia bowiem komfort użytkowania budynku szkoły.

Artykuł został stworzony w oparciu o tekst zamieszczony w czasopiśmie "Energia i Budynek". Aktualna wersja artykułu została napisana przez autorów, który przy tej okazji prezentują nowe wyniki badań.

Literatura

1. P. Krause, "Schulsanierung und Schullüftung", Workshop "Energieeffiziente Schulsanierung", Zittau 2008.
2. Strona internetowa: www.enob.info.
3. R. Gritzki, M. Rösler, "Behaglichkeit und Raumluftströmung in Klassenräumen am Beispiel der Schule Olbersdorf", Workshop "Energieeffiziente Schulsanierung", Zittau 2008.
4. L. Vogel, "Berechnungen und Messungen zur Unterstützung von Planungsentscheidungen", Workshop "Energieeffiziente Schulsanierung", Zittau 2008
5. H. Krapmaier, E. Drössler, "Cepheus - Wohnkomfort ohne Heizung", Workshop "Energieeffiziente Schulsanierung", Zittau 2008.
6. J. Bolsius, J. Grötzschel, A. Hennig, M. Zymek, L. Vogel, "Vorbildhafte Energetische Sanierung des Schulkomplexes Olbersdorf. ENOB Energieoptimiertes Bauen", Schlussbericht Förderkennzeichen 0327430C, Zittau 2014.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!