Wykorzystanie termowizji w obiektach zabytkowych

Problematyka termomodernizacji budynków w głównej mierze skupiała się na wielorodzinnych obiektach wznoszonych metodami uprzemysłowionymi. Od początku lat 90. XX w. przeprowadza się na sze­roką skalę ocieplenie budynków wiel­kopłytowych, wielkoblokowych i im podobnych. W większości przypadków wykonanie kompleksowego ocieplenia tych budynków nie stanowiło więk­szego problemu z punktu widzenia technicznego. Osiedla mieszkanio­we, na których się spotyka tego typu budynki, w dużej części poddane zo­stały działaniom rewitalizacji, w tym poprawie stanu ochrony cieplnej przegród budowlanych (ściany, dach itp.). W ostatnich latach obserwu­je się także wzmożone zaintereso­wanie termomodernizacją budynków o charakterze zabytkowym zlokali­zowanych w strefie ochrony konser­watorskiej lub stanowiących zabytki w myśl ustawy o ochronie zabytków i opiece nad zabytkami. Takie budynki są obiektami, w których eksploata­cja prowadzona była przez wiele lat. W wielu przypadkach charakteryzują się znacznym zużyciem technicznym poszczególnych elementów budowla­nych. Uwzględniając stan techniczny, obiekty te wymagają bardzo często przeprowadzenia prac renowacyj­nych. Renowacja stanowi zagadnienie uwarunkowane wieloma czynnikami, wśród których należy uwzględniać zagadnienia techniczne, dziedzic­twa kulturowego, w tym ochrony konserwatorskiej, architektoniczne, historyczne, środowiskowe czy kulturowe. Nierzadko wymaga decyzji i współpracy interdyscyplinarnej. Każ­de działanie o charakterze budowla­nym (roboty budowlane), planowane do wykonania na obiekcie istniejącym, powinno być poprzedzone szerokim rozpoznaniem, obejmującym okres jego powstania i stosowane wówczas technologie. Brak takich działań może skutkować niespodziewanymi kompli­kacjami, związanymi z wystąpieniem odmiennych od typowych rozwiązań wymuszających korygowanie zapla­nowanych czynności budowlanych, a w konsekwencji wydłużenie robót, zwiększenie kosztów oraz błędne, niekorzystne dla stanu obiektu, dzia­łania. Obiekty zabytkowe w większo­ści przypadków nie spełniają obecnych standardów w zakresie izolacyjności termicznej. Konsekwencją tego jest konieczność wykonania prac termo- modernizacyjnych. Najczęściej, obok obniżenia zużycia energii na cele ogrzewcze, prace te mają dodatkowo wyeliminować możliwość kondensa­cji pary wodnej wewnątrz przegrody oraz na jej wewnętrznej powierzchni, a także ograniczyć warunki sprzyjają­ce rozwojowi zagrzybienia przegród zewnętrznych. Czynnością poprze­dzającą rozpoczęcie prac budow­lanych powinna być szczegółowa diagnostyka stanu ochrony cieplnej budynku.

Rys. 1 Termogram budynku o charakterze zabytkowym [2]

Problematyka termomoderni- zacji obiektów o charakterze zabytkowym

Obecny stan techniczny budynków w wielu przypadkach nie zapewnia spełnienia wymogów podstawowych w zakresie bezpieczeństwa kon­strukcji, bezpieczeństwa użytkowa­nia, bezpieczeństwa pożarowego, ochrony zdrowia i środowiska, izola­cyjności akustycznej oraz oszczęd­ności energii izolacyjności cieplnej. Istniejące obiekty są często budyn­kami, które powstały wiele lat temu, w okresach obowiązywania innych przepisów w zakresie izolacyjności termicznej lub nawet ich braku. Stan ochrony cieplno-wilgotnościowej ist­niejących budynków jest znacznie zróżnicowany. W wielu przypadkach, wobec braku dokumentacji projekto­wej oraz danych dotyczących budowy poszczególnych przegród, określenie stanu ochrony cieplnej jest znacz­nie utrudnione. Rozpoznanie budowy materiałowej oraz konstrukcyjnej bu­dynku jest niezwykle istotne w kon­tekście doboru technologii ocieplenia, doboru materiałów, rozplanowania elementów instalacji grzewczych oraz rozplanowania rozmieszczenia mate­riałów termoizolacyjnych w miejscach występowania mostków termicznych. Bardzo często jedynym narzędziem, możliwym do zastosowania przy oce­nie stanu ochrony cieplnej przegród zewnętrznych, są badania termo­wizyjne. Przykładem wykorzystania techniki termowizyjnej w ocenie sta­nu ochrony cieplnej obiektów zabyt­kowych są badania przedstawione na rys. 1. Pomiary przeprowadzono na wielorodzinnym budynku mieszkal­nym zlokalizowanym na Górnym Ślą­sku. Budynek wchodzi w skład osie­dla tzw. familoków typu blokowego, z wejściami w ścianach kalenicowych (powszechnie stosowane rozwiązania obok budynków typu blokowego z wej­ściami w ścianach szczytowych). Omawiany obiekt jest budynkiem o prostej bryle, w rzucie prostoką­ta, przekryty dachem dwuspadowym. Posiada dwie kondygnacje, poddasze użytkowe oraz jest podpiwniczony. Budynek zrealizowany został w tech­nologii tradycyjnej. Ściany przyziemia kondygnacji nadziemnych wykonane są z cegły pełnej.

Rys. 2 Pomiar termowizyjny ściany ze­wnętrznej budynku zabytkowego z ociepleniem od strony wewnętrznej

W celu oceny stanu ochrony cieplnej ścian zewnętrznych przeprowadzo­no badania termograficzne. Zasada diagnozowania izolacyjności termicz­nej polegała na ustaleniu, czy rozkład temperatury jest prawidłowy, czy też identyfikuje defekty termiczne (np. zmiany struktury materiałowej przegrody, zmiany izolacyjności ter­micznej). Analiza rozkładu tempera­tur na powierzchni ścian zewnętrz­nych przedstawionego budynku wykazała występowanie zróżnicowa­nej izolacyjności cieplnej ścian. Dla temperatury wewnętrznej w po­mieszczeniach mieszkalnych budynku zarówno na parterze, jak i na pierw­szym piętrze, wahającej się od 19,5 do 20,7^oC (pomiar na wysokości 1 m od poziomu posadzki), stwierdzono temperaturę na powierzchni ściany od strony zewnętrznej wynoszącą od -3,3 (pole AR05) do 2,4^oC (pole AR02). Rozkład temperatury w skali barw wskazuje na zróżnicowanie izo­lacyjności cieplnej ścian zewnętrz­nych piętra i parteru. Ściany ze­wnętrzne w mieszkaniu na pierwszym piętrze były ocieplone od strony we­wnętrznej. Ściany parteru stanowiły mur z cegły pełnej grubości 38 cm jednostronnie tynkowany tynkiem wapiennym. Ze względu na niską izo­lacyjność termiczną nieocieplonych ścian na parterze widoczne jest pod oknem miejsce zlokalizowania grzej­nika (najwyższe temperatury na po­wierzchni ściany zarówno od strony wewnętrznej, jak i zewnętrznej).

Rys. 3 Ocieplenie w obrębie nadproża okiennego od strony wewnętrznej (gotowy element z polistyrenu XPS – lewa strona, płyta g-k z wełną mineralną – prawa strona)

Inny przykład budynku ocieplonego od strony wewnętrznej pokazano na rys. 2. Budynek, ze względu na ochro­nę konserwatorską elewacji fron­towej, został ocieplony przy użyciu 10-centymetrowej wełny mineralnej z wykończeniem ścian za pomocą płyt gipsowo-kartonowych na ruszcie alu­miniowym. Zaobserwowane anoma­lie termiczne od strony zewnętrznej dotyczą głównie osadzenia stolarki okiennej. Wzrost temperatury na sty­ku okien i ściany zewnętrznej wynika z braku dodatkowego ocieplenia ścian od strony wewnętrznej w bezpośred­nim sąsiedztwie okna. Ze względu na ograniczoną grubość izolacji termicz­nej i konieczność mocowania płyt do rusztu aluminiowego jest to utrud­nione, a w wybranych przypadkach wręcz niemożliwe. Rozwiązaniem mi­nimalizującym problematykę mostków termicznych w ociepleniach od strony wewnętrznej mogą być gotowe ele­menty termoizolacyjne przeznaczone do ociepleń od strony zewnętrznej. Na rys. 3 przedstawiono taki element w postaci polistyrenu XPS. Każdora­zowo przy wykonywaniu ocieplenia od strony wewnętrznej należy przepro­wadzić analizę cieplno-wilgotnościową pod kątem ograniczenia kondensa­cji wewnątrz przegrody.

Rys. 4 a) porażenie mykologiczne ściany szachulcowej bez ocieplenia; b) ściana szachulcowa z wypełnieniem izolacją termiczną; c) ściana szachulcowa z tynkiem termoizolacyjnym na wypełnieniu z cegły [3, 5]

Dzięki technice termowizyjnej moż­liwe jest nie tylko określenie stanu ochrony cieplnej danej przegrody zewnętrznej. Zróżnicowana prze­wodność cieplna poszczególnych materiałów budowlanych powoduje, że za pomocą kamery termowizyjnej możliwe jest zidentyfikowanie kon­strukcji danej przegrody – np. rodzaj zastosowanych elementów drobno­wymiarowych w ścianach murowa­nych, sposób przewiązania ze sobą tych elementów, występowanie rdze­ni konstrukcyjnych. Nierzadko obrazy termograficzne uzyskane podczas badania kamerą termowizyjną pozwa­lają ustalić zmiany architektoniczne, jakie zachodziły w danym obiekcie w czasie. W artykule zamieszczo­no przykładowe termogramy ściany zewnętrznej zabytkowego budynku (tzw. mur pruski). Pomiary termowi­zyjne potwierdzają niższą izolacyjność cieplną wypełnienia w stosunku do konstrukcji drewnianej. W wielu przy­padkach konsekwencją takiej sytuacji jest porażenie mykologiczne ścian zewnętrznych (rys. 4).

Rys. 5 Nieszczelności między płytami izolacji termicznej w ociepleniu od wewnątrz [6]

Badania termowizyjne mogą być tak­że wykorzystane jako kontrola jakości wykonania ocieplenia od wewnątrz w przypadku budynków zabytkowych. Ze względu na zróżnicowane techno­logie ociepleń od strony wewnętrznej termografia może posłużyć jako na­rzędzie weryfikujące poprawność wy­konanych robót budowlanych. Na rys. 5 przedstawiono ocieplenie wykonane z płyt silikatu wapiennego klejonego do ściany zewnętrznej za pomocą systemowej masy klejącej. Pomiary termowizyjne wykazały nieszczelności między płytami termoizolacyjnymi, co może prowadzić do lokalnej kondensa­cji na powierzchni ściany. Dodatkowo widoczne jest obniżenie temperatury w narożu na styku ściany ocieplonej od wewnątrz ze ścianą ocieploną od strony zewnętrznej. Innym interesu­jącym przykładem jest wykonanie ocie­plenia w postaci płyt izolacji cieplnej mocowanej za pomocą masy klejącej i dodatkowych łączników mechanicz­nych (rys. 6); widać punktowe mostki termiczne w miejscach stosowania łączników mechanicznych. Szcze­gółowa diagnostyka termowizyjna pozwala dodatkowo na wychwycenie miejsc punktowego stosowania masy klejowej; między punktową zaprawą mocującą izolację cieplną do ściany wytworzyła się przestrzeń powietrz­na, zaburzająca proces dyfuzji pary wodnej przez ścianę i przyczyniają­ca się do powstawania dodatkowego kondensatu między izolacją termiczną a konstrukcją ściany.

Rys. 6 Punktowe mostki termiczne (łączniki mechaniczne) w ociepleniu od wewnątrz [6]

Na rys. 7 zamieszczono przykład termogramu ściany zewnętrznej za­bytkowego budynku pełniącego funk­cję szkoły – termogram wykonano od strony wewnętrznej [4]. Analizu­jąc rozkład barw na termogramie, zauważymy obszar o regularnym kształcie prostokąta, wypełniony elementami drobnowymiarowymi rozmieszczonymi w regularnym wią­zaniu. Taki rozkład cieplny świadczy o przeprowadzeniu w przeszłości przebudowy drzwi do rozmiarów okna, obecnie widocznego na foto­grafii obok termogramu. Najpraw­dopodobniej podczas robót ada­ptacyjnych dawny otwór wejściowy został w dolnej części zamurowany bloczkami lub pustakami ceramicz­nymi, na co wskazuje kształt spoin między przewiązanymi ze sobą ele­mentami oraz wyższa temperatura powierzchni wewnętrznej zamuro­wania (lepsza izolacyjność termiczna zastosowanego do przemurowania materiału w stosunku do pozostałej części muru). Termogram dodatko­wo wykazał występowanie znacznego zawilgocenia ścian zewnętrznych wskutek awarii instalacji c.o.

Rys. 7 Fotografia oraz termogram wnętrza zabytkowego budynku szkoły uwidaczniający zamu­rowanie dawnego otworu drzwiowego oraz wyciek wody z instalacji centralnego ogrze­wania; czerwoną linią oznaczono zarys zamurowanego otworu drzwiowego [4]

Podsumowanie

Działania związane z racjonalizacją zużycia energii wydatkowanej na po­trzeby ogrzewania w coraz szer­szym stopniu dotykają obiektów budowlanych o charakterze zabytko­wym. Z oczywistych względów takie działanie podyktowane jest względa­mi ekonomicznymi (chęć ogranicze­nia nakładów na cele grzewcze) oraz użytkowymi (zapewnienie użytkowni­kom warunków komfortu termicznego w pomieszczeniach ogrzewanych). Termomodernizacja budynku powinna być zawsze poprzedzona sporządzeniem stosownej dokumentacji technicznej. Do przeprowadzenia procesu projekto­wania ochrony cieplnej każdego obiek­tu niezbędne jest rozpoznanie budynku pod kątem budowy materiałowej oraz konstrukcyjnej. W przypadku obiektów zabytkowych proces ten często jest utrudniony z powodu braku odpowied­niej dokumentacji archiwalnej. Odpo­wiedzią na tego typu wyzwanie staje się technika termowizyjna, która wraz z postępującą świadomością projek­tantów i użytkowników w zakresie zagadnień energetycznych budynków znajduje coraz szersze zastosowa­nie – nie tylko jako narzędzie służące weryfikacji jakości wykonania ocieple­nia budynku, ale również jako narzędzie usprawniające proces projektowania architektoniczno-budowlanego.

dr inż. Paweł Krause

Wydział Budownictwa

Politechnika Śląska

Bibliografia

1. PN-EN 13187 Właściwości cieplne budynków – Jakościowa detekcja wad cieplnych w obudowie budynku – metoda podczerwieni.
2. P Krause, Stan ochrony cieplnej ścian zewnętrznych na wybranych przy­kładach śląskiego domu wielorodzin­nego, „Spotkanie z zabytkiem” nr 3 [IID/2008.
3. www.schimmelgutachten.de.
4. E. Grinzato, IR Thermography Applied to the Cultural Heritage Conservation, 18th World Conference on Nonde­structive Testing, Durban, South Afri­ca, 2012.
5. www.wta-international.org.
6. H. Pfeifer, Untersuchung mangelhaft hergestellter Innendämmung mit Ther­mographie, www.bau-sv.de.