Rozważania projektanta o możliwych przyczynach chłodu w niektórych małych domach mieszkalnych.
Ze względu na komfort cieplny mieszkańców, domy i ich instalacje powinny być projektowane i wykonywane w sposób zapewniający spełnienie następujących wymagań: wartość współczynnika określającego roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną musi być mniejsza od wartości obliczonej zgodnie z właściwą procedurą, a izolacyjność cieplna przegród oraz wyposażenia technicznego musi spełniać właściwe wymagania izolacyjności cieplnej. Procedurę i wymagania, o których tu mowa, określa Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (tzw. warunki techniczne). Wymagania dotyczące przegród zewnętrznych obejmują ściany, dachy, stropodachy, stropy, podłogi na gruncie oraz okna i drzwi. Wymagania dotyczące wyposażenia technicznego sprowadzają się do izolowania instalacji związanej z ciepłem. Z powodu ochrony cieplnej nie może być za dużo okien; reguluje to § 2.1 – Załącznika do rozporządzenia. Nie można pominąć rygorów szczelności na przenikanie powietrza, uwarunkowań związanych z kondensacją pary wodnej, konieczności identyfikowania i eliminacji mostków cieplnych – regulowanych także tym przepisem prawnym.
Jednak nawet gdy wszystkie wymagania „warunków technicznych” związane z komfortem cieplnym zostaną spełnione, niektórych inwestorów niewielkich budynków mieszkalnych (domów), zwłaszcza niskich, rozłożystych, parterowych (podpiwniczonych i niepodpiwniczonych), może spotkać przykra niespodzianka związana z ich użytkowaniem. Może się okazać, że choć zbudowali identyczne domy jak ich znajomi, w podobnym środowisku klimatycznym i z tą samą starannością, to będą ponosić wyraźnie większe koszty ogrzewania. Taka sytuacja zdarzy się, gdy działka, na której budują, położona jest na lekko pochylonym terenie, podłoże gruntowe zbudowane jest z płytko zalegającego gruntu przepuszczalnego nad gruntem nieprzepuszczalnym, gdzie z powodu lokalnych warunków gruntowo-wodnych przez cały rok płyną podskórne wody gruntowe, a dom został skonstruowany tak, że zwierciadło tych wód sięgnie powyżej poziomu posadowienia budynku (co jest technicznie dopuszczalne i praktykowane).
W ostatnich dekadach zauważa się podwyższanie stanu wód gruntowych, stwarzające od jesieni do wiosny problemy, akurat wtedy gdy potrzebujemy ogrzewać nasze domy. Powoduje ono obniżenie temperatury ścian i posadzek przyziemia, zwiększa wilgotność, obniża temperaturę wnętrza przy posadzkach i przez to sprzyja dokuczliwemu odczuwaniu zimna. W pomieszczeniach niedogrzanych z powodu nadmiernej utraty ciepła, nieustannie trwa proces konwekcji (unoszenia ciepłego, a przez to rzadszego i w konsekwencji lżejszego powietrza) i temperatura przy posadzce przestaje być w końcu komfortowa. Poprzez chłód od stóp rozpoczyna się utrata ciepła z ludzkiego krwiobiegu; stała temperatura ciała utrzymywana jest bowiem przez krew, która krąży po organizmie. Podczas krążenia zostaje ona schłodzona tym bardziej, im dalej płynie do zewnętrznych członków: dłoni i stóp. Ponowne ogrzanie krwi następuje w organach wewnętrznych i tkankach, ciepłem wytwarzanym podczas spalania białka, tłuszczów i węglowodanów. Utrata ciepła powoduje znużenie (zmęczenie), a więc stan dyskomfortu.
Wymiana ciepła to jeden ze sposobów przekazywania energii pomiędzy układami termodynamicznymi. Przebiega spontanicznie, jeśli jeden obiekt różni się temperaturą od drugiego (sąsiedniego), wymiana ciepła odbywać się będzie do momentu osiągnięcia stanu równowagi termicznej. Powstrzymanie procesu przekazywania ciepła pomiędzy sąsiadującymi obiektami o różnej temperaturze nie jest możliwe, proces można ewentualnie spowolnić.
Wymiana ciepła, o której tu mowa, zachodzi poprzez przewodzenie cieplne i promieniowanie ciepła. Przewodzenie cieplne (przenikanie) to proces wymiany ciepła między ciałami o różnej temperaturze, pozostającymi ze sobą w bezpośrednim kontakcie. Polega na przekazywaniu energii kinetycznej bezładnego ruchu cząsteczek w wyniku ich zderzeń. W wyższej temperaturze cząsteczki poruszają się szybciej, co jest cechą temperatury. Proces prowadzi do wyrównania temperatury między ciałami. Ciepło płynie w kierunku od miejsca z temperaturą wyższą do miejsca z temperaturą niższą (inaczej niż w przypadku konwekcji – gdy się unosi). Ilość energii przekazanej przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu jest w przybliżeniu proporcjonalna do różnicy temperatur. Przekazywanie ciepła przez przewodzenie jest konsekwencją bezpośredniego oddziaływania cząsteczek ciał. Gdy podgrzejemy z jednej strony ciało, np. ścianę, wówczas po pewnym czasie ciepły będzie cały mur, także ściana po drugiej stronie. Jak szybko to się stanie, zależy od własności zwanej przewodnością cieplną materiału, z którego mur został wykonany.
Promieniowanie cieplne to proces przenoszenia energii przez promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez cząstki naładowane elektrycznie w wyniku ich ruchu cieplnego w materii. Wymiana ciepła przez promieniowanie nie wymaga obecności ośrodka pomiędzy ciałami, między którymi ciepło jest wymieniane, może zachodzić nawet przez próżnię. W przypadku ciał stałych zależy głównie od ich powierzchni. Inna emisja będzie, gdy powierzchnia ciała będzie chropowata, a inna, gdy będzie gładka. Według mechaniki klasycznej atomy lub cząsteczki ciała (o temperaturze powyżej zera bezwzględnego) mają energię kinetyczną, która zmieniana jest w wyniku wzajemnych oddziaływań atomów i cząsteczek, a zmiany energii wynikają z przyspieszenia lub dipolowej oscylacji ładunków. Ta zmiana ruchu ładunków wytwarza promieniowanie elektromagnetyczne. Drgania cząsteczek nagrzanego obiektu skutkują emisją promieniowania elektromagnetycznego. W zakresie temperatur mieszkań będzie to promieniowanie podczerwone. Jest ono pochłaniane przez inne ciała, powodując ich ogrzanie.
Przyjmuje się, że woda w gruncie na głębokości kilku metrów poniżej poziomu terenu ma przez cały rok stała temperaturę, ok. 10°C. Im bliżej poziomu terenu, tym temperatura wody nieco się zmienia. W lecie będzie raczej bliższa 12°C, w zimie bliższa 8°C. Zależy to od kilku czynników, na które (będąc już właścicielem działki) inwestor nie ma wpływu: lokalizacji działki (wiadomo, są miejsca obiektywnie zimniejsze i cieplejsze), nasłonecznienia, izolacyjności gleby i innych. W sezonie grzewczym, gdy temperatura otoczenia spadnie poniżej 0°C, temperatura płytkich wód podskórnych będzie raczej wszędzie zbliżona do 8°C.
Wody te płynąc omywają fundamenty tworząc sytuację, w której fundamenty stają się wymiennikami ciepła (chłodu). Płynące wody podskórne schładzają fundamenty i ściany fundamentowe, te z kolei – ściany poziomu użytkowego budynku, które swoimi powierzchniami odbierają ciepło z przestrzeni użytkowej wewnątrz domu. Dotyczy to wszystkich ścian parteru posadowionych na fundamentach zewnętrznych (od wewnątrz) i wewnętrznych: nośnych lub innych – np. kominowych, „pożarowych”. Schładzanie odbywa się od dołu, poprzez własny „miąższ”, na co mury nie są specjalnie odporne. Ani rygory prawne, ani normowe czy nawet te związane z zasadami wiedzy technicznej nie przewidują tu rutynowych działań ochronnych. W rezultacie wymiennikiem ciepła (chłodu) w przestrzeni użytkowej stają się wszystkie powierzchnie ścian (murów) posadowionych poniżej poziomu wody podskórnej.
Gdy wód podskórnych omywających fundamenty nie ma, wtedy suchy grunt pod fundamentem jest buforem izolacyjnym, akumulatorem pobieranego z wnętrza domu ciepła. Utrata ciepła poprzez nagrzewanie Ziemi odbywa się śladowo, z dużą bezwładnością. Gdy wody są, ciepło „odpływa” z ich nurtem.
Jest to w zgodzie nie tylko z przepisami, lecz także z tradycją budowania współczesnych domów. Ławy fundamentowe od ponad pół wieku powszechnie buduje się z betonu (żelbetu). Ściany fundamentowe wykonuje się jako ściany betonowe lub muruje się z bloczków betonowych (na zaprawie cementowej). Nie trzeba tłumaczyć, dlaczego. A są to materiały „zimne”, o małej ciepłochronności (dużej przewodności cieplnej). Jeśli budynek jest niepodpiwniczony (gdy jest – będzie tylko nieco inaczej), to zgodnie ze sztuką budowlaną izolujemy ciepłochronnie (pionowo) mur fundamentowy od zewnątrz oraz (poziomo) posadzki – także od zewnątrz (od dołu). Izolowanie ciepłochronne ścian od wewnątrz jest niewłaściwe, przegrody co do zasady należy izolować od strony „zimnej”. W przeciwnym razie powstaje poważne ryzyko zagrzybienia ściany – a to gorsze od chłodu. Co prawda ciepłochronna izolacja fundamentów „od dołu” jest praktykowana, lecz dotyczy domów nowoczesnych, tzw. pasywnych, fundowanych na płytach betonowych (żelbetowych), w których mało ściśliwą, wodoodporną izolację poziomą układa się pod fundamentem budynku. W takich budynkach dąży się, by były w rzucie zbliżone kształtem do kwadratu i równomiernie obciążone (zwarte). Płyty wykonuje się na wcześniej wymienionym podłożu, by zminimalizować nierównomierne osiadanie i nierównomierne (częściowe) sprasowanie takiej izolacji.
Domy pasywne to jednak osobny segment rynku. Związany z technologią podrażającą etap budowy oraz pewnym niepokojem właściwym dla nowości. Można sądzić, że to, co dobre w budownictwie, powinno być poparte wieloletnią praktyką. Nawet gdy wszystko „przemawia za”, to musi się jeszcze oswoić. Dom to zwykle inwestycja na całe życie i niejedna już nowinka odeszła w zapomnienie, pozostawiając wstyd, koszty rozbiórki i utylizacji. Ambitne domy pasywne, oprócz większych kosztów budowy związanych głównie z koniecznością przestrzegania większego reżimu jakościowego, wymagają też zmian mentalnych związanych z akceptowaniem szczególnej formy tych domów, jak też ich eksploatacją. Dlatego – póki co – nie są przedmiotem zainteresowania liczącej się części inwestorów. Gdy sprzedaż działki nie wchodzi w rachubę, można oczywiście rozważyć jeszcze dom pasywny, zwłaszcza gdy ma się wiedzę o ryzyku związanym z kosztami użytkowania, o których tu mowa. Jeśli jednak inwestor nie może sobie pozwolić na wzrost kosztów, gdy jak to często bywa „już przy podejściu gospodarczym jest na minusie”, czy można coś zaradzić nadciągającemu złu?
Jeśli ma się świadomość zagrożenia, jeśli problem zostanie dostatecznie wcześnie zauważony i podjęte zostaną działania zaradcze, to można negatywny wpływ chłodzenia wodami podskórnymi wyeliminować lub przynajmniej zmniejszyć. Jeśli skutki chłodzenia przez wody podskórne zostaną oszacowane i uwzględnione w bilansie cieplnym budynku (mieszkania) i inwestor będzie miał szansę, by zmierzyć się z pytaniem, czy większe koszty akceptuje czy też nie. Jeśli nie, to można przede wszystkim podnieść poziom posadowienia, wynieść dom ponad wody podskórne. Można „oddalić” część użytkową od konstrukcji wychładzającej, utrudnić (wydłużyć drogę) wymianę ciepła. Można zaraz nad zwierciadłem wody odciąć (ciężką izolacją) podciąganie wody i zbudować mury fundamentowe z materiału dostatecznie nośnego, lecz równocześnie ciepłochronnego, niechłonącego wilgoci lub skutecznie przed nią zabezpieczonego. Można zaczerpnąć z kultury domu pasywnego, zgodzić się na to, by kształt domu (obciążenia) pozwalał na równomierne obciążenie fundamentów i ocieplić je wówczas od dołu. Podporządkować architekturę wymaganiom ochrony cieplnej. Ważne, by nie działać rutynowo, lecz uwzględnić przedstawione tu okoliczności.
Od 1 kwietnia 1995 r. wymagania ochrony cieplnej są w Polsce wyniesione na poziom obligatoryjnych przepisów (Prawo budowlane i delegowane z niego pierwsze „warunki techniczne” z 14 grudnia 1994 r.). Wcześniej wystarczały polskie normy dotyczące ochrony cieplnej budynków, określające wymagania w stosunku do przegród zewnętrznych budynku albo mieszkania (PN-B-02405:1953, PN-B-02020:1982 i aktualizacje). Wymagania wynikające z prawa budowlanego są systematycznie podwyższane. Od pewnego czasu nałożone są już wymagania, które będą obowiązywać od 1 stycznia 2021 r.
Jest oczywiste z uwagi na obszerność i zawiłość regulacji normowych czy prawnych, że wymagania formalne nie mogą obejmować wszystkich możliwych aspektów ochrony cieplnej. I tak już rozległe przepisy uległyby dalszemu ryzykownemu poszerzeniu. „Warunki techniczne” z 1994 r. spisane były na 40 stronach, gdy „warunki” z 2002 r. zajmują tych stron 115! Niewielka część problemów ochrony cieplnej nieobjęta wymaganiami formalnymi oraz ugruntowanymi zasadami wiedzy technicznej zwykle jest bez znaczenia i wpływa na różnice kosztów użytkowania na poziomie nieprzekraczającym paru procent. Można sobie jednak wyobrazić sytuację (taką jak tu opisana), gdy ta różnica będzie parokrotnie większa. Na pocieszenie pozostaje, że wówczas w takim domu, chłodnym w zimie, można spodziewać się w lecie miłego chłodu nawet podczas długotrwałych upałów. Wymagania prawne dotyczące chłodu będą spełnione z nawiązką.
Ryzyko nietrafionych inwestycji można by zmniejszyć, gdyby przeprowadzić badania precyzujące, o jakich stratach może być tu mowa (i wyniki badań upowszechnić w periodykach inżynierskich). Być może któraś z politechnik skusiłaby się na wykonanie modelu w racjonalnej skali i zbadanie problemu w warunkach laboratoryjnych? A może już takie badania przeprowadzono…
Karol Wirth
projektant w PSE S.A.
