Bardzo często badania termowizyjne są jedynym narzędziem możliwym do zastosowania przy ocenie stanu ochrony cieplnej przegród zewnętrznych budynków 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 20,7oC (pomiar na wysokości 1 m od poziomu posadzki), stwierdzono temperaturę na powierzchni ściany od strony zewnętrznej wynoszącą od -3,3 (pole AR05) do 2,4oC (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
- PN-EN 13187 Właściwości cieplne budynków – Jakościowa detekcja wad cieplnych w obudowie budynku – metoda podczerwieni.
- P Krause, Stan ochrony cieplnej ścian zewnętrznych na wybranych przykładach śląskiego domu wielorodzinnego, „Spotkanie z zabytkiem” nr 3 [IID/2008.
- www.schimmelgutachten.de.
- E. Grinzato, IR Thermography Applied to the Cultural Heritage Conservation, 18th World Conference on Nondestructive Testing, Durban, South Africa, 2012.
- www.wta-international.org.
- H. Pfeifer, Untersuchung mangelhaft hergestellter Innendämmung mit Thermographie, www.bau-sv.de.