Termomodernizacja z wykorzystaniem lekkich elementów prefabrykowanych

Tomasz Sasin, Politechnika Warszawska

1. „Fala Renowacji” i Europejski Zielony Ład

Budownictwo mieszkaniowe w Polsce oraz Unii Europejskiej jest przedmiotem wielu regulacji prawnych i zmian związanych z inicjatywami mającymi na celu pomóc przekształcić UE w nowoczesną, zasobooszczędną i konkurencyjną gospodarkę.

Kluczową strategią dla budynków jest „Fala Renowacji” ogłoszona 14 października
2020 roku komunikatem Komisji Europejskiej „Europejska fala renowacji – ekologizacja budynków, tworzenie miejsc pracy, poprawa jakości życia”. Jest to jednocześnie podstawowy filar planu działania na rzecz Europejskiego Zielonego Ładu. Według danych Komisji Europejskiej 75% budynków w UE to budynki nieefektywne energetycznie, a jedynie 1% budynków poddawanych jest każdego roku renowacji¹. „Fala Renowacji” ma usunąć bariery utrudniające modernizację budynków, tak aby osiągnąć poziom minimum 3% odnowionych budynków w ciągu roku. Jest to inicjatywa kluczowa, gdyż wykorzystanie energii w budownictwie (w tym ciepła zużywanego na ogrzewanie budynków) to jedno z głównych źródeł emisji gazów cieplarnianych zarówno w Europie, jak i w Polsce. Sektor budownictwa zużywa szacunkowo 40–50% całej energii używanej w Unii Europejskiej. Polska na tym tle nie wyróżnia się (pozytywnie). Ogrzanie tylko budynków mieszkalnych w kraju stanowi 28% naszego całkowitego zużycia energii pierwotnej².Głównymi odbiorcami ciepła są budynki mieszkalne, w dużej mierze kilkudziesięcioletnie budynki wielorodzinne o niskich parametrach izolacyjności termicznej przegród i wysokim zapotrzebowaniu na energię. W celu zmniejszenia zużycia energii przez te budynki stosowane są techniki termomodernizacyjne polegające między innymi na poprawieniu izolacyjności termicznej przegród, modernizacji systemu wentylacyjnego lub źródła ciepła.

Popularne „docieplanie” budynków na stałe wpisało się w krajobraz miejskich remontów. Poprawnie przeprowadzona kompleksowa termomodernizacja (wliczając w to modernizację źródła ciepła, instalacji w budynku, wymianę okien, modernizację elewacji, a nawet wymianę źródeł oświetlenia) pozwala na oszczędności energii w zakresie 30–50% wartości pierwotnej. Wynik może wydawać się dobry, ale przyjmując fakt, że zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną w powszechnych budynkach wielkopłytowych (budowanych od lat 60. do 90. XX wieku) wynosi około 320–350 kWh/m^2•rok³, oznacza to, że po tym zabiegu budynek wykazuje zapotrzebowanie na poziomie 160–175 kWh/m^2•rok energii pierwotnej, co jest wartością daleką od dzisiejszych standardów (zgodnie z Warunkami Technicznymi 2021 jest to maksymalnie 65 kWh/m^2•rok dla budynków mieszkalnych wielorodzinnych⁴). Inną kwestią jest fakt, że inwestor nie zawsze decyduje się na kompleksową termomodernizację, a samo „docieplenie” ścian pozwala na zmniejszenie zużycia energii zazwyczaj o 15–30%.

2. Termomodernizacja w teorii i w praktyce

Termomodernizacja, w definicji ustawy z dnia 21 listopada 2008 r. o wspieraniu termomodernizacji i remontów oraz o centralnej ewidencji emisyjności budynków⁵, to wszelkie prace związane z elementami budynku, które mają na celu zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło i energię elektryczną w budynku. Przykładowo:Docieplenie przegród zewnętrznych (w tym dachu);

• Wymiana okien i drzwi;
• Modernizacja systemu wentylacji (np. zastosowanie rekuperacji);
• Izolacja przewodów instalacji c.o. i c.w.u;
• Montaż zaworów termostatycznych;
• Wymiana źródła ciepła na źródło wykorzystujące energię odnawialną;
• Ulepszenie, w wyniku którego następuje zmniejszenie zapotrzebowania na energię dostarczaną na potrzeby ogrzewania i podgrzewania wody użytkowej;
• Ulepszenie, w wyniku którego następuje zmniejszenie strat energii pierwotnej
  w lokalnych sieciach ciepłowniczych oraz zasilających je lokalnych źródłach ciepła;
• Wykonanie przyłącza technicznego do scentralizowanego źródła ciepła,
  w związku z likwidacją lokalnego źródła ciepła;
• Całkowita lub częściowa zamiana źródeł energii na źródła odnawialne lub zastosowanie wysokosprawnej kogeneracji.

Termomodernizacja ma na celu przede wszystkim obniżenie zużycia energii w budynku, a co za tym idzie zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych i uzyskanie oszczędności na mediach. Dodatkowymi efektami są wzrost wartości nieruchomości, wzrost komfortu dla użytkownika (np. komfortu termicznego), pozytywny wpływ na środowisko oraz często unowocześnienie budynku.

Termomodernizację, jako proces, można podzielić na etapy, których wykonanie jest niezbędne, aby osiągnąć zamierzony efekt.

Krokiem inicjującym proces jest stwierdzenie potrzeby termomodernizacji danego obiektu. Powody mogą być obiektywne, jak np. ogólnie zły stan techniczny nieruchomości, ale wskazanie może również pochodzić od użytkowników, mieszkańców skarżących się na brak komfortu termicznego lub wysokie rachunki za media.

Po podjęciu decyzji o przeprowadzeniu termomodernizacji inwestor zleca przygotowanie audytu energetycznego budynku, który jest jednym z podstawowych w procesie dokumentów, a opisuje:

• Stan obecny;
• Szacunkowe roczne zużycie energii;
• Wskazanie miejsc strat energii;
• Wskazanie sposobów zmniejszenia lub zlikwidowania strat;
• Analizę ekonomiczną wraz z okresami zwrotu danych usprawnień.

Audyt energetyczny jest niejako mapą drogową dla inwestycji, gdyż wskazuje, jakie działania przyniosą największy efekt, jaki będzie ich szacunkowy koszt oraz oczekiwany wpływ na środowisko. Jednocześnie daje inwestorowi możliwość podjęcia decyzji o zaniechaniu pewnych działań ze względu na niewspółmierne koszty lub trudności w realizacji.

Dalsze kroki procesu są charakterystyczne dla typowej inwestycji budowlanej, tzn. wykonywany jest projekt termomodernizacji przez projektantów, a następnie inwestycja jest realizowana przez wykonawcę. Znaczna część realizacji przeważnie wykonywana jest ręcznie, z obróbką materiałów na miejscu, co oznacza emisję pyłu, hałasu, zanieczyszczenia i prawdopodobne zakłócenie relacji sąsiedzkich.

Proces zamyka faza rozliczeniowa związana z premią termomodernizacyjną. Inwestor wykazuje na podstawie audytu energetycznego spełnienie minimalnego (zgodnie ze wspominaną ustawą) wymagania, tj. zmniejszenia rocznych strat energii o co najmniej 25%.

Premia termomodernizacyjna jest w wielu przypadkach kluczowa dla inwestora.
Jej wysokość wynosi 16% kosztów poniesionych na realizację przedsięwzięcia (jest podniesiona do 21% w przypadku, gdy dodatkowo zostanie zainstalowana instalacja OZE). Niestety wysokość premii termomodernizacyjnej nie jest zależna od efektu tego przedsięwzięcia, co czasami powoduje, że inwestor decyduje się na minimalny zakres termomodernizacji (aby osiągnąć cel zmniejszenia rocznych strat energii o co najmniej 25%), co w konsekwencji blokuje zazwyczaj kolejne inwestycje w danym obiekcie na następnych wiele lat.

1. Termomodernizacja głęboka

Głęboka lub pogłębiona termomodernizacja oznacza wyjście poza schematyczne działania renowacyjne, zapewnienie nowej jakości budynku i dostosowanie go do nowoczesnych standardów, a nierzadko wykraczając poza nie. Głęboka termomodernizacja odpowiada przede wszystkim na pytania, jak bardzo można ograniczyć zużycie energii w budynku i jak podnieść komfort życia mieszkańców.

Termomodernizacja w wersji głębokiej wykorzystuje rozwiązania pasywne (poprawa izolacyjności termicznej przegród i elementów budowlanych) oraz aktywne (odnawialne źródła energii, pompy ciepła), aby docelowo zmniejszyć energochłonność do parametrów budynku niskoenergetycznego lub nawet pasywnego.

Tak znaczące zmniejszenie zapotrzebowania na energię niesie również inne pozytywne efekty – mieszkania powiększają się o miejsca zajęte dotychczas przez grzejniki, gdyż w unowocześnionym budynku mogą być znacznie mniejsze lub wręcz wyeliminowane.

Kluczem do efektywnej termomodernizacji jest maksymalna redukcja zapotrzebowania na energię, co najprościej można osiągnąć przez podniesienie parametrów izolacyjności termicznej przegród, w tym okien, oraz zapewnienie efektywnej wentylacji.

Odpowiedzią na powyższe jest między innymi wykorzystanie elementów prefabrykowanych, które tworząc szczelną obudowę wokół budynku, minimalizują straty ciepła. Przy wykorzystaniu prefabrykatów modernizowane są jednopiętrowe domy szeregowe, jak i kilkupiętrowe bloki mieszkalne. Technologia ta daje architektom i inżynierom nowe możliwości wykorzystania fasad i większy potencjał w modernizacji budynków.

Jedną z wiodących technologii jest Timber Based Element System, która została opisana na kolejnych stronach. Timber Based Element Systembazuje na drewnie i umożliwia elastyczne dopasowanie elementów prefabrykowanych do wymagań technicznych projektu.

3. Elementy prefabrykowane dla termomodernizacji

Nowoczesne technologie prefabrykacji mają zastosowane w wielu rodzajach konstrukcji budowlanych, mogą być również wykorzystane w procesie termomodernizacji.

oraz w trakcie budowy, jako dodatkowa przegroda budynku⁶

Prefabrykowana elementy, tworzące dodatkową przegrodę budynku, to nowoczesne rozwiązanie dające nowe możliwości inwestorom podczas renowacji. Pozwalają one na radykalne zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło i energię pierwotną poprzez minimalizację strat ciepła, szczelną konstrukcję, odzysk ciepła z wentylacji, integrację urządzeń zacieniających czy integrację aktywnych komponentów słonecznych.

1. Prefabrykaty TES

Jedną z technologii prefabrykacji wykorzystywaną przy termomodernizacji jest Timber Based Element System (w skrócie TES), w której głównym materiałem wykorzystywanym do produkcji jest drewno.

Elementy TES łączą konstrukcję samonośną z wypełnieniem termoizolacyjnym, wykończeniem okładziną (np. deskami drewnianymi, panelami drewnianymi, szkłem, aluminium itp.) i możliwością integracji odnawialnych źródeł energii. Elementy budowlane takie jak okna czy drzwi są łatwe w integracji ze względu na modułowość oraz montaż w kontrolowanych warunkach w fabryce⁷.TES jest również sposobem montażu elementów wyprodukowanych w fabryce, zastępujących niektóre warstwy lub wszystkie przegrody zewnętrzne w budynku.

Rys. 2. Schematyczny proces produkcji TES⁷

Rys. 3. Element prefabrykowany gotowy do zamontowania w budynku⁸Metoda TES to również usystematyzowany proces rozpoczynający się od pomiarów, planowania, poprzez produkcję, do montażu na miejscu. Wykorzystywane są symulacje energetyczne, dane BIM, dane ekonomiczne w jednym, cyfrowym modelu przepływu pracy.

Rys. 4. Proces projektowy technologii TES

Prefabrykacja wymaga szczegółowych informacji na temat remontowanego obiektu. Na bazie dokładnych pomiarów i inwentaryzacji budynku elementy TES produkowane są w fabryce, zgodnie z projektem opracowanym na podstawie pomiarów. Do zebrania danych często używa się skaningu laserowego (technologia LiDAR), którego cyfrowe dane można relatywnie łatwo poddawać konwersji i na ich podstawie planować produkcję.

Przeprowadzając głęboką termomodernizację, inwestor powinien rozważyć wykorzystanie wartości dodanej, jaką niesie technologia TES. Pozytywnymi efektami tego typu renowacji jest możliwość ingerencji we wnętrze budynków poprzez zmniejszenie liczby, powierzchni grzejników (czasami wręcz ich wyeliminowanie), co zwiększa swobodę urządzania mieszkań oraz powiększenie otworów okiennych.

Rys. 5. Usunięcie części przegrody (kolor czerwony) w celu powiększenia otworu okiennego oraz montaż okna w warstwie izolacyjnej TES⁷

Każdorazowo taka zmiana wymaga analizy konstrukcji budynku, natomiast biorąc pod uwagę zwiększenie grubości przegród zewnętrznych po zastosowaniu TES, powiększenie otworów okiennych jest pożądane.

Elementy TES mogą być również fabrycznie wyposażone w zintegrowane moduły urządzeń pozyskujących energię odnawialną, przede wszystkim panele fotowoltaiczne.

Rys. 6. Zintegrowane moduły PV z fasadą budynku⁹

Integracja źródeł energii odnawialnej z elewacjami budynków otwiera możliwości wykorzystania powierzchni do tej pory pełniących funkcje osłonowe, nośne, do produkcji energii. Kwestie techniczne, jak sposoby mocowania urządzeń i prowadzenia instalacji czy kwestie ekonomiczne związane z mniejszym potencjałem pozyskiwania energii słonecznej przez panele zamontowane w pionie, wydają się mniej istotne niż możliwość zagospodarowania elewacji w miastach i wykorzystania pozyskanej energii w najbliższym sąsiedztwie.

Wśród zalet prefabrykacji z wykorzystaniem elementów TES należy wymienić:

• Samonośną konstrukcję ramy drewnianej;
• Precyzję i jakość prefabrykowanego systemu budowlanego;
• Zastosowanie szerokiej gamy okładzin i materiałów;
• Możliwość rozbudowy modułowej w spójnym systemie;
• Integrację HVAC i systemów OZE;
• Integrację elementów nośnych;
• Nową jakość architektury;
• Poprawę efektywności energetycznej budynków;
• Polepszony komfort mieszkańców/użytkowników;
• Wykorzystanie materiałów drewnopochodnych w elementach elewacyjnych
  o niższym śladzie węglowym;
• Skrócony czas budowy na miejscu co przekłada się na mniej hałasu i zakłóceń.

1. Przykłady modernizacji z wykorzystaniem TES

Technologia TES rozwinęła się głównie w Niemczech, Francji oraz krajach skandynawskich. Kraje te, podobnie jak Polska, posiadają w swoich zasobach budynki budowane w technologii wielkopłytowej (pierwsze osiedle bloków mieszkalnych z prefabrykatów żelbetowych powstało we Francji), a inna struktura właścicielska (większy procent budynków należy do samorządów lub organizacji o charakterze państwowym) umożliwia finansowanie projektów głębokiej termomodernizacji.

Poniżej zaprezentowano przykłady zastosowania elementów prefabrykowanych TES:

1. Oulu, Finlandia

Renowacja akademików uczelni w Oulu w zachodniej Finlandii, około 200 km na południe od koła podbiegunowego. W wyniku głębokiej termomodernizacji zmniejszono zapotrzebowanie energii pierwotnej na ogrzewanie z 148 kWh/m²•rok do 30 kWh/m²•rok¹⁰.

1 Fala renowacji: KR i Komisja Europejska rozpoczynają współpracę w celu pobudzenia modernizacji budynków, https://cor.europa.eu/pl/news/Pages/renovation-wave-CoR-and-Commission-launch-cooperation-to-boost-building-overhaul.aspx (dostęp 30.03.2022).

2 Statystyki International Energy Agency, http://www.iea.org/statistics/statisticssearch/report/?&country=POLAND&year=2011&product=Balances (dostęp 30.03.2022).

3 Projekt Tabula: Typology Approach for Building Stock Energy Assessment, TABULA web tool, http://www.building-typology.eu (dostęp 30.03.2022).

4 Dz. U. 2019 poz. 1065.

5 Dz.U. 2008 nr 223 poz. 1459.

6 Projekt Bertim, http://www.bertim.eu/index.php?option=com_content&view=article&id=10&Itemid=128&lang=en (dostęp 30.03.2022).

7 Frank Latke, TES EnergyFaçade – prefabricated timber based building system for improving the energy efficiency of the building envelope, roz. 1, 2011.

8 Buildup, The European Portal for Energy Efficiency in Buildings, https://www.buildup.eu/en/node/45373 (dostęp 30.03.2022).

9 SmartTES Innovation in timber construction for the modernization of the building envelope. Project report 26.08.2011.

Polubisz? Polecisz?