Tepelná ochrana historickej budovy v Košiciach pomocou dynamických simulácií
Príspevok sa zaoberá s tepelnou ochranou historickej budovy v Košiciach. Budova je momentálne využívaná v plnej funkcii ako bábkové divadlo. Trpí však poruchami spôsobené zvýšenou vlhkosťou. Časť príspevku je venovaná vlhkostnej analýze, ktorá bola vykonaná deštruktívnym spôsobom pomocou gravimetrickej metódy. Hlavná časť príspevku sa zaoberá s výsledkami dynamických simulácií, pri ktorej sa analyzovala tepelno-vlhkostná odozva historickej steny po aplikácií tepelnej izolácie z interiéru.
1. Úvod
Historické budovy postavené pred rokom 1945 tvoria významnú časť európskeho fondu budov. Historické budovy sú dôležitou oblasťou zamerania sa na dosiahnutie klimatických a energetických cieľov EÚ, keďže spotrebujú takmer 40 % celkovej spotreby energie budov a sú zodpovedné za 36 % emisií CO2 z budov v Európe. Inštaláciou vnútornej izolácie na obvodových stenách je možné ušetriť potenciálne 15–20 % z celkovej spotreby energie budovy. Zateplením sa zvýšia izolačné vlastnosti stien a môže sa tiež zlepšiť úroveň tepelnej pohody. Pre výber správneho izolačného riešenia je podľa [1] dôležité poznať tepelno-vlhkostné vlastnosti materiálov v existujúcich konštrukciách a izolačných systémov. Najdôležitejšie sú tepelná vodivosť λ W/(m.K), koeficient kapilárnej absorpcie Acap (kg/(m2s0,5)) kapilárna aktivita a faktor difúzneho odporu μ (–) [1] [2].
Zateplenie historických budov z vonkajšej strany je však neprípustné z dôvodu vysokej kultúrnej hodnoty historických fasád a ich prvkov. Použitie tepelno-izolačných materiálov z vnútornej strany je však sprevádzané veľkým množstvom rizík ako napr. kondenzácia medzi existujúcou konštrukciou a tepelnou izoláciou, zníženie vysychania konštrukcie smerom do vnútra a z toho vyplývajúca zvýšená vlhkosť v konštrukcii a tým riziko vzniku plesní [3].
V súvislosti so spomínanými negatívnymi dopadmi vnútorného zateplenia na tepelno-technické správanie obvodovej konštrukcie historickej budovy, je cieľom článku návrh a optimalizácia hrúbky tepelnej izolácie na vnútornom povrchu. Hodnotiacim parametrom efektívnosti návrhu je teplotný a vlhkostný profil v konštrukcii. Sledovaným kritériom je teplota rosného bodu na vnútornom povrchu muriva pod navrhovanou tepelnou izoláciou. Dlhodobá simulácia vodného obsahu v konštrukcii po zateplení je indikátorom spoľahlivosti konštrukcie. Logickou požiadavkou je maximalizácia hrúbky tepelnej izolácie pre dosiahnutie minimalizácie tepelnej straty transmisiou cez obvodovú stenu. S narastajúcou hrúbkou tepelnej izolácie však hrozí riziko zhoršovania tepelno-vlhkostného režimu tejto konštrukcie. Interakciou spomenutých požiadaviek za pomoci progresívnych simulačných metód pri súčasnom využití prístrojovej laboratórnej techniky, je hlavným cieľom príspevku dosiahnuť maximálne funkčný a optimálny návrh vnútorného zateplenia obvodovej steny historickej budovy.
2. Vlhkostná analýza
2.1 Odber vzoriek
Obr. 1 Severovýchodná fasáda bábkového divadla
Vlhkostný prieskum budovy bol vykonaný dňa 19.11.2020 v čase od 8:00 do 10:30, kedy deštruktívnou metódou boli odobraté vzorky zo soklovej časti obvodového muriva orientované na severovýchod. Omietka soklovej časti opakovane odpadáva (Obr. 1) a z toho dôvodu väčšina sond sa koncentrovalo na túto časť obvodovej konštrukcie. Spravili sa 7 sond z ktorých sa odobrali 14 vzoriek. Sondy sa vykonali v troch výškových úrovniach – 0,3 m; 0,5 m; 1,0 m v hĺbkach 0,001 až 0,10 m (Obr. 2)
Obr. 2 Miesta odberu vzoriek zo severovýchodnej fasády – vľavo vzorka z omietky, vpravo vzorka z tehly plnej pálenej
2.2 Meranie hmotnostnej vlhkosti vzoriek
Vyhodnotenie vzoriek sa uskutočnilo v laboratóriu ÚPS TUKE. Hmotnostná vlhkosť sa merala gravimetrickou metódou pomocou analyzátora vlhkosti typu Sartorius MA 150. Analyzátor vlhkosti SARTORIUS MA 150 analytickou metódou vyhodnocuje stratu hmotnosti vlhkej vzorky pomocou zabudovanej sušiarni, ktorú nazývame termo-gravimetrickou metódou. Zdrojom tepla je keramické IR vykurovacie teleso, ktoré rovnomerne ohrieva povrch vzorky. Vážiaca kapacita prístroja je 150 g s presnosťou merania 1 mg. Zabudovaná sušiareň pracuje s teplotou 40–180 °C s presnosťou 1 °C. Presnosť výsledku hmotnostnej vlhkosti pri množstve vzorky ≥1 g je ±0,2 % a pri ≥5 g je je ±0,05 % [4].
2.3 Vyhodnotenie vzoriek
Výsledky laboratórnych meraní sa porovnávali s normovými hodnotami pre zistenie miery vlhkosti soklovej časť obvodového muriva (Tab. 1 a 2).
| Vlhkosť | Obsah vlhkosti v % hmotnosti |
|---|---|
| Veľmi nízka | < 3 |
| Nízka | 3,0–5,0 |
| Zvýšená | 5,0–7,5 |
| Vysoká | 7,5–10 |
| Veľmi vysoká | > 10 |
| Označenie sondy | Popis vzorky | Hmotnostná vlhkosť [%] | Klasifikácia vlhkosti podľa STN P 73 0610 |
|---|---|---|---|
| 0Bj | Omietka jadrová | 3,67 | nízka |
| 1Bv | Omietka štuková | 1,8 | veľmi nízka |
| 1Bj | Omietka jadrová | 1,27 | veľmi nízka |
| 2A | Tehla plná pálená | 1,08 | veľmi nízka |
| 2Bj | Omietka jadrová | 2,12 | veľmi nízka |
| 3Av | Tehla plná pálená | 5,29 | zvýšená |
| 3Ah | Tehla plná pálená | 6,14 | zvýšená |
| 3Bv | Omietka štuková | 1,34 | veľmi nízka |
| 4A | Tehla plná pálená | 2,56 | veľmi nízka |
| 4Bv | Omietka štuková | 3,53 | nízka |
| 4Bj | Omietka jadrová | 0,62 | veľmi nízka |
| 5Bj | Omietka jadrová | 2,54 | veľmi nízka |
| 6Bv | Omietka štuková | 3,07 | nízka |
| 7Bv | Omietka štuková | 6,7 | zvýšená |
2.4 Okrajové a počiatočné podmienky
Pri simulácií sa používali dynamické vonkajšie okrajové podmienky pre mesto Košice podľa [5] (Tab. 3). Pre vnútornú okrajovú podmienku sa uvažovala priemerná teplota 21,2 °C s amplitúdou 1 K s denným maximom 3. júla s 22,2 °C. Vnútorná relatívna vlhkosť sa uvažovala ako priemerná hodnota 60 % s amplitúdou 5 % s denným maximom 16. septembra. Na základe vlhkostného prieskumu obvodového muriva bola zvolená počiatočná vlhkosť vápenno-cementovej vonkajšej omietky 67,07 kg/m3.
| Parameter | Hodnota |
|---|---|
| lokalita | Košice |
| zemepisná šírka [°] | 48,67 North |
| zemepisná dĺžka [°] | 21,24 East |
| nadmorská výška [m] | 231 |
| priemerná teplota [°C] | 10,2 |
| maximálna teplota [°C] | 31,8 |
| minimálna teplota [°C] | −12,2 |
| priemerná relatívna vlhkosť [%] | 73,3 |
| maximálna relatívna vlhkosť [%] | 100 |
| minimálna relatívna vlhkosť [%] | 22 |
| priemerná rýchlosť vetra [m/s] | 3,1 |
| bežné množstvo zrážok [mm/a] | 469,8 |
2.5 Materiálové parametre
Monitorovaná stena je z lomového tufového kameňa, spojené svetlosivým spojivom s veľkými kúskami nehaseného vápna hrúbky cca 1,4 m. Z vnútornej strany je omietnutá vápennou omietkou s finálnou úpravou povrchu maľby bielej farby. Stena je zapustená pod upraveným terénom a uvažovalo sa s vonkajšou vápenno-cementovou omietkou. Materiálové parametre jestvujúcej steny a steny po aplikácií vnútorného zateplenia sú popísane v tabuľkách 4–6.
| Hrúbka [m] | Objemová hmotnosť [kg/m3] | Porozita [m3/m3] | Špecifická tepelná kapacita [J/kgK] | Súčiniteľ tepelnej vodivosti [W/mK] | Faktor difúzneho odporu [–] | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VPC omietka | 0,05 | 1900 | 0,24 | 850 | 0,8 | 19 |
| Historická kamenná stena | 1,4 | 1800 | 0,31 | 850 | 0,6 | 15 |
| Vápenná omietka | 0,02 | 1600 | 0,3 | 850 | 0,7 | 7 |
| Hrúbka [m] | Objemová hmotnosť [kg/m3] | Porozita [m3/m3] | Špecifická tepelná kapacita [J/kgK] | Súčiniteľ tepelnej vodivosti [W/mK] | Faktor difúzneho odporu [–] | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VPC omietka | 0,05 | 1900 | 0,24 | 850 | 0,8 | 19 |
| Historická kamenná stena | 1,4 | 1800 | 0,31 | 850 | 0,6 | 15 |
| Vápenná omietka | 0,02 | 1900 | 0,24 | 850 | 0,8 | 19 |
| Ytong Multipor | 0,05 | 115 | 0,96 | 850 | 0,04 | 4,1 |
| Ytong Multipor Adhesive | 0,006 | 833 | 0,686 | 850 | 0,155 | 15,1 |
3. Výsledky a diskusia
3.1 Výsledky simulácie
Dynamické simulácie boli vykonané pomocou simulačného softvéru WUFI (Künzel 1994), ktorý umožňuje jednorozmernú analýzu komplexného transportu tepla a vody v stavebných materiáloch pri dynamických okrajových podmienkach [6–8]. Výsledky HAM simulácie potvrdili predpoklad o priaznivom vplyve kalcium-silikátovej dosky použitej na vnútornom povrchu historického muriva. Relatívna vlhkosť na povrchu konštrukcie sa znížila vďaka vlastnostiam tepelnej izolácie, ktorá je schopná pri zvýšenej vnútornej relatívnej vlhkosti absorbovať vlhkosť do svojho jadra (Obr. 3–5). Správanie sa objemu vody v konštrukcii je opačné. Kalcium-silikátová doska zabraňuje vysychaniu konštrukcie smerom dovnútra a tým zvyšuje sa objem vody v izolačnej vrstve a aj v samotnej historickej stene. Pri hrúbke izolácie 100 mm sa vysychanie konštrukcie vo vnútri ešte viac obmedzí a tým sa zväčší objem vody v stene. Farebné krivky označujú aktuálny stav dosiahnutia jednotlivých veličín a bledšie farebné oblasti rozsah týchto veličín počas výpočtového obdobia. Zdvojená čiara nachádzajúca sa medzi priebehmi teploty a relatívnej vlhkosti, resp. obsahu vody reprezentuje vlhkostný tok v danom momente. Výsledný obrázok predstavuje priebehy na konci výpočtového obdobia. Počas animovaného výpočtu, vlhkostný tok sa mení v závislosti od dynamických okrajových podmienok.
Obr. 3 Priebeh teploty (červená), teploty rosného bodu (fialová), relatívnej vlhkosti (zelená) a obsahu vody (modrá) v existujúcej skladbe historického muriva
Obr. 4 Priebeh teploty (červená), teploty rosného bodu (fialová), relatívnej vlhkosti (zelená) a obsahu vody (modrá) historického muriva po aplikácií kalcium-silikátovej dosky hr. 50 mm
Obr. 5 Priebeh teploty (červená), teploty rosného bodu (fialová), relatívnej vlhkosti (zelená) a obsahu vody (modrá) historického muriva po aplikácií kalcium-silikátovej dosky hr. 100 mm
Obr. 6 Obsah vody pôvodnej historickej steny, po aplikácií kalcium silikátovej dosky hr. 50 mm a 100 mm
Na obrázku 6 je znázornený priebeh obsahu vody v historickej stene počas 4 rokoch. Počiatočný obsah vody je približne 4,5 kg/m3. V pôvodnej skladbe konštrukcie, t.j. bez pridanej tepelno-izolačnej vrstvy je možné pozorovať klesajúci trend obsahu vody. Voda v zimných mesiacoch sa naakumuluje v masívnej stene, v letných mesiacoch však postupne vysychá. Počas simulovaného obdobia je možné pozorovať kontinuálne vysychanie konštrukcie. Po aplikácií kalcium-silikátovej dosky hr. 50 mm na vnútorný povrch je zreteľné zvýšenie obsahu vody v konštrukcii. V letných mesiacoch stena vysychá na približnú úroveň počiatočného obsahu vody. Po aplikácií kalcium-silikátovej dosky hr. 100 mm zvýšenie objemu vody je výraznejší v porovnaní s hrúbkou dosky 50 mm. V letných mesiacoch vykazuje opäť mierne vysychanie, ale už nie na úroveň pôvodného obsahu vody. Vyznačené údaje z dňa 24.04.2023 sú maximálne objemy vody počas 4 ročného monitorovaného obdobia.
3.2 Diskusia
Obr. 7 Vplyv tepelnej izolácie na obash vody a na súčiniteľa tepelnej vodivosti historického muriva
Aplikáciou nameraných hodnôt hmotnostnej vlhkosti ako počiatočnej podmienky dlhodobej simulácie sa zreálnil stav konštrukcie na začiatku procesu prenosu tepla. Výsledkom simulácií je obsah vody v konštrukcii po aplikácií dvoch rôznych hrúbok vnútorného zateplenia, resp. bez zateplenia obvodovej murovanej steny. Obsah vody sa s narastajúcou hrúbkou tepelnej izolácie zväčšuje a dochádza k jeho dlhodobej akumulácii. Pri hrúbke zateplenia 100 mm je obzvlášť viditeľná neschopnosť konštrukcie vysychania v lete. Konštrukcia sa pomalšie zbavuje naakumulovaného množstva vody v zimných mesiacoch. Naproti tomu pri hrúbke tepelnej izolácie 50 mm je schopná konštrukcia znížiť svoj percentuálny obsah vody z 0,28 na 0,25 hmotnostných %. Poznatky z výsledkov dlhodobých simulácií indikuju, že je potrebné hrúbku tepelnej izolácie optimalizovať vzhľadom na akumuláciu vody v konštrukcii.
Pôvodná stena s hrúbkou 1,47 m má súčiniteľ prechodu tepla U = 0,398 W/(m2K). Po zateplení kalcium-silikátovou kapilárne aktívnou izolačnou doskou hrúbky 50 mm súčiniteľ prechodu tepla sa znížil na U = 0,274 W/(m2K). V prípade použitia izolácie hrúbky 100 mm táto hodnota sa znížila na 0,21 W/(m2K) (Obr. 7).
4. Záver
Historické murivo masívnej hrúbky je schopné významnej akumulácie tepla, ale takisto vody. Výsledky dlhodobej simulácie akumulácie množstva obsahu vody v konštrukcií po zateplení potvrdzujúcu fakt, že vnútorné zateplenie zabraňuje vysychaniu do interiéru v lete. Dochádza k poklesu teploty v murive vplyvom zateplenia zvnútra, kedy je konštrukcia podchladzovaná a málo ohrievaná. Tento pokles teploty v murive spolu so zníženou schopnosťou vysychania muriva do interiéru v lete, majú za následok zvýšenú mieru akumulácie obsahu vody v zateplenej konštrukcii. Absolútne hodnoty hmotnostných percent vlhkosti muriva po zateplení a po uplynutí dvoch rokov neprekračujú úroveň veľmi nízkej vlhkosti. Je možné konštatovať, že aj pri zateplení hrúbky 100 mm zvnútra ostane konštrukcia funkčná. Treba mať ale na zreteli, že posúdenie je realizované v jednorozmernom transporte. Pri viacrozmerných detailoch konštrukcií a rôznych konštrukčných danostiach historických budov môže lokálne dochádzať k nežiadúcim efektom vnútorného zateplenia. Úlohou do ďalšej práce je experimentálne in-situ overovania správania obvodových konštrukcií tejto budovy pred a po zateplení. Získanými dátami z ďalšieho výskumu je možné dosiahnuť ucelený obraz o tepelno-technickom správaní murív historických budov, na ktorých došlo k realizácií vnútorného zateplenia.
Poďakovanie
Tento príspevok vznikol v rámci projektu VEGA 1/0626/22 Návrh a hodnotenie stavebných konštrukcií a vnútorného prostredia budov pre náročné podmienky
Literatúra
- https://www.ribuild.eu
- State of the art on historic building insulation materials and retrofit strategies, Project no. 637268, project title: Robust Internal Thermal Insulation of Historic Building
- J. Zhao, J. Grunewald, U. Ruisinger, S. Feng, Evaluation of capillary-active mineral insulation systems for interior retrofit solution, Build. Environ. 115 (2017) 215–227, https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2017.01.004.
- https://dokumen.tips/documents/operating-instructions-sartorius-moisture-analyzer-2009-12-22-sartorius-moisture.html?page=50
- https://climate.onebuilding.org/WMO_Region_6_Europe/SVK_Slovakia/index.html
- https://wufi.de/en/software
- Künzel, H. M. 1994. Simultaneous Heat and Moisture Transport in Building Components. Dissertation. Stuttgart: University of Stuttgart, Download: http://www.building-physics.com/.
- Künzel, H. M., Zirkelbach, D. and Karagiozis, A. N. 2005 Simulation of indoor temperature and humidity conditions including hygrothermal interactions with the building envelope, Solar Energy, Volume 78, Issue 4, April 2005, Pages 554-561, https://doi.org/10.1016/j.solener.2004.03.002.
The paper deals with thermal protection of a historical building in Košice. The building is currently used in full function as a puppet theater. However, it suffers from malfunctions caused by increased humidity. Part of the paper is devoted to the moisture analysis, which was carried out in a destructive way using the gravimetric method. The main part of the contribution deals with the results of dynamic simulations, during which the thermal-moisture response of the historical wall was analyzed after the application of thermal insulation from the interior.