Wpływ szczelności na energooszczędność budynków

Zapotrzebowanie na energię

Jednym z istotnych zadań podczas projektowania budynków przez architekta, a następnie projektanta instalacji HVAC jest zapewnienie komfortu cieplnego. W okresie chłodnym realizowane jest to poprzez doprowadzenie energii w formie ciepła z wykorzystaniem urządzenia ogrzewczego, a w okresie ciepłym poprzez odprowadzenie energii w formie ciepła z wykorzystaniem systemu wentylacji lub poprzez dostarczenie chłodu. Energia do budynku dostarczana jest również w formie przenikania promieniowania słonecznego przez przegrody przeszklone oraz z wewnętrznych zysków ciepła – od ludzi i urządzeń. Całkowite zyski ciepła mają pokryć straty wywołane przenikaniem ciepła na zewnątrz przez przegrody – ściany, dach, podłogę, drzwi i okna – i wraz z powietrzem wentylacyjnym. Tak zwane straty na wentylację uwzględniają powietrze infiltracyjne dostające się do budynku przez nieszczelności.

Przypomnijmy, że zapotrzebowanie na energię może być określane za pomocą trzech wielkości: energii pierwotnej, końcowej i użytkowej. Aby określić roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną nieodnawialną (EP), należy obliczyć zapotrzebowanie na energię końcową (EK) oraz uwzględnić rodzaj zużywanego paliwa lub nośnika energii poprzez wykorzystanie współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej (wi). Z kolei do obliczenia rocznego zapotrzebowania na energię końcową wykorzystuje się energię użytkową (EU) i sprawność systemu instalacyjnego (η). Zapotrzebowanie na energię użytkową uzależnione jest m.in. od lokalizacji budynku, żądanych temperatur oraz charakterystyki energetycznej obiektu, rodzaju ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej, ewentualnie chłodzenia (o ile jest ono w obiekcie realizowane) i oświetlenia (dla budynków niemieszkalnych).

Występujące nieszczelności a wentylacja budynku

Nieszczelności budynku negatywnie wpływają na efektywność wentylacji mechanicznej. Jednocześnie utrudniają zbilansowanie strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego, wpływają na tworzenie się nad- i podciśnienia, powodują ryzyko pogarszania się jakości powietrza wewnętrznego oraz konieczność dostarczania dodatkowej energii na podgrzanie powietrza przedostającego się przez nieszczelności.

Uwarunkowania te każą się bliżej przyjrzeć szczelności budynków i zapewnieniu wentylacji opartej na zorganizowanej, kontrolowanej wymianie powietrza. Straty spowodowane nieszczelnością są traktowane jako składowe współczynnika strat ciepła przez wentylację. Obliczeniowa wielkość strat jest uzależniona od wykonania próby szczelności.

Strumień powietrza infiltrującego oblicza się zgodnie z jednym z dwóch poniższych wzorów.

– jeśli wykonano próbę szczelności:

– gdy brak próby szczelności:

Zgodnie z metodologią sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej nieprzeprowadzenie próby szczelności w budynkach oznacza przyjęcie założenia, że doszło do przekroczenia krotności wymiany wymaganej przez WT. Jest to założenie słuszne, gdyż wyniki badań przeprowadzonych w budynkach, które „nie były budowane pod test”, potwierdzają, że obiekty te mają ograniczoną szczelność.

Szczelność budynku

Współczesne budynki buduje się w założeniu jako szczelne, tzn. powietrze niezbędne do procesu wentylacji dostarczane jest w sposób zorganizowany (wentylacja wymuszona – mechaniczna). Wentylacja niezorganizowana (przez nieszczelności) nie spełnia współczesnych standardów efektywności energetycznej i komfortu przebywania w pomieszczeniach. Wentylacja niezorganizowana kojarzona jest często z wentylacją naturalną.

Na szczelność powietrzną budynku wpływ mają m.in.:

• sposób osadzenia drzwi i okien,
• sposób prowadzenia i zabezpieczenia przejść instalacyjnych (w tym sanitarnych) w przegrodach zewnętrznych i w powłoce budynków,
• sposób ułożenia instalacji elektrycznych, w tym puszek instalacyjnych, w stropie i przy powierzchniach ścian zewnętrznych,
• przewody spalinowe i kominy oraz okap kuchenny,
• połączenie stropu ze ścianą zewnętrzną.

Poziom szczelności można określać, stosując kilka kryteriów.

W Polsce najbardziej znany jest współczynnik n₅₀ związany z liczbą wymian powietrza w budynku w ciągu godziny. Przeciek powietrza przy różnicy ciśnień 50 Pa do kubatury wewnętrznej wynosi:

Współczynnik ten jest miarodajny dla budynków mieszkalnych i biurowych, ale nie dla wielkokubaturowych, w przypadku których bardziej odpowiedni jest współczynnik q₅₀ (n₅₀ jest zbyt łatwy do osiągnięcia dla bardzo dużych budynków).

Parametr q₅₀ określa całkowity strumień przecieków do pola powierzchni wszystkich przegród zewnętrznych. Nie powinien on przekraczać 5 m³/h ∙ m² (dla różnicy ciśnień 50 Pa). Niekiedy wykorzystuje się również parametr w₅₀. Określa on strumień przecieku powietrza (dla różnicy ciśnień 50 Pa) w odniesieniu do powierzchni podłogi [10].

W krajowych przepisach nie podano wymagań dla parametrów innych niż n₅₀. Zalecenia w zakresie szczelności zawarte w Warunkach Technicznych są następujące:

• budynek z wentylacją grawitacyjną lub hybrydową: n₅₀ ≤ 3,0 [h^–1],
• budynek z wentylacją mechaniczną lub klimatyzacją: n₅₀ ≤ 1,5 [h^–1].

Badanie szczelności wykonuje się obecnie wg najnowszej normy PN-EN ISO 9972, która wprowadziła pewne zmiany w stosunku do normy wcześniejszej (PN-EN 13829). Inaczej liczy się kubaturę – obliczana jest teraz „kubatura wewnętrzna – w świetle ścian” budynku z przegrodami wewnętrznymi, wcześniej była to kubatura wentylacyjna. Inne jest oznaczenie metod badawczych, obecnie są to: 1 – budynek użytkowany, 2 – budynek nowy, 3 – metoda uwzględniająca wytyczne zlecającego. W badaniach najczęściej wykorzystuje się metodę 2. Pozwala ona zagwarantować najlepsze wyniki, a jednocześnie w jej przypadku najłatwiej porównać obiekty ze sobą. W normie PN-EN ISO 9972 określona jest dokładnie procedura przygotowania budynku do badań wraz z zakresem koniecznych czynności (wcześniejsza norma pozostawiała w tym zakresie pewne niedomówienia).

W polskim prawodawstwie (Warunki Techniczne) występuje zalecenie przeprowadzenia badań szczelności i określenia wartości n₅₀, ale nie jest to niestety obowiązek. Badania takie są konieczne np. w Niemczech, a zasadność ich przeprowadzania uwidacznia się szczególnie na etapie wykonawstwa – kiedy jeszcze można naprawić usterki niewielkim kosztem.

Jak zapewnić szczelność budynku?

Szczelność należy rozpatrywać kompleksowo. Już od etapu koncepcji, poprzez projekt, po montaż trzeba uwzględniać rozwiązania oraz detale architektoniczne i instalacyjne gwarantujące uzyskanie szczelności.

Najistotniejszą kwestią jest zachowanie wysokiego reżimu jakości prowadzenia robót budowlanych oraz ścisłe trzymanie się wytycznych związanych z wykonawstwem poszczególnych prac. Ważny jest kompetentny i wymagający nadzór. Problemy pojawiają się szczególnie przy stosowaniu nowych technologii i procedur wykonania. Wykonawcy z długim stażem mają swoje metody i nie zawsze chcą zmieniać nawyki. Złe przyzwyczajenia są zatem kolejną przyczyną zwiększonych przecieków.

Inną kwestią jest brak wiedzy nt. znaczenia szczelności budynków [5], jest to nadal zagadnienie mało znane w naszym kraju. Co to bowiem znaczy, że budynek jest nieszczelny – czy jest jak sito? Jak to dostrzec? Dla powietrza może być jak sito, nawet gdy wytrawne oko wykonawcy widzi, że budynek został prawidłowo wykonany. Co oznacza przebicie powłoki szczelnej powietrznie i do czego prowadzi brak prawidłowego obrobienia tego przebicia? Czy takie pytania stawiają sobie wykonawcy?

Które zatem rozwiązania zagwarantują szczelność, a które nie? Szczelność zapewniają: beton, tynki wewnętrzne, twarde płyty drewniane (OSB – nie), folie i membrany zbrojone i paroszczelne. Nie uzyskuje się szczelności, stosując: deskowanie dachu, zaprawę murarską, płyty paździerzowe czy wiórowe, folie perforowane i paroprzepuszczalne, materiały izolacyjne (styropian, wełna) [12]. Doszczelniać budynki można, wykorzystując specjalistyczne taśmy i płynne gumy pęczniejące.

Procedura przeprowadzania badań szczelności

Do przeprowadzania badań szczelności wykorzystuje się wysoko wydajny, skalibrowany osiowy wentylator (wentylatory) o zmiennej prędkości obrotowej z osprzętem – blower door (tzw. drzwi nawiewne). Montowany jest on w naturalnych otworach przegród zewnętrznych (drzwiach, czasem oknach) na stelażu tworzywowym lub aluminiowym.

System wyposażony jest w elementy pomiarowe i sterujące (pomiar różnicy ciśnień, strumienia przepływającego powietrza). Dodatkowo mierzone są temperatury i ciśnienie. Wentylator wyposażony jest w kryzy pomiarowe wyrównujące ciśnienie.

Sposób przeprowadzenia badań i procedurę opisuje norma PN-EN ISO 9972. Badania składają się z następujących etapów:

Zaplanowanie badań – szczególnie istotne w przypadku budynków o większej i skomplikowanej kubaturze. Na tym etapie poznaje się geometrię obiektu, strukturę funkcjonalną pomieszczeń, elementy systemu wentylacyjnego, planuje miejsca montażu wentylatora (w przypadku ich większej liczby zabezpiecza się podłączenie energetyczne).

Przygotowanie budynku – poprzez zabezpieczenie zewnętrznych otworów, które w normalnych warunkach wykorzystywane są do wentylacji i komunikacji. Przepływ powietrza podczas testu ma się odbywać jedynie przez nieszczelności. Następuje otwarcie do wnętrza wszystkich pomieszczeń oraz wyłączenie systemów wentylacji mechanicznej i kotłów z otwartą komorą spalania.

Wykonanie badań – etap najistotniejszy z punktu widzenia „określania liczby wymian”. Jest on stosunkowo krótki (w porównaniu do etapu przygotowawczego). Aby przeprowadzić badania, muszą zostać spełnione odpowiednie warunki środowiskowe, m.in. brak porywistego wiatru (zgodnie z normą różnica ciśnień pomiędzy wnętrzem i na zewnątrz nie może przekraczać 5 Pa, prędkość na zewnątrz powinna być mniejsza niż 6 m/s, jednocześnie iloczyn wysokości budynku i różnicy temperatur wewnątrz i na zewnątrz nie może przekraczać 500 m · K).

W celu przeprowadzenia badań należy prawidłowo zainstalować zestaw pomiarowy. Wentylator montowany jest najczęściej w futrynie drzwi wejściowych. Pierwszym etapem jest zamontowanie rusztowania, do którego mocuje się wentylator. W dalszej kolejności konieczne jest podłączenie elektryczne, sygnałowe i ciśnieniowe oraz zamontowanie kurtyny. Po prawidłowo wykonanym montażu następuje etap kalibracji systemu, poprzedzony wprowadzeniem danych środowiskowych (opisanych wcześniej) i geometrycznych (kubatura wentylacyjna, pole powierzchni podłogi, pole powierzchni przegród po obrysie wewnętrznym). Pomiary wstępne warto wykonywać przy możliwie najwyższym ciśnieniu, sprawdzając zachowanie się elementów zaślepiających otwory technologiczne.

W trakcie testów rejestruje się przepływy powietrza odpowiadające poszczególnym poziomom ciśnienia. Wykonuje się pomiary w minimum pięciu punktach z zakresu 10–100 Pa. Większą dokładność pomiaru można uzyskać przy wyższej różnicy ciśnień. Pomiary wykonywane są wielokrotnie, a precyzyjne oprogramowanie wylicza uśrednione wartości współczynnika szczelności, np. n₅₀ – współczynnik krotności wymian. Norma dopuszcza wykonanie badania w nadciśnieniu lub podciśnieniu. W celu zwiększenia dokładności można wykonać badania w obydwu przypadkach, przyjmując do obliczeń średnią wartość. Wybór ciśnienia pracy może być uzależniony m.in. od sposobu uszczelnienia otworów technologicznych.

Wynik badania – w postaci liczby wymian [1/h] – określany jest dla różnicy ciśnień 50 Pa, jako np. n₅₀ (dla różnicy ciśnień 50 Pa). Różnica ciśnień odpowiada naporowi wiatru na budynek w warunkach naturalnych z prędkością kilku m/s. Pomiary charakteryzują się dużą dokładnością, a błąd uzyskiwany podczas pomiaru nie powinien przekraczać 3–4%.

Lokalizacja nieszczelności w osłonach zewnętrznych budynku to etap dodatkowy. Może zostać przeprowadzony z zastosowaniem wytwornic dymu. Ruch powietrza (dymu) wskazuje na nieszczelności, ale w metodzie tej widać dym jedynie przy sporych przeciekach. Inną metodą detekcji może być wykorzystanie termografii – na obrazie termograficznym doskonale widać pole o innej temperaturze, które można wiązać z ruchem powietrza (pole to nie występuje w przypadku układu budynek–otoczenie bez różnicy ciśnień). Jeszcze inną metodą jest wykorzystanie czułych anemometrów termicznych, które są w stanie wykryć przepływy powietrza na poziomie 0,03 m/s.

Test szczelności kończy się sporządzeniem protokołu z badań i ewentualnym raportem obrazującym lokalizację nieszczelności.

Wpływ szczelności powietrznej na energooszczędność – badania

Stopień szczelności tylko nieznacznie wpływa na parametry energetyczne budynków o wysokim zapotrzebowaniu na energię (niebędących energooszczędnymi). Związane jest to z mniejszym udziałem strat na wentylację, w których zawarta jest infiltracja. Wyniki badań wpływu szczelności na efektywność energetyczną opisano m.in. w [4, 7, 8, 9].

Zwiększenie szczelności zwykłych budynków o jedną wymianę daje oszczędność energii rzędu 2–3%. Sytuacja się jednak zmienia, gdy mamy do czynienia z budynkiem o niskim zapotrzebowaniu na ciepło. Wpływ na energooszczędność może dochodzić wówczas do 5% dla dodatkowej jednej wymiany przy 50 Pa [7]. Przeprowadzone parę lat temu badania budynków energooszczędnych wyposażonych w wentylację mechaniczną [9] wykazały, że w większości z nich przekroczone zostały dopuszczalne wartości szczelności. Miało to miejsce szczególnie w obiektach, w których nieplanowane było badanie szczelności (czyli w większości przypadków). Autor tych badań powiązał poziom szczelności z rokiem budowy obiektu (poziomem izolacyjności, stopniem świadomości inwestora i wykonawcy). Okazało się, że największy wpływ na szczelność budynku ma czynnik ludzki, czyli wykonawstwo. Jakość wykonania nie stanowi z reguły priorytetu na budowie i podczas remontu budynków (dla wykonawców) i widać to potem doskonale w trakcie testów. Problemem jest montaż drzwi i okien, łączenie ścian z dachem, sposób wykonania budynków o konstrukcji lekkiej. Z literatury opisującej badania wynika, że całkowity wpływ szczelności powietrznej budynków na ich energooszczędność nie przekracza z reguły kilkunastu procent [4], jednak zdarzają się przypadki, że dochodzi nawet do 40% (budynek energooszczędny, w którym popełniono elementarne błędy wykonawcze) [2].

Wpływ szczelności powietrznej na energooszczędność – obliczenia

W ramach prac nad poradnikiem dla architektów, projektantów i inwestorów pt. „Jak spełnić wymagania, jakim powinny odpowiadać budynki od 2021 roku” [6] przyjrzano się także zagadnieniu szczelności budynków. Analizy energetyczne przeprowadzone zostały m.in. dla nowego budynku jednorodzinnego o pow. 252 m² (spełniającego warunki WT 2021 pod względem izolacji termicznej) i z korzystnym współczynnikiem kształtu 0,41 (stosunek powierzchni obudowy do kubatury).

Analizy podstawowe (bazowe) prowadzone były przy założeniu wysokiej szczelności obiektu dla wskaźnika n50 – odpowiednio dla budynku z wentylacją grawitacyjną oraz mechaniczną – możliwej do osiągnięcia, ale wymagającej rzetelnego podejścia podczas całego cyklu procesu budowlanego.

Szczegółowej analizie poddano budynek w dwóch konfiguracjach instalacyjnych. Pierwsze, klasyczne rozwiązanie (wariant 1) oparte zostało na kotle gazowym z instalacją grzejnikową i wentylacją naturalną. Z kolei drugie, bardziej nowoczesne (wariant 2) oparto na technologii pomp ciepła z ogrzewaniem podłogowym i wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Spośród tych dwóch wariantów jedynie drugi spełnia warunki WT 2021 w zakresie zapotrzebowania na energię pierwotną.

Przeprowadzono obliczenia zapotrzebowania na energię użytkową przy innych wskaźnikach szczelności. Dla wariantu pierwszego z wentylacją grawitacyjną dodatkowo przeanalizowano rozwiązanie z n₅₀ równym 3 i 4, a dla wariantu drugiego z n₅₀ równym 0,5, 2 i 4. W budynkach z wentylacją grawitacyjną częściej spotyka się szczelność na poziomie 3 i 4 (niż 2), a dla wentylacji mechanicznej szczelność może być wyższa i wartość 0,5 jest realna do uzyskania (dla budynków energooszczędnych budowanych rzetelnie), chociaż spotyka się również gorsze rezultaty niż wymagane 1,5, np. 2. Wartość 4 została wyliczona w celu odkrycia zależności energetycznej.

Z przeprowadzonych obliczeń widać liniową zależność między poziomem szczelności i wskaźnikiem EU. Potwierdza to spostrzeżenia innych badaczy. Jednocześnie widać rosnący wpływ nieszczelności na zużycie energii w budynkach energooszczędnych (rys. 1). Zwiększenie nieszczelności z poziomu 0,5 do 1 daje wzrost zapotrzebowania na energię o ok. 6%, z poziomu 1 do 2 – wzrost zapotrzebowania na energię o ok. 14%, a z poziomu 2 do 4 – wzrost zapotrzebowania na energię aż o 27%.

Zdecydowanie mniejszy wpływ nieszczelności na zapotrzebowanie energetyczne występuje dla budynków z wentylacją grawitacyjną. W tym przypadku zwiększenie nieszczelności z poziomu 2 do 4 skutkuje wzrostem zapotrzebowania na energię na poziomie 10%.

Podsumowanie

Szczelność budynku ma istotny wpływ na zapotrzebowanie na energię, tym większy, im budynek jest bardziej energooszczędny i korzysta z technologii ogrzewania wykorzystujących energię odnawialną.

W budynkach, w których na etapie projektu nie było planowane badanie szczelności, po zakończeniu prac montażowych obserwuje się zdecydowanie zwiększone zapotrzebowanie na energię. Próba szczelności jest rodzajem testu, będącego kontrolą prowadzonych prac budowlanych.

Dobór współczesnych urządzeń ogrzewczych – pomp ciepła – opiera się na ich dokładnym dopasowaniu do potrzeb grzewczych danego budynku. Każda rozbieżność pomiędzy obliczeniami a rzeczywistością (spowodowana np. nieszczelnością budynku) skutkuje potencjalnym niedogrzaniem pomieszczeń i brakiem komfortu przebywania w nich oraz wyższymi wydatkami na energię, niż zakładano.

Z tych m.in. powodów rekomendowane jest przeprowadzania badań szczelności w każdym nowo powstającym czy gruntownie modernizowanym budynku.

Literatura

1. Erhorn H., Erhorn-Kluttig H., Carrié R., Airtightness requirements for high performance buildings, 2016, http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.614.6844&rep=rep1&type=pdf (dostęp: 1.06. 2020).
2. Firląg Szymon, Szczelność powietrzna budynków energooszczędnych a instalacje, „Rynek Instalacyjny” 4/2015, rynekinstalacyjny.pl.
3. Kisielewicz Tomasz, O związkach między szczelnością budynków a mikroklimatem, komfortem wewnętrznym i zużyciem energii w budynkach niskoenergetycznych, „Napędy i Sterowanie” 12/2014.
4. Krause Paweł, Szczelność obudowy a ochrona cieplna budynku, „Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce” 2/2007.
5. Kurowski Krystian, O szczelności powietrznej (powietrznej) budynków słów kilka – metody pomiarowe, „InstalReporter” 8/2015.
6. Kurowski Krystian, Kondraciuk Monika, Jak spełnić wymagania, jakim powinny odpowiadać budynki od 2021 roku? Ogrzewanie i wentylacja w warunkach technicznych. Poradnik dla architektów, projektantów i inwestorów, POBE, 2020, do pobrania bezpłatnie z: http://pobe.pl/poradnik-jak-spelnic-wymagania-wt-2021/.
7. Nowak Katarzyna, Nowak-Dzieszko Katarzyna, Wpływ szczelności budynków na ich bilans energetyczny, „Materiały Budowlane” 1/2014.
8. Miszczuk Artur, Poziom szczelności jednorodzinnych budynków energooszczędnych w Polsce, „Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce” 1/2015.
9. Miszczuk Artur, Wpływ szczelności w jednorodzinnych budynkach energooszczędnych na ich zapotrzebowanie na energię, „Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce” 2/2016.
10. PN-EN ISO 9972:2015 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Określenie przepuszczalności powietrznej budynków. Metoda pomiaru ciśnieniowego budynku z użyciem wentylatora.
11. Shrestha Prateek M., Humphrey Jamie L. et al., Impact of Low-Income Home Energy-Efficiency Retrofits on Building Air Tightness and Healthy Home Indicators, “Sustainability”, May 2019.
12. Śpiewak A., Szczelność powietrzna obiektów budowlanych a metoda badania i uszczelniania przegród budowlanych, „Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym” 2/2015.