Termomodernizacja zabytkowych obiektów kultu religijnego, to przedsięwzięcie wymagające nie tylko zapoznania się ze stanem technicznym budynku, ale także szerokiej wiedzy architektonicznej, a przede wszystkim uwzględnienia wymagań konserwatorskich. Obiekty tego typu wymagają odpowiednich dokumentów potwierdzających, iż konserwator zabytków dopuścił planowany zakres prac modernizacyjnych dotyczących obiektu. W tego typu budowlach konieczne jest również zastosowanie odpowiednich materiałów budowlanych umożliwiających najwierniejsze odtworzenie detali architektonicznych oraz nie dopuszczenie do pogorszenia mikroklimatu wewnątrz świątyni, a przede wszystkim warunków wilgotnościowych.
Obiekty sakralne należą do budowli bardzo energochłonnych, a przez to drogich w utrzymaniu. Przyczyn wysokiego zapotrzebowania na energię jest wiele – wiek i często zabytkowy charakter obiektów, ograniczający w zasadniczy sposób możliwości docieplenia budowli standardowymi metodami, zły stan techniczny budynków spowodowany brakiem środków finansowych na ich remont czy masywna struktura charakteryzująca się małą pasywnością energetyczną, a tym samym dużymi stratami cieplnymi.
Opłaty za energię cieplną stanowią znaczny procent całkowitych kosztów utrzymania i eksploatacji budynków sakralnych. Receptą na obniżenie kosztów energii jest podjęcie zdecydowanych działań termomodernizacyjnych. Większość obiektów sakralnych ogrzewanych jest w sposób nieprawidłowy, przez co występują wahania temperatury i wilgotności powietrza, co przekłada się w aspekcie kulturowym – głównie na niszczenie elementów wystroju wnętrza, a ekonomicznym – na niską efektywność grzewczą stosowanych systemów.
W artykule przedstawiono efekty energetyczne, jakie można uzyskać przeprowadzając termomodernizację obiektów sakralnych i modernizując instalację grzewczą oraz źródło ciepła, pokazując w ten sposób zasadność przeprowadzania tych czynności.
- Charakterystyka obiektów sakralnych
Rozpatrywane obiekty zlokalizowane są na terenie Diecezji Drohiczyńskiej, w dekancie sarnackim – kościół numer 1 i 2, w dekanacie sokołowskim – kościół numer 3 i w dekanacie bielskim – kościół numer 4.
Kościół numer 1 – jest to budowla, która została wzniesiona w 1890 roku, jako cerkiew prawosławna w stylu bizantyńsko-rosyjskim.
Kościół został wykonany w technologii tradycyjnej, murowanej. Ściany zewnętrzne z cegły ceramicznej pełnej o grubości 74 cm, są obustronnie otynkowane. Podłoga na gruncie wykonana jest z płyt marmurowych, podkładu betonowego i warstwy piasku. Strop pod strychem nieużytkowym wykonano jako stalowo-ceramiczny typu Kleina z płytą z cegły pełnej o grubości 13 cm. Dach drewniany został pokryty blachą ocynkowaną. Stolarka okienna w kościele drewniana, oszklona pojedynczą szybą. Drzwi wejściowe stare, drewniane.
Kościół numer 2 – drewniany został wybudowany w 1900 roku. Ściany zewnętrzne są z bali dębowych o grubości 14 cm, ocieplone matami trzcinowymi o grubości 1 cm. Ściany od wewnątrz oblicowane są boazerią, a od zewnątrz deskami barwionymi. Podłoga na gruncie wykonana jest z desek sosnowych na belkach z warstwą powietrzną. Strop pod strychem nieużytkowym wykonany jest z belek drewnianych, z wykonaną podsufitką z deszczółek. Ocieplony został płytami trzcinowymi grubości 2 cm. Dach drewniany pokryty jest dachówką ceramiczną. Stolarka okienna w kościele jest drewniana, oszklona pojedynczą szybą. Drzwi wejściowe stare, drewniane.
Kościół numer 3 – murowany został zbudowany w latach 1953 – 1960. Ściany fundamentowe są z cegły ceramicznej pełnej, a ściany zewnętrzne z cegły ceramicznej pełnej o grubości 63 cm, obustronnie otynkowane. Podłoga na gruncie wykonana jest z płyt marmurowych, podkładu betonowego i warstwy piasku. Strop pod strychem nieużytkowym wykonano typu Kleina stalowo-ceramiczny z płytą z cegły pełnej o grubości 13 cm. Dach drewniany jest pokryty blachą ocynkowaną. Stolarka okienna w kościele jest drewniana, oszklona pojedynczą szybą, a drzwi wejściowe stare, drewniane.
Kościół numer 4 – całość jest jednokondygnacyjna. Ściany zewnętrzne wykonane są z cegły pełnej grubości 75 cm. Ławy i ściany fundamentowe są kamienne. Nad kościołem wykonano sklepienie neogotyckie krzyżowo-żebrowe z cegły pełnej. Pokrycie dachu stanowi blacha stalowa ocynkowana. Posadzki wykonane są z płytek kamionkowych. Okna, typowe dla budownictwa sakralnego, w ramach metalowych, mają wykonane witraże. Drzwi zewnętrzne są drewniane.
Wyniki wskazują, że współczynniki przenikania ciepła przegród w znacznym stopniu przekraczają obecnie wymagane wartości. W celu zmniejszenia energochłonności budynku na cele grzewcze i wentylacyjne, należy zdecydowanie poprawić stan izolacyjności termicznej poszczególnych przegród budowlanych.
- Stan techniczny instalacji grzewczej i źródła ciepła w budynkach kościołów – ocena
Kościół parafialny numer 1 – wyposażony jest w instalację ogrzewania powietrznego, zasilanego z olejowego pieca nadmuchowego zasilanego ciężkim olejem opałowym. Piec nie ma zamontowanej żadnej automatycznej regulacji czasu pracy, ma jedynie możliwość jednostopniowego zwiększenia temperatury wywiewanego powietrza. Pracuje w systemie „włącz/wyłącz”. Nawiew ciepłego powietrza realizowany jest za pomocą kanału nadmuchowego miejscowego, bezpośrednio z pieca. W kościele nie ma kanałów rozprowadzających ogrzane powietrze po całym budynku.
Zastosowane w budynku źródło ciepła budzi zastrzeżenia pod względem stanu technicznego i jego sprawności wytwarzania. Brak technicznych możliwości zamontowania przy piecu instalacji automatyki pogodowej nie pozwala na automatyczną regulację ilości wytwarzanej energii w zależności od temperatury zewnętrznej i zastosowanie czasowego zmniejszenia temperatury wewnętrznej w ciągu doby. Możliwa jest tylko praca w systemie ciągłym i stosowanie przerw w ogrzewaniu pomiędzy nabożeństwami.
Instalacja grzewcza powietrzna jest w złym stanie technicznym. Brak jest możliwości uzyskania optymalnej temperatury w całym budynku kościoła pomimo działającego źródła ciepła.
Instalacja ogrzewania powietrznego kwalifikuje się do natychmiastowej wymiany wraz ze zmianą źródła ciepła. Sprawność całkowita istniejącej instalacji grzewczej ze źródłem ciepła wynosi 71,4%.
Kościół parafialny numer 2 – wyposażony jest w instalację centralnego ogrzewania wykonaną w systemie wodnym, dwururowym, z rozdziałem dolnym
z grzejnikami członowymi bez zaworów termo-statycznych. Rolę elementów regulacyjnych pełnią kryzy zamontowane na gałązkach przygrzejnikowych oraz kryzy zamontowane na podejściach do pionów centralnego ogrzewania w kanałach podpodłogowych. Ciepło do kościoła dostarczane jest z kotłowni węglowej zlokalizowanej w sąsiednim budynku poprzez sieć zasilającą. Kotłownia nie ma zamontowanej automatyki pogodowej, posiada ręczne sterowanie temperaturą wody zasilającej.
Zastosowane w kotłowni kotły nie budzą większych zastrzeżeń pod względem stanu technicznego. Brak technicznych możliwości zamontowania w kotłowni instalacji automatyki pogodowej nie pozwala na automatyczną regulację ilości wytwarzanej energii w zależności od temperatury zewnętrznej i zastosowanie czasowego zmniejszenia temperatury wewnętrznej w ciągu doby. Stan izolacji i rurociągów jest dobry, nie kwalifikujący ich do natychmiastowej wymiany. Sprawność całkowita istniejącej instalacji grzewczej ze źródłem ciepła wynosi 59,0
Kościół parafialny numer 3 – wyposażony jest w instalację grzewczą w układzie mieszanym opartym na grzejnikach elektrycznych konwektorowych i podgrzewaczach na gaz płynny propan-butan. Źródła ciepła nie mają zamontowanej żadnej automatycznej regulacji czasu pracy, a grzejniki elektryczne mają jedynie możliwość nastawy temperatury pracy.
Zastosowane w budynku źródła ciepła budzą zastrzeżenia pod względem stanu technicznego i jego sprawności wytwarzania dla ogrzewania gazowego. Brak technicznych możliwości zamontowania instalacji automatyki pogodowej nie pozwala na automatyczną regulację ilości wytwarzanej energii w zależności od temperatury zewnętrznej i zastosowanie czasowego zmniejszenia temperatury wewnętrznej w ciągu doby. Możliwa jest tylko praca w systemie ciągłym i stosowanie przerw w ogrzewaniu pomiędzy mszami.
System grzewczy oparty na miejscowych źródłach ciepła uniemożliwia utrzymanie odpowiedniej i równomiernej temperatury w całym budynku. System grzewczy kwalifikuje się do natychmiastowej zmiany wraz ze źródłami ciepła. Sprawność całkowita istniejącej instalacji grzewczej ze źródłem ciepła wynosi 79,6% .
Kościół parafialny numer 4 – źródłem ciepła na cele centralnego ogrzewania są miejscowo ustawione elektryczne grzejniki, włączane na czas odprawiania nabożeństw i spotkań w kościele.
Zmiana systemu grzewczego, ma zapewnić optymalną temperaturę w całym kościele, a nie tylko w wybranych miejscach. Sprawność całkowita istniejącej instalacji grzewczej ze źródłem ciepła wynosi 85,5%.
- Zaproponowany zakres modernizacji bryły budynku i systemu grzewczego
Analizując stan techniczny kościołów parafialnych i stan techniczny systemu grzewczego zaproponowano usprawnienia termomodernizacyjne dotyczące zmniejsze- nia zapotrzebowania na ciepło i moc cieplną, które docelowo mają spowodować zmniejszenie opłat za dostawę ciepła.
Niestety, nie we wszystkich kościołach z uwagi na zabytkowy charakter obiektu była możliwa poprawa izolacyjności przegród zewnętrznych metodami tradycyjnymi. W trzech kościołach zastosowane zostały tynki renowacyjne, oprócz drewnianego kościoła numer 2.
Zakres termomodernizacji w kościele parafialnym numer 1
Zaproponowano:
- − docieplenie stropu pod strychem płytami z wełny
mineralnej o współczynniku przewodzenia ciepła
λ = 0,038 W/(m×K) i grubości 16,0 cm;
- − docieplenie podłogi na gruncie płytami styropianu
o współczynniku przewodzenia ciepła
λ = 0,040 W/(m×K) i grubości 12,0 cm;
- − wymianę stolarki na okna o współczynniku
U = 1,30 W/(m×K) z opcją rozszczelniania;
- − wymianę drzwi wejściowych na drzwi
o współczynniku U = 2,60 W/(m×K);
- − wykonanie modernizacji instalacji grzewczej obejmującej opracowanie dokumentacji, podłączenie do nowego źródła ciepła – kotła opalanego biomasą, wykonanie instalacji grzewczej podłogowej wodnej z regulatorem temperatury, zaworami mieszającymi i sterownikami.
Łączny koszt realizacji wyżej wymienionego wariantu termomodernizacyjnego z wykonaniem niezbędnej dokumentacji technicznej wyniesie około 315 000 zł brutto.
Całkowita sprawność systemu grzewczego zmieni się zη0=71,4%naη1=88,2%.
Zakres termomodernizacji w kościele parafialnym numer 2
Zaproponowano:
− docieplenie stropu pod strychem płytami z wełny
mineralnej o współczynniku przewodzenia ciepła
λ = 0,038 W/(m×K) i grubości 16,0 cm;
− wymianę stolarki na okna o współczynniku
U = 1,30 W/(m×K) z opcją rozszczelniania;
− wymianę drzwi wejściowych na drzwi
o współczynniku U = 2,60 W/(m×K);
− docieplenie ścian zewnętrznych metodą lekką – suchą
wełną mineralną o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,038 W/(m×K) o grubości 12,0 cm – pod elewacją z desek;
− wykonanie modernizacji instalacji c.o. obejmującej opracowanie dokumentacji, montaż grzejników kanałowych z podestem z zaworami termostatycznymi i regulację hydrauliczną instalacji.
Łączny koszt realizacji wyżej wymienionego wariantu termomodernizacyjnego z wykonaniem niezbędnej dokumentacji technicznej wyniesie około 62 000 zł brutto.
Całkowita sprawność systemu grzewczego zmieni się z η0 = 59,0% na η1 = 68,6%.
Zakres termomodernizacji w kościele parafialnym numer 3
Zaproponowano:
- − docieplenie stropu pod strychem płytami wełny
mineralnej o współczynniku przewodzenia ciepła
λ = 0,038 W/(m×K) i grubości 16,0 cm;
- − docieplenie podłogi na gruncie płytami z polistyrenu
ekstrudowanego o współczynniku przewodzenia ciepła
λ = 0,040 W/(m×K) i grubości 12,0 cm;
- − wymianę stolarki na okna o współczynniku
U = 1,30 W/(m×K) z opcją rozszczelniania;
- − wymianę drzwi wejściowych na drzwi
o współczynniku U = 2,60 W/(m×K);
- − docieplenie ścian zewnętrznych metodą lekką – mokrą
styropianem/wełną mineralną o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,040 W/(m×K) i grubości 13,0 cm;
- − wykonanie modernizacji instalacji c.o. obejmującej opracowanie dokumentacji, zmianę źródła ciepła na kocioł olejowy kondensacyjny, podłączenie rozdzielacza, wykonanie instalacji grzewczej podłogowej wodnej z regulatorem temperatury, zaworami mieszającymi i sterownikami.
Łączny koszt realizacji wyżej wymienionego wariantu termomodernizacyjnego z wykonaniem niezbędnej dokumentacji technicznej wyniesie około 930 000 zł brutto.
Całkowita sprawność systemu grzewczego zmieni się z η0 = 79,6% na η1 = 96,0%.
Zakres termomodernizacji w kościele parafialnym numer 4
Zaproponowano:
- − docieplenie stropu nad kościołem płytami z wełny
mineralnej o grubości 16 cm przy współczynniku
przewodzenia ciepła λ = 0,040 W/(m×K);
- − docieplenie podłogi na gruncie w kościele płytami polistyrenu ekstrudowanego o grubości 8 cm przy
λ = 0,040 W/(m×K);
- − wymianę stolarki okiennej na nowe szczelne okna,
o współczynniku przenikania ciepła U = 1,30 W/(m×K), z napływem powietrza zewnętrznego w ilości niezbędnej dla potrzeb wentylacyjnych przez urządzenia nawiewne umieszczane w oknach lub innych częściach przegród zewnętrznych;
- − wymianę drzwi na nowe, szczelne o współczynniku przenikania ciepła U = 2,00 W/(m×K);
- − wykonanie modernizacji instalacji c.o. obejmującej usunięcie starych grzejników elektrycznych i zastąpienie ich nową instalacją centralnego ogrzewania w układzie – ogrzewanie podłogowe i ogrzewanie podłogowe z grzejnikami kanałowymi wraz podestem, zlokalizowanymi wzdłuż bocznych ścian kościoła. W nakładach na ogrzewanie podłogowe uwzględniono cały koszt elementów systemu: rury PEX-X-Al, roljet (styropian), klipsy, złączki do rur, rury peszel, rozdzielacze, szafki rozdzielaczowe; automatykę: zawory termostatyczne z głowicą termostatyczną; akcesoria: taśmy brzegowe, plastyfikatory, profile dylatacyjne, taśmy klejące, taśmy izolacyjne do profilu.
Zaleca się także wykonanie nowej kotłowni na biomasę z kotłem zgazowującym drewno z wentylatorem nadmuchowym, dostosowaną do nowego projektowego obciążenia cieplnego kościoła po przeprowadzonej termomodernizacji.
Łączny koszt realizacji wyżej wymienionego wariantu termomodernizacyjnego z wykonaniem niezbędnej dokumentacji technicznej wyniesie około 695 000 zł brutto.
Całkowita sprawność systemu grzewczego zmieni się z η0 = 85,5% na η1 = 70,03%.
- Wyniki uzyskanych efektów energetycznych po przeprowadzeniu termomodernizacji budynków kościołów i modernizacji źródeł ciepła
Po wykonaniu przedsięwzięć termomodernizacyjnych zaleconych w poszczególnych kościołach opisanych w punkcie 3 uzyska się zmniejszenie rocznego zapotrzebowania na energię cieplną (energię końcową EKH) w kościele: numer 1 o 31,86%; numer 2 o 57,25%; numer 3 o 48,42% i numer 4 o 49,90%. W tabeli 4 przedstawiono uzyskane efekty energetyczne po termo-modernizacji kościołów.
Na rysunku 5 przedstawiono sezonowe zapotrzebowanie na ciepło na cele grzewcze z uwzględnieniem sprawności przed i po termomodernizacji w poszczególnych kościołach, a na rysunku 6 projektowe obciążenie cieplne przed i po termomodernizacji.
W artykule przedstawiono wyniki analizy energetycznej czterech wybranych kościołów zlokalizowanych na terenie diecezji Drohiczyńskiej.
Po uwzględnieniu wymagań konserwatorskich, w kościołach zaproponowano termomodernizację bryły budynku, polegająca w większości kościołów na dociepleniu stropu pod strychem, dociepleniu podłogi na gruncie, wymianę okien i drzwi oraz położenie tynków ciepłochronnych, z wyjątkiem kościoła numer 2. W kościele numer 2 możliwe było docieplenie ścian zewnętrznych płytami z wełny mineralnej pod elewacją z desek. Prace termomodernizacyjne obejmowały także wymianę instalacji c.o. i źródła ciepła, oprócz kościoła numer 2, gdzie pozostawiony został kocioł węglowy, ze względu na dobry stan techniczny. W trzech modernizowanych obiektach zaproponowane zostało ogrzewanie podłogowe (kościół numer 1, 3 i 4) razem z wymianą posadzek kamiennych, w kościele numer 2 ogrzewanie z grzejnikami kanałowymi. W ybór ogrzewania podłogowego związany był z planowanym remontem posadzek oraz tym, że w tych kościołach panowała duża niestabilność temperatury i wilgotności. Zaś ogrzewanie podłogowe pozwala w obiektach tej wielkości (małe i średnie kościoły) utrzymać parametry temperatury i wilgotności na stabilnym poziomie, co jest ważne ze względu na zabytkowe budowle, obrazy, czy ścienne freski.
Zamiana starych źródeł ciepła na źródła ciepła spalające biomasę (kościół numer 1 i 4) była spowodowana zastosowaniem przede wszystkim ekonomicznego, taniego, odnawialnego, efektywnie energetycznego i w miarę możliwości ekologicznego paliwa. Biomasa uważana jest za paliwo odnawialne, gdyż w rozliczeniach emisji CO2 traktowana jest, jako paliwo o zanieczyszczeniu zerowym. W kościele numer 3, gdzie ogrzewanie obiektu odbywało się w systemie mieszanym: energia elektryczna i gaz propan butan, na życzenie gospodarza obiektu zostało zamienione na kotłownię bezobsługową, na olej opałowy lekki.
Wykonując termomodernizację kościołów można liczyć na zmniejszenie projektowego obciążenia cieplnego na cele grzewcze oraz zmniejszenie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków od 31% do 57%. Można uznać, że planowane efekty energetyczne zostały osiągnięte.
Efekty energetyczne łączą się nieodzownie z efektami ekonomicznymi. W związku z termomodernizacją kościołów uzyskano oszczędności w za ogrzewanie w granicach od 2000zł rocznie w kościele numer 2 do około 57 000 zł rocznie w kościele numer 4.
Uzyskane efekty energetyczne i ekonomiczne w pełni pozwalają sądzić, że termomodernizacja kościołów, jak również modernizacja źródła ciepła, instalacji centralnego ogrzewania są w pełni uzasadnione.
Joanna PIOTROWSKA-WORONIAK, Grzegorz WORONIAK, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45A, 15-351 Białystok
