W związku z planowaną przebudową i rozbudową ewangelickiego Kościoła Chrystusowego w Heinsberg o nową salę - pomieszczenie wielofunkcyjne, które miało odpowiadać wymaganiom nowo budowanego domu pasywnego, przeprowadzono  także energetyczną modernizację tego kościoła.

Budynek kościoła jest typową dla regionu budowlą ceglaną z lat 50-tych. Cały zespół składający się z budynku kościoła i leżącego na przeciw niego budynku parafialnego miał utrzymać swój dotychczasowy charakter (Zdjęcie nr 1). W związku z powyższym zarówno kościół, jak też budynek parafialny, miały otrzymać wewnętrzną izolację.

Zwłaszcza w przypadku budynków zabytkowych czy będących pod kuratelą konserwatora należy znaleźć odpowiednio dopasowane rozwiązania z zakresu modernizacji energetycznej, które nie zniszczą ich charakteru. Należy unikać tego, by coraz silniej rosnące wymagania wobec efektywności energetycznej budynków zniszczyły na trwałe charakter historycznych części miast.

Nawet jeśli Kościół Chrystusowy nie jest zabytkiem chronionym w rozumieniu § 3 niemieckiej ustawy o ochronie zabytków, bardzo starannie potraktowano historyczne wartości budynku.
Wskaźniki dotyczące zużycia energii dla budynku Kościoła Chrystusowego leżały w latach 2006 - 2009 średnio w okolicy 183 kWh na m² powierzchni netto kondygnacji. Uwzględniając fakt, że kościół nie jest ogrzewany codziennie, a ogrzewanie włącza się tylko na kilka godzin, zapotrzebowanie energetyczne kościoła leży daleko ponad zapotrzebowaniem zwykłego niezmodernizowanego budynku.

Zasoby budowlane – sytuacja wyjściowa

Pierwotne mury Kościoła Chrystusowego są jednolitą robotą murarską wykorzystującą cha-rakterystyczne dla regionu cegły w kolorach czerwonym-niebieskim-kolorowym w nowym formacie (247 * 114 * 62 mm), które z dużymi ambicjami rzemieślniczymi ułożono w watek flamandzki. Ściany zewnętrzne mają z reguły grubość 36,5 cm i tylko po stronie wewnętrznej mają ok. 2 cm zaprawę tynkową z cementu wapiennego (Zdjęcie nr 2).

W swoim wnętrzu Kościół Chrystusowy prezentował się przed rozpoczęciem przebudowy jako niepretensjonalne otwarte wnętrze o charakterze kościoła halowego, z przyjemnie pro-porcjonalną, wychodzącą ze ściany głównej, arkadą kolumn w przejściu do niższej nawy bocznej.

Ogrzewanie pomieszczeń odbywało się poprzez w międzyczasie przerobione na gaz ziemny, pojedyncze piecyki w 4 niszach okiennych południowej ściany kościoła. Te 4 osobne piecyki były podłączone do osobnych wyciągów spalin. W tych kominach  zainstalowano jako wzmocnienie wkłady ze stali szlachetnej, które wystawały ponad górną krawędź ujścia komina o około 1,00 m! Dzięki swojej nadzwyczajnej widoczności na południowej fasadzie Kościoła Chrystusowego, ponad okapem, w znaczny sposób pogarszały zewnętrzny obraz budowli.

Ogrzewanie zmodernizowanego i powiększonego budynku kościoła odbywa się teraz po-przez pompę ciepła powietrze-woda o mocy 17,2 kW.  Chodzi w tym wypadku o urządzenie zaprojektowane do ustawienia na zewnątrz, które zostało ulokowane nad ziemią. Ciepła woda do ogrzewania jest dostarczana przez buforowy zasobnik na gorącą wodę do niskotemperaturowego systemu ogrzewania podłogowego.

Napowietrzanie kompleksu budynków odbywa się poprzez centralne urządzenie wentylacyj-ne z odzyskiem ciepła (efektywny stopień dostarczania ciepła 75,2%), o wydajności 4300 m³/h. Przy pełnym obłożeniu wynoszącym do 200 osób mamy więc do dyspozycji ilość po-wietrza wynoszącą 21,5 m³/h na osobę. Urządzenie wentylacyjne zostało umieszczone, ze względu na brak innych dostępnych pomieszczeń, w nieogrzewanej strefie dachowej istnie-jącego kościoła ponad pomieszczeniem głównym.

Obliczenia symulacyjne i świadectwo EnerPHit

Ze względu na fakt, że absorbcja wody dla nieotynkowanej ściany murowanej jest ważnym czynnikiem decydującym o tym, czy ściana zewnętrzna nadaje się do umieszczenia we-wnętrznej izolacji, przebadano laboratoryjnie pod tym kątem pięć próbek pobranych z muru. Ponieważ w istniejącym kościele przewidziano równocześnie kilka miejsc przebicia muru, można było pobrać próbki bez trwałego narażania pozostałej starej substancji budowli.

W klasyfikacji ochrony tynków zewnętrznych przed działaniem deszczu i ich pokrycia obo-wiązują, zgodnie z normą DIN 4108-3:2001-07, następujące stopnie:

- Za hamujące wodę uważane są fasady ze współczynnikiem absorbcji wody (wartość w) leżącym w obszarze od 0,5 do 2,0 kg/(m²*h0,5).

- Za wodoodporne uważane są odpowiednio fasady z wartością w <= 0,5 kg/(m²*h0,5) i grubością warstwy powietrznej odpowiadającej odporności na dyfuzję pary wodnej (sd) <= 2,0 m.

W zależności od klasyfikacji do grupy wg odporności na zacinający deszcz (grupa I [mała] do III [duża], do której przydzielono powierzchnię ściany, w odniesieniu do zapewnienia odpor-ności na zacinający deszcz albo nie obowiązują żadne wymogi (grupa I), albo ściana musi być „hamująca” absorpcję, (grupa II) albo wodoodporna (grupa III). Wartość „narażenia” na zacinający deszcz można odczytać z załączonej w aneksie C do normy DIN 4108-3 mapy. Miasto Heinsberg należy w tym względzie do grupy II.

Po wizycie w celu naocznej oceny  stanu ścian zewnętrznych istniejących budowli zbadano pobrane próbki w Instytucie Badań Budowlanych przy RWTH Aachen (IBAC) zgodnie z nor-mą  DIN  EN 1925:1999-05.

Celem przeprowadzenia tych badań było określenia wartości współczynnika absorpcji wody (wartości w). Zbadano również paroprzepuszczalność materiału w oparciu o DIN EN ISO 12572:2001-09. Przy tej okazji zbadano właściwości zarówno materiału kamiennego, jak też zaprawy. Jako dane bazowe dla określenia wartości w wzięto pod uwagę w ramach badań laboratoryjnych ponadto gęstość nasypową próbek materiału i ich zdolność absorpcji wody pod ciśnieniem.

Gęstość nasypowa materiału leży średnio na poziomie 1,891 kg/dm³ (cegły muru) bądź 1,690 kg/dm³ (zaprawa). Absorpcja wody materiału wynosi średnio ok. 8,49 M.-% (cegły mu-ru) bądź 10,76 M.-% (zaprawa).

Przebadane próbki muru ewangelickiego Kościoła Chrystusowego w Heinsberg charaktery-zują się dużymi różnicami jeśli chodzi o współczynnik absorpcji wody. Pojedyncze wartości leżą pomiędzy 0,6 i 81,2 g/(m²*s0,5), przeliczone z sekund na wartości godzinowe stosowane w normie DIN 4108-3 osiągają od 0,036-4,872 kg/(m²*h 0,5).

Rys.1: Współczynnik absorpcji wody [IBAC-12]

Średnie wyniki laboratoryjne dla wartości w wynoszą ok. 2,4 kg/(m²*h)0,5. Klasyfikacja jako „hamujące wodę” jest więc prawie osiągnięta. Średnia odporność na dyfuzję pary wodnej dla próbek muru wynosi ok. 25 µ.

Wyniki z badań próbek muru wykonanych przez IBAC zostały przejęte do obliczeń symulacji wykonywanych przez Instytut Domów Pasywnych (PHI).

Statystyczny podział uzyskanych w laboratorium różnych wyników dla współczynnika ab-sorpcji wody jest niemożliwy do określenia w istniejącym murze. Dlatego przy symulacji części budynku, w celu większej pewności wyników obliczeń, wzięto jako wyjściowe wyniki naj-bardziej niekorzystne.

Ponieważ preferowana energetyczna modernizacja z wewnętrzną izolacją jest wrażliwa z punktu widzenia fizyki budowli – ponieważ w miejscu styku izolacji cieplnej na ścianie ze-wnętrznej istnieje niebezpieczeństwo zbierania się kondensatu – w badaniach higrotermicz-nych należało sprawdzić, czy przekroje poprzeczne planowanych części budowli się do takiego rozwiązania nadają. Chodziło także o to, by zoptymalizować wybór materiału i kolej-ność warstw.

Do zasadniczej oceny tego, czy różne materiały izolacyjne się nadają, Instytut przeprowadził obliczenia porównawcze dla różnych wariantów materiałowych: płyt wapienno-silikatowych, wełny mineralnej, płyt polistyrenowych porowatych (XPS) i celulozy, o grubości warstwy w każdym przypadku 20 cm. Wyniki pokazały, ze ważniejszy jest aspekt absorpcji wody przez istniejący mur, niż wybór materiału izolacyjnego. Elementy nadbudowane zostały wyróżnione w kolejnym stopniu i uzupełnione o adaptującą się do wilgoci blokadę pary.

Różne właściwości materiałów pozwalają na mniej lub bardziej głębokie wnikanie deszczu w konstrukcję  i wpływają z drugiej strony na warunki osuszania. Oczekiwany stopień zawilgocenia muru leży jednak po stronie środka i podczas okresów mrozu wynosi poniżej 30%, co jest w porządku.

Także porównanie wyników symulacji  dla istniejącego muru potwierdza, że zawilgocenie po modernizacji w zewnętrznych warstwach prawie nie wzrośnie. Więcej uwagi należy poświęcić wilgoci w miejscach styku materiału z murem od strony pomieszczenia. W pojedynczym przypadku najbardziej niekorzystnej próbki kamienia nr 2, wartość progowa dla powstania pleśni jest lekko przekroczona (60 mm zamiast 50 mm; wartość graniczna dla warunków, których nie można zaakceptować, wynosi 200 mm). Ponieważ we wszystkich przypadkach ryzyko zakwalifikowano jednak jako niewielkie i – jeśli w ogóle – wystąpić może wyłącznie od zewnątrz płaszczyzny szczelnej powietrznie (blokada pary), nie zidentyfikowano potrzeby dalszych działań w tym kierunku.

Kontrola wilgoci ściany zewnętrznej części budynku

Także próbki muru pobrane bezpośrednio z budynku kościoła są tylko przypadkowymi pró-bami wyrywkowymi. Z tego powodu, bez specjalnego wysiłku, w łatwo dostępnych miejscach zachodniej i południowej ściany zewnętrznej, umieszczono czujki badające wilgoć drewna wewnątrz konstrukcji nośnej powłoki izolacyjnej.

O ile z biegiem czasu wbrew oczekiwaniom jednak miałyby się pojawić zawilgocenia, byłoby możliwe podjęcie dodatkowych kroków w celu ochrony w obrębie zewnętrznej powłoki ceglanej (np. już wcześniej rozważana  hydrofobizacja), ale rzeczywiście tylko wówczas, kiedy okaże się to niezbędnie konieczne.

Ale doświadczenia z przeszłości pokazywały bardzo często, że hydrofobizacja prowadziła często do poważnych szkód budowlanych. W przypadkach, w których hydrofobizacja nie była wystarczająco głęboka, dochodziło często do uszkodzeń w wyniku mrozu i tym samym odpadania kawałków powłoki muru. Jeśli hydrofobizacja nie była regularnie powtarzana w miejscach jej poddanych, dochodziło tam, gdzie się już w części „zużyła“,  do szczególnie  silnego wnikania wilgoci i wynikających z niego szkód budowlanych.

Regularne powtarzanie hydrofobizacji jest ponadto związane z niemałym zaangażowaniem finansowym (obok samej hydrofobizacji także np. stawianie rusztowań kosztuje), co łatwo może doprowadzić do wydłużenia okresów pomiędzy kolejnymi hydrofobizacjami.

Realizacja: wykonanie budowy

Zewnętrzne mury Kościoła Chrystusowego z 38 cm – w przeważającej większości – murowanej z cegieł ściany z dwuwarstwowym tynkiem wewnętrznym wapienno-trasowym. Częściowo pierwsza warstwa tynku była pokryta powłoką bitumiczną i przykryta przed położe-niem drugiej warstwy. Warstwy tynku z częściową powłoką bitumiczną zostały usunięte. Potem nastąpiło wdmuchanie izolacji składającej się z 20 cm celulozy (Zdjęcie nr 3)  pomiędzy podpórki ustawionej w odległości 4 cm od ściany z cegły konstrukcji drewnianej (przekrój poprzeczny 6/16 cm; rozstaw osi podkonstrukcji 56-62,5 cm) (Zdjęcie nr 4). Wewnętrzne za-kończenie tej nadbudowy ściany stanowi dwuwarstwowe pokrycie z 15 mm płyty  pilśniowej (DWD) i 12,5 mm płyty gipsowo-kartonowej.

Pomiędzy te płyty wbudowano blokadę pary (Zdjęcie nr 5).

Strop pośredni i dach

Zamykający przestrzeń kościoła od góry strop został izolacyjnie wzmocniony od dołu, a jego powierzchnia wykonana jako szczelna powietrznie. Współczynnik  przenikania ciepła dla stropu wynosi 0,148 W/(m²*K) (Zdjęcie nr 6).

Południowa połowa dachu została w całości wyposażona w zintegrowaną z dachem instalację fotowoltaiczną o mocy 14 kWpeak. Instalacja ta jest w stanie dostarczyć rocznie ok.  14.000 kWh prądu. Łączne zapotrzebowanie na energię, łącznie z urządzeniami pobierającymi prąd (światło itd.) wynosi wg. pakietu projektowego dla domu pasywnego PHPP 10.000 kWh/rok, tak więc z punktu widzenia bilansu rocznego powstał dom plusenergetyczny na bazie domu pasywnego. 

Zdjęcie nr 1: Zespół budynkow Kościoła Chrystusowego po modernizacji

Zdjęcie nr 2: Istniejąca ściana Kościoła Chrystusowego

Zdjęcie nr 3:Otwór do wdmuchiwania izolacji z celulozy

Zdjęcie nr 4: Otwarta konstrukcja powłoki izolacyjnej

Zdjęcie nr 5: Zamknięta powłoka izolacyjna wewnątrz budynku z blokadą pary

Zdjęcie 6: strop podwieszany z anemostatami wentylacji

Zdjęcie nr 1 widok alternatywny: Kościół Chrystusowy po modernizacji

Literatura:

1. [IBAC 12] RANKERS, R.: Raport kontrolny 1666- badania cegieł i zaprawy – ewangelicki Kościól Chrystusowy w Heinsberg (manuskrypt) [Prüfbericht  1666 – Untersu-chungen an Ziegelsteinen und Mörteln – Evangelische Christuskirche, Heinsberg (Manuskript)], IBAC, Aachen, 2012
   
2. [PHI-13] GROVE-SMITH, J. und Feist, W.; Ottinger, O.; Schulz, T.; Steiger, J.; Zieba, A.: Hygrotermiczne badania dla celów izolacji wewnętrznej modernizacji Kościoła Chrystusowego w Heinsberg zgodnie ze standardem EnerPHit [Hygrothermische Untersuchung zur Innendämmung der EnerPHit-Sanierung der Evangelischen Christuskirche Heinsberg], Instytut Domów Pasywnych PHI, Darmstadt, 2013
3. [RoA-13] RONGEN, L. und WIRTZ, R.: parafia ewangelicka Kościoła Chrystusowego w Heinsberg – przebudowa, rozbudowa i energetyczna modernizacja kościoła i bu-dynku parafialnego – raport końcowy projektu badawczego – projekt wspierany przez Niemiecką Federalną Fundację Ochrony Środowiska [Evangelische Kir-chengemeinde zu Heinsberg – Umbau, Erweiterung und energetische Sanierung der evangelischen Christuskirche und des Pfarrhauses in 52525 Heinsberg - Ab-schlussbericht über ein Forschungsprojekt – gefördert unter dem Az. 30125-25 von der Deutschen Bundesstiftung Umweltschutz (DBU)]