Projektowanie budynków niskoenergetycznych

Zapotrzebowanie na energię obejmuje następujące cele użytkowe: 

• ogrzewanie i podgrzewanie powietrza wentylacyjnego,
• chłodzenie pomieszczeń,
• przygotowanie ciepłej wody użytkowej, 
• oświetlenie wbudowane i pracę wyposażenia technicznego budynku.

Dwa pierwsze cele użytkowania energii związane są z potrzebami sezonowymi (poza szczególnym sposobem użytkowania przestrzeni, np. na pomieszczenia chłodni). Kolejne dwa są całoroczne, mają zmienną intensywność i uwarunkowane są głównie zachowaniem użytkowników.

Procentowy udział poszczególnych potrzeb energetycznych w budynku zależy od wielu czynników. Na terenie Polski, ze względu na położenie w wyższych szerokościach geograficznych, ­energia w budynkach wykorzystywana jest głównie do ogrzewania.

Zapotrzebowanie to może przekraczać nawet 80% całkowitego zużycia energii (co często zdarza się w budynkach istniejących) i zależy od jakości termicznej obudowy.

Tak wysoki udział potrzeb związanych z ogrzewaniem decyduje o jednym z głównych kierunków poszukiwania redukcji zużycia energii, a mianowicie polegającym na zapewnieniu odpowiedniej izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych budynku oraz ograniczeniu potrzeb związanych z obróbką powietrza wentylacyjnego.

Idea budynku o zredukowanym zużyciu energii

Konieczność zapewnienia odpowiedniej izolacyjności termicznej budynków wynika z warunków klimatycznych odpowiadających danej lokalizacji, czego przykładem jest specyficzna architektura skandynawska, od dawna charakteryzująca się znaczną grubością termoizolacji w obudowie budynków i dbałością o jakość wykonania.

Idea budynku o ultraniskim zapotrzebowaniu na energię, w którym można zrezygnować z tradycyjnie stosowanego systemu ogrzewania, zrodziła się w 1988 r. dzięki współpracy dwóch naukowców: prof. Bo Adamsona z Uniwersytetu w Lund (Szwecja) oraz dr. Wolfganga Feinsta z Instytutu Mieszkalnictwa i Środowiska w Niemczech. Zapotrzebowanie na energię odniesione w nim zostało do warunków klimatu Europy Środkowej.

Ideą pasywnego rozwiązania budynku jest redukcja strat ciepła do poziomu, przy którym system ogrzewania staje się zbędny, ponieważ zapotrzebowanie na moc cieplną (do 10 W/m2) może być pokryte przez system wentylacji mechanicznej.

„Passive house” nie jest określeniem odzwierciedlającym efektywność energetyczną budynku, ale stanowi koncepcję zapewnienia najwyższych warunków komfortu termicznego w pomieszczeniach przy minimalizacji kosztów całkowitych.

Bardzo niskie potrzeby cieplne w budynku pasywnym możliwe są do osiągnięcia przy pewnych założeniach wstępnych:

• zewnętrzne przegrody pełne mają mieć wartość współczynnika przenikania ciepła U nie większą niż 0,15 W/(m²·K), okna zaś nie większą niż 0,80 W/(m²·K),
• zredukowany ma być wpływ mostków powietrznych i zapewniona szczelność powietrzna budynku – krotność wymiany powietrza przy różnicy ciśnień 50 Pa powinna mieścić się w granicach do 0,6 h^-1,
• zapotrzebowanie na energią użytkową na cele ogrzewania wentylacji nie może przekraczać 15 kWh/(m²·rok)
• zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną na pokrycie wszystkich celów użytkowania energii ma być nie większe niż 120 kWh/(m²·rok).

Budynek pasywny wraz z budynkiem zeroenergetycznym czy plusenergetycznym są elementami koncepcji ograniczania zużycia energii oraz zmniejszania wpływu obiektu na otaczające środowisko, czyli budownictwa niskoenergetycznego, często określanego również jako budownictwo zrównoważone.

Znaczenie tego terminu stale się zmienia, ale zasadniczo odnosi się do obiektów, których zapotrzebowanie na energię na ogrzewanie wynosi ok. połowy zapotrzebowania energii w budynkach odpowiadających aktualnym przepisom techniczno-budowlanym. Definicja ta skupia się jedynie na charakterystyce energetycznej obiektu i nie podaje żadnych wytycznych architektonicznych.

Budynki niskoenergetyczne znane są w Europie pod kilkunastoma różnymi nazwami [1]. Najpopularniejsze to:

• low energy house/building,
• Passive house/Passivhaus,
• zero energy house/building, 
• energy positive house/building,
• 3-litre house/building.

Nie istnieje wspólna definicja budynku niskoenergetycznego (TABELA 1). Można jednak opisać jego cechy:

• wysoki poziom izolacyjności termicznej przegród,
• efektywne energetycznie okna,
• ograniczenie infiltracji powietrza przez obudowę budynku,
• pasywne i aktywne wykorzystanie energii solarnej.

Wyznacznikiem standardu energetycznego budynku jest jego rzeczywiste zapotrzebowanie na energię potrzebną do pokrycia potrzeb użytkowych w obiekcie. Można więc powiedzieć, że przepis na osiągnięcie budynku o ograniczonym zużyciu energii określony jest przez efekt, a nie precyzyjnie „odmierzone” składniki wejściowe.

Czynniki kształtujące zapotrzebowanie na energię w budynku

Zapotrzebowanie na energię w budynku (RYS. 1) zależy m.in. od [3]:

• bryły i jej zwartości,
• izolacyjności termicznej przegród budowlanych,
• wpływu mostków termicznych,
• wielkości strumienia powietrza wentylacyjnego,
• szczelności powietrznej obudowy,
• układu funkcjonalno-użytkowego,
• wyposażenia technicznego budynku,
• orientacji względem stron świata,
• elementów otoczenia budynku,
• lokalnych warunków klimatu,
• zachowania użytkowników.

Znaczenie poszczególnych składowych zapotrzebowania na energię jest indywidualne dla każdego budynku. Można jednak wskazać grupy obiektów, w projektowaniu których pewne cechy mają większe znaczenie. Wskazane w TABELI 2 elementy zdefiniowane zostały na podstawie analizy bryły budynku – cechy o dużym zróżnicowaniu zarówno w odniesieniu do obiektów istniejących, jak i nowo projektowanych.

Energooszczędności sprzyjają bryły zwarte, minimalizujące pole powierzchni wymiany ciepła między ogrzewanym wnętrzem a środowiskiem zewnętrznym. Energochłonność jest zmienna w funkcji skali budynku, dlatego obiekty definiuje się wskaźnikiem geometrycznym – współczynnikiem kształtu A/V. Opisuje on pole powierzchni danej bryły do jej kubatury. Wyróżnia się [2]:

• budynki zwarte, w których współczynnik A/V jest mniejszy od 0,2 m²/m³,
• o średniej zwartości – A/V w zakresie 0,2–1,05 m²/m³,
• niezwarte – współczynnik A/V większy niż 1,05 m²/m³.

Wpływ skali obiektu na wielkość współczynnika kształtu można prześledzić na przykładzie sześcianu (RYS. 2–3). Współczynnik A/V zmienia się od wartości 6 m2/m3 przy długości krawędzi wynoszącej 1 m i dąży do zera wraz ze wzrostem długości boku a.

Wynika z tego, że w ograniczeniu strat ciepła przez przenikanie najbardziej efektywne są zwarte, duże obiekty. Prosta, zwarta bryła budynku sprzyja ograniczeniu długości połączeń technologicznych i towarzyszącej im wielowymiarowej wymianie ciepła w mostkach termicznych. Zagadnienie to związane jest z jakością wykona­nia (zaprojektowania) połączenia i jego długością.

W TABELI 3 zestawiono rozwiązania detali prostego budynku o wymiarach rzutu 8×8 m i o wysokości całkowitej 3,6 m. Jako detale obiektu założono: attykę wieńczącą stropodach na trzech jego krawędziach, 4 okna 150/150 oraz drzwi zewnętrzne 90/200.

Przyjęto, że dwuwarstwowa ściana zewnętrzna spełnia aktualne wymogi w zakresie izolacyjności termicznej według rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2], i jej wartość współczynnika przenikania ciepła U wynosi 0,30 W/(m2·K). Liniowe współczynniki przenikania ciepła poszczególnych detali zaczerpnięto z normy PN-EN ISO 14683:2008 [4] i odniesiono do dwóch sytuacji projektowych: niekorzystnego rozwiązania detali oraz poprawnego ich zaprojektowania. Wielkością zdefiniowaną w obliczeniu jest współczynnik strat ciepła przez przenikanie obliczony według normy PN-EN ISO 14683:2008 [5] zgodnie z zależnością:

gdzie:

U – współczynnik przenikania ciepła [W/(m2·K)],

A – pole powierzchni wymiany ciepła [m2],

Ψ – liniowy współczynnik przenikania ciepła [W/(m·K)],

l – długość mostka termicznego [m],

χ – punktowy współczynnik przenikania ciepła [W/K].

Z przykładu zamieszczonego w TABELI 4 wynika, że źle zaprojektowane mostki termiczne mogą się przyczynić nawet do dwukrotnego zwiększenia strat ciepła przez projektowane przegrody.

Kolejną istotną cechą budynku jest jakość termiczna jego obudowy wyrażana współczynnikiem przenikania ciepła U. Zależy on od przyjętych rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych.

Z wpływu powierzchni przegród otaczających przestrzeń o regulowanych warunkach (ogrzewanie/chłodzenie) na zapotrzebowanie na energię na pokrycie strat ciepła wynika, że w wypadku budynków dużych o niskim współczynniku kształtu znaczenie jakości termicznej obudowy jest stosunkowo niewielkie w łącznym bilansie potrzeb związanych z użytkowaniem energii.

Jakość termiczna obudowy jest natomiast ważna w wypadku obiektów o średniej zwartości i budynków niezwartych (A/V powyżej 1,05 m2/m3). Całokształt zużycia energii wynikający z zapewnienia warunków komfortu cieplnego obejmuje również zagadnienia cieplno-wilgotnościowe w obrębie przegród i asymetrię promieniowania.

W wypadku znacznej różnicy temperatury powierzchni wewnętrznej przegród satysfakcjonujące warunki cieplne uzyskuje się dzięki podniesieniu temperatury w pomieszczeniu.

Aktualnie obowiązująca izolacyjność termiczna ścian zewnętrznych zamykających pomieszczenia przeznaczone na stały pobyt ludzi w odniesieniu do budynków nowych wyznaczona jest wartością współczynnika U = 0,30 W/(m2·K), w standardzie budynków pasywnych natomiast U = 0,15 W/(m2·K), i związana jest z koniecznością stosowania znacznych grubości materiału termoizolacyjnego.

W wypadku budynków pasywnych o niekorzystnym współczynniku kształtu współczynnik przenikania ciepła U przegród nieprzezroczystych waha się nawet w granicach 0,10 W/(m2·K).

Występujące w strukturze budynku miejsca węzłowe poza zwiększoną wymianą energii (mostkami termicznymi) często charakteryzują się również zwiększoną, w odniesieniu do przegród pełnych, przepuszczalnością powietrza. Niekontrolowana infiltracja zimnego powietrza do wnętrza może znacząco wpłynąć na bilans potrzeb cieplnych budynku.

W TABELI 4 przedstawiono wpływ szczelności powietrznej przykładowego budynku z TABELI 3 na współczynnik strat ciepła przez wentylację. Obliczenia wykonano zgodnie z metodologią opisaną w normie PN-EN ISO 13790:2009 [6] i rozporządzeniu w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku [7]. Przyjęto krotność wymiany powietrza 1–10 h–1 oraz graniczną dla standardu pasywnego wartość 0,6 h^–1.

Założono wykonanie próby szczelności powietrznej zgodnie z normą PN-EN 13829:2002 [8]. Projektowany strumień powietrza wentylacyjnego przyjęto równy 1 wymianie kubatury powietrza wewnętrznego na godzinę. Z zestawienia wynika, że przy niskiej szczelności powietrznej budynku udział powietrza infiltracyjnego w wartości współczynnika strat ciepła przez wentylację i samych strat ciepła może osiągnąć nawet 50%.

Przyjęte rozwiązania przegród mają także wpływ na zdolność akumulacji energii w strukturze obiektu. Wraz ze wzrostem pojemności cieplnej (dotyczy przegród masywnych) skróceniu ulega długość obliczeniowego sezonu grzewczego i maleją potrzeby budynku na pokrycie strat energii.

Zależność to powinna być szczególnie uwzględniana w wypadku budynków o konstrukcji lekkiej. W doborze rodzaju konstrukcji (masywna/lekka) należy również kierować się sposobem użytkowania projektowanej przestrzeni i proponowanym trybem pracy instalacji grzewczej.

W kształtowaniu potrzeb energetycznych budynku ważny jest również układ funkcjonalno­‑użytkowy. W optymalnych rozwiązaniach pomieszczenia o zbliżonych parametrach klimatu grupuje się w strefy, a przestrzenie o wyższych nastawach temperatur izoluje od środowiska zewnętrznego pomieszczeniami buforowymi – najlepiej w układach, w których od strony północnej znajdują się funkcje o najniższych temperaturach, od strony południowej zaś – o wyższych.

Dodatkowo na charakterystykę energetyczną budynku wpływa rozkład pomieszczeń i potrzeb związanych z ­doprowadzeniem poszczególnych instalacji z powodu rozległości i stopnia skomplikowania systemów technicznych i związanych z tym strat energii głównie na przesyle nośników energii.

Straty ciepła związane z przenikaniem i podgrzaniem powietrza wentylacyjnego są częściowo kompensowane przez zyski ciepła: wewnętrzne (powstające w wyniku użytkowania budynku) i solarne. Pasywne wykorzystanie energii pochodzącej ze środowiska naturalnego występuje w każdym obiekcie z przegrodami szklanymi i przezroczystymi.

Stopień tego wykorzystania wiąże się z naturalnymi uwarunkowaniami klimatu zewnętrznego, ukształtowaniem terenu otaczającego budynek i sposobem jego zagospodarowania oraz powierzchnią i orientacją okien na elewacjach.

Najkorzystniejszym rozwiązaniem jest lokalizowanie dużych powierzchni przeszklonych od strony południowej i ograniczanie ich od strony północnej. Ze względu na występujące latem ryzyko przegrzewania się pomieszczeń należy określić również powierzchnię okien na orientacji zachodniej.

Wytyczne projektowania budynków niskoenergetycznych

W projektowaniu budynków niskoenergetycznych istotne jest założenie wstępnej koncepcji energetycznej oraz środowiskowej obiektu już na etapie przedprojektowym (RYS. 4–5). Opracowanie powinno zawierać:

• ocenę stanu istniejącego w zakresie uwarunkowań wynikających z zapisów miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego lub wydanych/spodziewanych warunków zabudowy dla inwestycji, dostępności mediów, potencjału działki budowlanej, głównych parametrów planowanej inwestycji,
• nakreślenie stanu projektowanego w zakresie gospodarki energią oraz innymi mediami w budynku (np. wodą, odpadami itp.),
• wstępną ocenę oddziaływania przyjętych rozwiązań koncepcyjnych.

Przyjęta wstępna koncepcja projektowa powinna podlegać analizie potwierdzającej słuszność przyjętych założeń i wskazującej miejsca wymagające dalszego opracowania lub korekty. Powinna również odnosić się do odległości pomiędzy projektowaną lokalizacją obiektu a docelowym miejscem pracy użytkowników, zrównoważone podejście do projektowania nie może bowiem obejmować jedynie wyizolowanego przedmiotu projektu.

Ważny jest szerszy kontekst jego powiązań ze środowiskiem naturalnym i środowiskiem urbanistycznym. Należy również pamiętać, że rozwiązania projektowe budynku niskoenergetycznego przewidzianego do danej lokalizacji nie zawsze sprawdzą się w innych warunkach klimatycznych (RYS. 6–7).

Podsumowanie

Zapotrzebowanie na energię w budynku kształtuje się w trakcie całego procesu inwestycyjnego i późniejszego funkcjonowania budynku. Najistotniejszym etapem wpływającym na jego energochłonność jest koncepcyjna faza przedprojektowa oraz samo projektowanie obiektu.

Potrzeby inwestora przeobrażone przez projektanta i zamknięte w dokumentacji projektowej budynku stanowią o wieloletnim oddziaływaniu obiektu na otaczające środowisko. W projektowaniu budynków niskoenergetycznych należy uwzględnić czynniki wpływające na zużycie energii. Każdy projektowany lub adaptowany do warunków lokalnych projekt należy traktować indywidualnie.

Literatura

1. „Low energy buildings in Europe: Current state of play, definitions and best practice”, Brussels, 25 September 2009.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002 r. nr 75, poz. 690 ze zm.).
3. T. Kisilewicz, „Wpływ izolacyjnych, dynamicznych i spektralnych właściwości przegród na bilans cieplny budynków energooszczędnych”, Seria Inżynieria Lądowa, Monografia 364, Politechnika Krakowska, Kraków 2008.
4. K. Kurtz, „Forma a energia. Wpływ zastosowanych rozwiązań na potrzeby energetyczne budynku”, VIII Dni Oszczędzania Energii „Energia w Budownictwie”, Wrocław 2010.
5. PN-EN ISO 14683:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne”.
6. PN-EN ISO 13790:2009, „Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycie energii do ogrzewania i chłodzenia”.
7. PN-EN 13829:2002, „Właściwości cieplne budynków. Określanie przepuszczalności powietrznej budynków. Metoda pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora”.
8. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU z 2008 r. nr 201, poz. 1240).
9. T. Grzywa, „Dom niskoenergetyczny i pasywny – Rozwiązania projektowe a koszty inwestycyjne i eksploatacyjne”, praca magisterska napisana pod kierunkiem K. Kurtz, Politechnika Szczecińska, Szczecin 2009.
10. M. Najder, „Projekt niskoenergetycznego budynku mieszkalnego jednorodzinnego dostosowanego do potrzeb osoby niepełnosprawnej”, praca magisterska napisana pod kierunkiem K. Kurtz, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Szczecin 2012.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!