Efektywność energetyczna budynków - e

Jednym z najbardziej istotnych
aspektów nowoczesnego
budownictwa jest efektywność
energetyczna. Wyraża się
ona w dążeniu do obniżania
końcowego zużycia energii poprzez
modyfikacje technologiczne
oraz zmiany zachowań, przy
jednoczesnym zapewnieniu takiego
samego lub wyższego komfortu
użytkowania budynku.
E
fektem wdrażania nowoczesnych rozwiązań w budownictwie są standardy
domu energooszczędnego i pasywnego. Zapewniają one bardzo niskie zużycie
energii, a co za tym idzie — oszczędności
ekonomiczne i zminimalizowanie negatywnego wpływu na środowisko. Jest to możliwe
do osiągnięcia poprzez kompleksowe zaplanowanie budowy i prawidłowe użytkowanie
nowopowstającego budynku, przy uwzględnieniu wszystkich elementów składających
się na efekt końcowy: ukształtowania terenu
pod zabudowę, orientacji względem stron
świata, bryły budynku, jakości materiałów
budowlanych, stolarki okiennej i izolacji,
rodzaju źródła ciepła i energii elektrycznej,
wentylacji, zainstalowanych urządzeń elektrycznych itp.
Energochłonność budynków w Polsce
Energochłonność budynków określana jest za
pomocą wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło E, który obliczany jest jako
22
KREATOR–PROJEKTY • 4/2011
stosunek rocznego zapotrzebowania energii
w odniesieniu do powierzchni użytkowej
budynku.
Zdecydowana większość wzniesionych
i użytkowanych w Polsce budynków to obiekty o dużej energochłonności, dla których
wartość wskaźnika E wynosi od 200 do 300
i więcej kWh/(m2rok). Występujące we współczesnym budownictwie wartości tego wskaźnika są znacznie niższe i dla standardowych
budynków mieszkalnych nie przekraczają
100–120 kWh/(m2rok). Ciągły rozwój technologii domów energooszczędnych, pasywnych i autonomicznych wpływa na dalsze
obniżanie wskaźnika.
Klasyfikacja budynków
Nowoczesny budynek mieszkalny powinien
charakteryzować się rozwiązaniami, które
z jednej strony zapewnią mieszkańcom wysoki komfort użytkowania obiektu, a z drugiej strony będą wiązały się z minimalnymi
kosztami jego eksploatacji. Ze względu na
zastosowane rozwiązania, budynki dzieli się
na: tradycyjne, energooszczędne, pasywne
oraz zeroenergetyczne (autonomiczne).
Dom energooszczędny to budynek, w którym roczne zapotrzebowanie na ciepło nie
przekracza 70 kWh/(m2rok). Do kluczowych
cech takiego obiektu zalicza się m.in. właściwą izolację termiczną przegród zewnętrznych,
ograniczenie występowania mostków cieplnych, dobrą termoizolacyjność okien i drzwi
oraz kontrolowaną mechanicznie wentylację.
Dom pasywny to budynek, w którym roczne zapotrzebowanie na ciepło jest mniejsze niż
15 kWh/(m 2rok). Cechy charakterystyczne
domów pasywnych są takie same jak w domach energooszczędnych, jednak standardy
wykonania są wyższe — izolacja cieplna oraz
stolarka budowlana odznaczają się najwyższymi dostępnymi standardami termoizolacyjności, stosuje się kontrolowaną mechanicznie
wentylację z odzyskiem ciepła, a także rozbudowany system wykorzystania energii ze źródeł
odnawialnych (pasywne i aktywne systemy
ogrzewania słonecznego, ogniwa fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe, pompy ciepła).
Najwyższym standardem wykonania charakteryzuje się dom zeroenergetyczny (autonomiczny), który poza promieniowaniem
słonecznym czy wiatrem, nie wymaga dostaw
energii ze źródeł zewnętrznych.
Wstęp do kompleksowego planowania
budowy
Do pierwszych etapów kompleksowego planowania budowy należą: selekcja właściwej lokalizacji, która będzie umożliwiała efektywne wykorzystanie dostępnych źródeł energii (zwłaszcza
odnawialnych), wybór projektu architektonicznego budynku oraz jego przestrzennego
ułożenia i orientacji względem stron świata,
a także ukształtowanie najbliższego otoczenia.
Parametry te decydują m.in. o wartości
projektowego obciążenia cieplnego budynku,
sezonowego zapotrzebowania na ciepło i chłód
oraz zapotrzebowania na powietrze wentylacyjne. Ich znajomość jest wymagana do doboru
właściwych rozwiązań technicznych.
Wybór lokalizacji
Mimo że Polska pod względem geograficznym usytuowana jest w strefie klimatu
umiarkowanego o charakterze przejściowym
pomiędzy klimatem morskim i lądowym,
w praktyce projektowej uwzględnia się fakt,
iż lokalny mikroklimat w dużej mierze jest
zależny od miejscowego ukształtowania topograficznego, nasłonecznienia, wietrzności,
rodzaju powierzchni, roślinności, dostępności
wody na danym obszarze itp.
Wybór lokalizacji pod inwestycję wymaga
dokładnej analizy lokalnych czynników terenowych i klimatycznych, a ponadto uwzględnienia takich parametrów, jak koszt zakupu
(lub dzierżawy) terenu, opłaty związane z jego
użytkowaniem oraz dostępność systemu zaopatrzenia w wodę i różnego rodzaju usługi,
które wpływają na komfort życia mieszkańców (usuwanie odpadów itp.).
Umiejscowienie budynku na działce
Umiejscowienie budynku w wybranej lokalizacji uzależnione jest od lokalnych warunków
klimatycznych (temperatury, nasłonecznienia,
wiatru), a także od topografii terenu, rodzaju
gleby oraz dostępu do naturalnych akwenów
i cieków wodnych. Budynek należy zlokalizować w takim miejscu, aby zapewnić dostęp
promieni słonecznych, a jednocześnie uniemożliwić powstawanie zbyt silnych ruchów
powietrza cyrkulacyjnego, powodującego
wychłodzenie budynku.
Biorąc pod uwagę oddziaływanie słońca
i wiatru, najbardziej korzystne jest umiejscowienie obiektu budowlanego w pobliżu
północnej granicy działki oraz wyznaczenie
obszaru o dostępie bezpośredniego promieniowania słonecznego, który wyznaczają linie
wykreślone pod kątem 40° na wschód i 40° na
zachód od naroży ściany wystawionej najbardziej na południe.
Kształtowanie elementów terenu
W celu złagodzenia niekorzystnego oddziaływania zjawisk klimatycznych na budynek,
teren kształtuje się za pomocą takich elementów, jak wiatrochrony, drzewa ocieniające,
lasy oraz powierzchnie terenu bezpośrednio
przylegającego do budynku.
Zabudowa ekologiczna i energooszczędna
powinna sprzyjać wytworzeniu jak najlepszych
warunków bioklimatycznych w miejscu zamieszkania ludzi. Dlatego obiekty mieszkalne
integruje się z ogrodami. Rośliny zapobiegają
także nadmiernemu nasłonecznieniu budynku
w lecie oraz pełnią funkcję dodatkowej izolacji
cieplnej w zimie. Rozmieszczenie roślin na
działce budowlanej powinno być dostosowane
do pełnionych przez nie funkcji w różnych
okresach roku. Od strony południowej należy
sytuować rośliny tracące liście — dopuszczające promieniowanie słoneczne na zimę oraz
dostarczające cień w lecie. Od strony wschodniej i zachodniej powinny znaleźć się rośliny
tworzące ekrany ochronne przed działaniem
wiatru i deszczu (np. drzewa i krzewy iglaste),
umieszczone w pewnej odległości od ściany.
Natomiast od strony północnej — rośliny tworzące dodatkową izolację cieplną oraz służące
ochronie przed opadami atmosferycznymi (np.
drzewa i krzewy iglaste, gęste rośliny czepne).
Innym sposobem zabezpieczenia budynku przed niepożądaną działalnością wiatru
jest umieszczanie w kierunku jego działania
obiektów (pomieszczeń) nie wymagających
ogrzewania, takich jak garaż, komórka czy
skład opału.
Wybór projektu budynku
Przy wyborze budynku inwestor powinien
zwrócić uwagę na jego klasę energetyczną
© Z500
© DANFOSS
Efektywność energetyczna budynków
Projekt domu Z115
(budynek tradycyjny, energooszczędny, pasywny, zeroenergetyczny) oraz związane
z tym ukształtowanie struktury przestrzeni
wewnętrznej i zewnętrznej, umożliwiające
uzyskanie maksymalnych zysków ciepła
z promieniowania słonecznego, przy jednoczesnym ograniczeniu do minimum strat
energii. W związku z tym nowoczesne budynki wznoszone są z uwzględnieniem zaleceń
dotyczących:
• wielkości i kształtu obiektu;
• termoizolacyjności przegród zewnętrznych;
• organizacji przestrzeni wewnętrznej;
• warunków wykorzystania energii promieniowania słonecznego;
• rozwiązań systemów ogrzewania, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej
oraz wentylacji.
Prawidłowo zaprojektowany budynek charakteryzuje się przede wszystkim zwartą bryłą
i stosunkowo niewielką powierzchnią użytkową. Najlepszy pod tym względem byłby dom
w kształcie kuli, jednak z przyczyn użytkowych powszechnie stosowana jest konstrukcja
budynku na bazie kwadratu bądź prostokąta,
z prostym jedno- lub dwuspadowym dachem,
bez wykuszy i lukarn. Zwarta bryła zapewnia
nie tylko mniejszą powierzchnię wymiany
ciepła ze środowiskiem zewnętrznym, ale
eliminuje zbędne mostki termiczne, występujące na wszystkich narożach i krawędziach.
Dom o prostej konstrukcji jest ponadto tańszy
w budowie oraz zmniejsza ryzyko popełnienia
błędów w fazie realizacji.
Ściany skierowane na północ powinny charakteryzować się wysokimi wartościami
oporu cieplnego oraz zawierać znikomą
ilość przegród przezroczystych. Ściany zorientowane w stronę południową powinny
być z kolei mocno przeszklone, aby maksymalnie wykorzystywać energię promieniowania słonecznego (zwłaszcza w okresie
zimowym).
Poza właściwą termoizolacyjnością przegród zewnętrznych należy zapewnić optymalny rozkład pomieszczeń wewnątrz budynku.
W tym celu budynek dzieli się na strefy,
skupiające usytuowane obok siebie (lub jedno
nad drugim) pomieszczenia o takiej samej temperaturze. Następnie, z uwzględnieniem sposobu wykorzystywania poszczególnych części
domu oraz pożądanego oświetlenia, grupuje
się pomieszczenia.
Umiejscowienie salonu, pokoju dziennego bądź biura po stronie południowej,
powoduje, że przez cały dzień dociera tam
promieniowanie słoneczne, nie tylko ogrzewając te pomieszczenia w zimie, ale także
zapewniając naturalne oświetlenie w możliwie długim wymiarze czasowym. Z kolei
umieszczenie pomieszczeń o najniższej temperaturze (garaż, pomieszczenia pomocnicze) po stronie północnej pozwala uzyskać
bufor, zmniejszający straty energii cieplnej
do otoczenia.
Ochrona cieplna budynku
Aby wymienione wyżej działania przyniosły zamierzony efekt w postaci oszczędności energii, należy zadbać również o prawidłową organizację systemów ogrzewania,
W polskiej strefie klimatycznej szczególnie
istotne jest zapewnienie odpowiedniej termoizolacyjności przegród zewnętrznych.
Ogrzewanie, wentylacja
i przygotowanie ciepłej wody
użytkowej
KREATOR–PROJEKTY • 4/2011
23
Artur Ogorzałek
key account manager KNX
Schneider Electric
Pełne wersje wywiadów z ekspertami
dostępne na www.wywiady.kreodom.pl
24
KREATOR–PROJEKTY • 4 /2011
Przykład zastosowania energooszczędnej stolarki okiennej.
Energooszczędne profile z szybą zespoloną z żaluzjami
zostały hermetycznie zamknięte w komorze pomiędzy
dwoma taflami szkła.
Systemy inteligentnego budynku
W nowoczesnych budynkach coraz częściej
stosuje się systemy zarządzania, czyli tzw.
W obliczu rosnących cen energii pochodzącej
z paliw kopalnych (węgiel kamienny, gaz
ziemny, ropa naftowa) oraz zwiększającej
się dbałości o środowisko naturalne, coraz
większą popularnością cieszą się urządzenia
wykorzystujące energię ze źródeł odnawialnych. Opierają się one na bezpośredniej oraz
pośredniej konwersji energii promieniowania
słonecznego. Bezpośrednia konwersja obejmuje metody:
• fototermiczne — realizowane w niskotemperaturowych aktywnych systemach
solarnych (kolektory słoneczne) oraz w systemach pasywnych (architektura słoneczna
budynków);
• fotoelektryczne — realizowane w systemach fotowoltaicznych (ogniwa słoneczne).
Efektem pośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego jest energia wiatru,
wody, biomasy oraz energia otoczenia, wykorzystywana w pompach ciepła.
Urządzenia wykorzystujące energię ze źródeł odnawialnych są podstawowym elementem
budynków energooszczędnych i pasywnych.
Służą do ogrzewania wody w instalacji grzewczej i przygotowania ciepłej wody użytkowej
(pompy ciepła, kolektory słoneczne) oraz wytwarzania energii elektrycznej (fotoogniwa,
mikroturbiny wiatrowe).
Krzysztof Sornek
Wydział Energetyki i Paliw
Akademia Górniczo-Hutnicza
A
Zastosowanie odnawialnych źródeł
energii
M
W obecnie budowanych budynkach, gdzie
występują różne instalacje energooszczędne:
oświetlenie, instalacja HVAC (ogrzewanie, wentylacja klimatyzacja, z nowoczesnymi urządzeniami takimi jak solary, pompy ciepła, rekuperatory), stajemy przed problemem efektywnego
współdziałania tych instalacji i ich odpowiedniej
integracji, zapewniającej efektywność energetyczną. Efektywne zarządzanie budynkiem
energooszczędnym możemy zapewnić przez
połączenie instalacji w jeden system zarządzania budynkiem, ogólnie określanym jako
BMS (Building Management Systems). Jednym
z systemów BMS, który jest otwarty na inne,
jest system automatyki budynków KNX.
Poza samą konstrukcją budynku i doborem
właściwych urządzeń, bardzo ważnym elementem efektywności energetycznej budynków
jest ich odpowiednie wykorzystanie. Nawet
najbardziej energooszczędne systemy nie spełnią swojej roli, jeśli sposób ich użytkowania
nie będzie zgodny z podstawowymi zasadami
oszczędzania energii.
Oszczędzać energię można na wiele sposobów, na przykład poprzez racjonalne korzystanie z chłodziarko-zamrażalki (otwieranie na
możliwie krótki czas, ustawienie odpowiedniej
temperatury wewnątrz, rozmrażanie produktów
w lodówce), pralki (wybór programów ekonomicznych, unikanie prania w najwyższej temperaturze oraz z niepełnym załadunkiem) czy
zmywarki (zmywanie z pełnym wykorzystaniem
pojemności, przy użyciu krótkich i ekspresowych programów). W trakcie przygotowywania posiłków należy jak najrzadziej otwierać
piekarnik, gotować z przykrywkami w małych
ilościach wody oraz używać naczyń o gładkich
i dobrze przewodzących dnach.
Istotna jest także instalacja oświetleniowa.
Tradycyjne żarówki o mocy 60, 80 czy nawet
100 W można zastąpić żarówkami energooszczędnymi, których moc pobierana z sieci
jest kilkakrotnie niższa (z reguły nie więcej
niż 20 W). Na poziom światła ma również
wpływ otoczenie, czyli kolor ścian i sufitów
— jasne kolory sprawiają, że pomieszczenia
wydają się jaśniejsze i wymagają mniejszej
liczby żarówek. Ważne jest także wyłączanie
niepotrzebnych źródeł światła oraz odpowiednie dopasowanie ilości i mocy żarówek
do pomieszczeń.
W przypadku urządzeń RTV, takich jak
radioodbiorniki, komputery, telewizory,
kina domowe i wieże stereo, konieczne jest
zwrócenie uwagi na zużycie energii nawet
w stanie spoczynku (tzw. stand-by). Moc takich urządzeń w stanie stand-by może wahać
się w granicach 0,5–35 W. Dlatego istotne
jest wyłączanie ich z gniazdka, kiedy nie są
wykorzystywane.
A
System sterowania budynkiem
Efektywne użytkowanie budynku
L
Andrzej Chromiak
kierownik d/s produktu
Soudal Services Sp. z o.o.
Mimo że zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania ma dominujący udział w strukturze
zużycia energii budynku, równie istotne jest
zastosowanie właściwych systemów oświetlenia
oraz urządzeń RTV i AGD.
Urządzenia takie jak lodówka, zamrażarka, kuchenka elektryczna, odkurzacz
oraz pralka, powinny zużywać jak najmniejszą ilość energii. Urządzenia te,
zgodnie z Dyrektywą UE nr 92/77/EC
z 1992 r., posiadają tzw. etykietę energetyczną, zawierającą m.in. klasę efektywności energetycznej, znormalizowane zużycie
energii, dane użytkowe urządzenia, poziom
emitowanego hałasu oraz wskazanie normy,
z którą zgodny jest zakres podanych informacji. W związku z tym podczas zakupów
należy wybierać urządzenia o możliwie najwyższej klasie energetycznej. Urządzeniami
AGD objętymi koniecznością etykietowania są m.in.: chłodziarko-zamrażarki, pralki, suszarki, kuchenki mikrofalowe, bojlery
i kotły CO, urządzenia klimatyzacyjne,
źródła światła, zmywarki oraz piekarniki
elektryczne.
systemy inteligentnego budynku, które integrują instalacje oświetlenia, ogrzewania, alarmu, klimatyzacji, rolet elektrycznych i inne
w celu umożliwienia sterowania nimi z jednego panelu, komputera lub pilota. Obecne na
rynku rozwiązania można podzielić według
różnych kryteriów. Ze względu na funkcjonalność wyróżnia się trzy grupy rozwiązań:
• systemy nadające się do najprostszych zastosowań (np. sterowania oświetleniem
i ogrzewaniem);
• systemy dające możliwość tworzenia zależności logicznych i wizualizacji;
• kompleksowe systemy z możliwością integracji innych komponentów, np. audio/
wideo czy urządzeń AGD.
W przypadku inteligentnego domu ważne
jest takie zaprogramowanie urządzeń, aby automatycznie włączały się i wyłączały zgodnie
z oczekiwaniami użytkowników. Zastosowanie
takiego systemu pozwala na uzyskanie oszczędności energii na poziomie 20–40 proc., a także
na zwiększenie wygody użytkowania oraz poprawę bezpieczeństwa.
K
dzią ściany. Natomiast uszczelnienie okna
w otworze okiennym powinno być wykonane
w technologii ciepłego montażu. Użycie taśm
paroszczelnych i paroizolacyjnych gwarantuje
trwałość warstwy izolacji termicznej wokół
okna. Taśma paroprzepuszczalna od zewnątrz
budynku, zapobiega powstawaniu mostków
termicznych. Wilgoć nie wnika w warstwę
izolacji i nie obniża parametrów izolacyjności
termicznej całej przegrody.
Urządzenia elektryczne
Instalacja elektryczna, podobnie jak instalacje grzewcza i wentylacyjna, musi być dopasowana do potrzeb budynku. Ilość gniazdek
elektrycznych oraz punktów świetlnych (przy
uwzględnieniu wymaganej normowo wartości
natężenia oświetlenia) powinna być dopasowana do potrzeb i planowanego wykorzystania
pomieszczeń.
E
Okna są integralną częścią przegrody zewnętrznej i ich parametry mają duże znaczenie. Dostępne na rynku profile i pakiety szyb
zespolonych pozwalają na produkcję stolarki
otworowej o bardzo niskim współczynniku
izolacyjności cieplnej, w praktyce wyższym
jednak niż współczynnik ścian zewnętrznych.
Dla osiągnięcia wysokiego „zespolonego”
współczynnika dla całej przegrody zewnętrznej istotne jest właściwe umiejscowienie okna
w otworze okiennym i połączenie go z warstwą
ocieplenia. Najbardziej efektywne z punktu
widzenia oszczędności energii jest zamontowanie okna w warstwie termoizolacji, czyli
wysunięcie okna poza płaszczyznę muru lub
zlicowanie ościeżnicy z zewnętrzną krawę-
okiennej, straty na podgrzanie powietrza
wentylacyjnego stanowią do 70 proc. całkowitych strat ciepła).
R
Poprawnie zamontowane okna
przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz
wentylacji. W budynkach energooszczędnych
i pasywnych stosować można niskotemperaturowe systemy wodne (wykorzystujące do
działania pompy ciepła, kolektory słoneczne,
kotły na biomasę bądź układy kilku współpracujących ze sobą urządzeń) lub systemy
nadmuchowe (działające w oparciu o pompę
ciepła lub kominek). Wentylacja musi być
z kolei zorganizowana w sposób uporządkowany tzn. konieczne jest zastosowanie
wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła
o wysokiej sprawności.
Projektowanie instalacji grzewczej powinno być prowadzone w taki sposób, aby
odpowiadała zapotrzebowaniu budynku na
ciepło. Częstym błędem jest przewymiarowanie źródeł ciepła, które powoduje, że urządzenia grzewcze nie pracują ze swoją mocą
znamionową (nie osiągają pełnej sprawności).
Przykładowo, gdy w budynku o projektowym
obciążeniu cieplnym na poziomie 12 kW zainstalowany zostanie kocioł o mocy 24 kW,
będzie on pracował z obniżoną sprawnością
(zamiast 97 będzie to 80 proc.). W takim
przypadku tracone będzie prawie 20 proc.
energii. Jest to o tyle istotne, że w przypadku
prawidłowego doboru urządzenia grzewczego
rachunki za ogrzewanie będą w analogicznej
sytuacji o niespełna 20 proc. niższe.
Wentylacja mechaniczna jest nowym
rozwiązaniem, które stało się popularne
w następstwie znacznej poprawy termoizolacyjności ścian, dachu i okien, a co za
tym idzie, uszczelnienia budynku i zablokowania dostaw potrzebnej ilości świeżego
powietrza. Dobrze zaprojektowana wentylacja mechaniczna rozwiązuje wszystkie
problemy tradycyjnego układu wentylacji
grawitacyjnej:
• potrafi wymienić w każdym pomieszczeniu
dokładnie tyle powietrza, ile potrzeba dla
zachowania komfortu, ale i ograniczenia
strat ciepła;
• jest niezależna od warunków pogodowych;
• daje możliwość regulacji centralnej
i miejscowej;
• przy zastosowaniu rekuperatora umożliwia
oszczędzanie energii przez odzyskiwanie
ciepła z powietrza usuwanego i wstępne
podgrzewanie powietrza nawiewanego.
Nowoczesne systemy rekuperacji w układzie wentylacji są w stanie odzyskać do 80
proc. ciepła traconego w usuwanym powietrzu. Oznacza to, że pełny układ wentylacji
mechanicznej z rekuperacją jest w stanie
zredukować do połowy koszty ogrzewania
domu (w budynku, w którym zadbano o dobrą izolację przegród i wysoką jakość stolarki
© PILKINGTON
ZDANIEM EKSPERTÓW
KREATOR–PROJEKTY • 4/2011
25