problemy eksploatacji budynków pasywnych w polsce

Materiały i technologie
mgr inż. Jerzy
Żurawski
PROBLEMY EKSPLOATACJI
BUDYNKÓW PASYWNYCH
W POLSCE
Problems related to exploitation of passive buildings in Poland ABSTRAKT Budownictwo pasywne jest bardzo ciekawą, choć wcale
nie nową ideą wznoszenia budynków o radykalnie
obniżonym zużyciu energii. Założenia opracowali
niemieccy eksperci pod koniec lat 80. XX w. Przez lata
idea ta była dopracowywana i rozwijana.
Obecnie wytyczne dla domów pasywnych wykorzystywane są także
do budowy budynków użyteczności publicznej i produkcyjnych.
Doświadczenia eksploatacyjne nie zawsze potwierdzają jednak
słuszność przyjętych założeń. Zdarza się, że zaprojektowane budynki
sprawiają trudności eksploatacyjne, a deklarowane koszty budowy oraz płynące korzyści znacznie odbiegają od tych założonych
na etapie projektu. Aby zapewnić odpowiednie warunki użytkowe,
czasem konieczne są dodatkowe, kosztowne inwestycje. Problemy
najczęściej wynikają z:
»» błędów i nieumiejętności projektowych,
»» bezkrytycznego przyjmowania wymagań szczegółowych,
»» błędów i uproszczeń wykonawczych,
»» różnic klimatycznych,
»» niewystarczająco precyzyjnych narzędzi obliczeniowych,
»» ograniczania kosztów inwestycji.
Uproszczenia takie mogą mieć konsekwencje zarówno energetyczne, jak i eksploatacyjne.
Zgodnie z obowiązującym prawem budowlanym [1] projektowanie
i wykonywanie budynków wiąże się ze spełnieniem wymagań podstawowych. Narzucają one, aby obiekt budowlany wraz ze związanymi
z nim urządzeniami budowlanymi był zaprojektowany i wybudowany
w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych
[2], oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej, z zapewnieniem:
»» bezpieczeństwa konstrukcji,
»» bezpieczeństwa pożarowego,
»» bezpieczeństwa użytkowania,
»» odpowiednich warunków higienicznych i zdrowotnych oraz ochrony środowiska,
»» ochrony przed hałasem i drganiami,
»» odpowiedniej charakterystyki energetycznej budynku.
Celem nadrzędnym jest zapewnienie bezpieczeństwa użytkowania oraz odpowiednich warunków higienicznych i zdrowotnych.
Jakość energetyczna budynku musi spełniać wymagania minimalne
w zakresie m.in. minimalnej wymiany powietrza i temperatury wewnętrznej. Zapewnienie minimalnych wymian powietrza nie oznacza jednak, że budynek będzie zaprojektowany w zadowalającym
standardzie użytkowym. Przykładem mogą być budynki, których
standardy użytkowe określono na podstawie standardów międzynarodowych, znacznie przekraczających minimalne wymagania
2
Artykuł został zaprezentowany
na Konferencji IZOLACJE 2015
S.??
prawe obowiązujące w Polsce. Stosowanie większych wymian nie
zwalania projektantów z obowiązku spełnienia wymagań w zakresie
odpowiedniej charakterystyki energetycznej budynku, co stwarza
pewne problemy projektowe.
ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE
Podczas projektowania budynków należy dbać o stworzenie właściwego środowiska wewnętrznego. Zagadnienie to omówiono
w normie PN-EN 15251:2007 „Kryteria środowiska wewnętrznego, obejmujące warunki cieplne, jakość powietrza wewnętrznego,
oświetlenie i hałas” [3], w której określono m.in.:
»» kategorie środowiska wewnętrznego (parametry wejściowe
do projektowania budynków oraz systemów grzewczych, chłodniczych, wentylacji i oświetlenia),
»» konieczność uwzględnienia takich parametrów, jak przeciąg,
pionowa różnica temperatur, temperatura podłogi oraz asymetria
temperatury promieniowania, przy czym temperatura operatywna
powinna uwzględniać temperaturę powietrza oraz temperaturę promieniowania powierzchni wewnętrznych.
Norma ta określa parametry użytkowe, na podstawie których
wyznacza się energochłonność budynku.
KOMFORT UŻYTKOWY
Można go zdefiniować jako stan, w którym człowiek odczuwa
równowagę między środowiskiem otaczającym a wrażeniami psychofizycznym. Na odczucie komfortu wpływa zbiorcza kombinacja
wrażeń wizualnych, słuchowych, namacalnych i cieplnych, jakie
pojawiają się w danym środowisku i wynikają ze zmian w zakresie
następujących warunków:
»» temperatura otaczającego powietrza,
»» temperatura promieniowania otaczających powierzchni,
»» wilgotność i prędkość powietrza,
»» zawartość dwutlenku węgla i innych substancji w powietrzu,
»» zapachy,
»» ilość kurzu,
»» walory estetyczne,
»» natężenie hałasu i oświetlenie.
Zapewnienie użytkownikom poczucia komfortu przez dobór
i regulację odpowiednich parametrów środowiska pracy przekłada
się m.in. na:
»» zwiększenie stopnia skupienia nad wykonywanym zadaniem,
»» zmniejszenie liczby popełnianych błędów,
»» zwiększenie wydajności i jakości produktów i usług,
»» ograniczenie nieobecności w pracy wynikających z chorób,
nr 7/8/2015
»» ograniczenie wypadków przy pracy i innych zagrożeń zdrowotnych (np. chorób układu oddechowego).
Należy podkreślić, że nadrzędnym celem jest stworzenie odpowiednich warunków użytkowania, a nie pasywność budynków.
Podczas projektowania niezbędne jest uwzględnienie wszystkich
parametrów klimatycznych mających wpływ na użytkowanie obiektu.
WYMIANA POWIETRZA
W budynkach użyteczności publicznej trudności stwarzają warunki
w budynku latem. Idea wznoszenia budynków pasywnych niesie
ryzyko okresowego przegrzewania budynków, co nie jest zgodne
z polskimi wymaganiami prawnymi. Dotyczy to również niższych
w stosunku do wymagań polskiego prawa wymian powietrza.
Inwestor dowiaduje się o tym dopiero w czasie użytkowania. Problem ten dotyczy również (choć w mniejszym stopniu) budynków
energooszczędnych (EU < 40 kWh/(m2·rok)) i niskoenergetycznych
(EU < 25 kWh/(m2·rok)). Przyczyną jest często brak doświadczenia
oraz odpowiednich narzędzi obliczeniowych. Problemem może być
też zbyt nisko wyceniona dokumentacja projektowa, a w konsekwencji uproszczenia projektowe.
Spełnienie wymagań pasywnych uzyskiwane jest często przy
naruszeniu minimalnych wymagań higienicznych. Osiągnięcie energooszczędności właściwej dla budynków pasywnych można bowiem
uzyskać przez nadmierne ograniczenie ilości wymienianego powietrza wentylacyjnego, jak ma to miejsce w wielu polskich szkołach,
gdzie wentylacja jest nieskuteczna, a zużycie energii odpowiada
założeniom budynku pasywnego.
WYMAGANIE ENERGETYCZNE
Na jakość energetyczną budynku ma wpływ wiele czynników. Do najważniejszych należą:
»» charakterystyka geometryczna budynku,
»» wskaźnik A/Ve (powinien być jak najmniejszy),
»» izolacyjność przegród budowlanych (przy czym nie zawsze niższa
wartość U przegród oznacza, że przegrody są lepsze),
»» wpływ mostków cieplnych – jak najmniejszy udział w stratach
ciepła,
»» sprawność systemu energetycznego (grzewczego i chłodniczego)
– powinna być jak największa,
»» efektywność energetyczna systemu wentylacji przy spełnieniu
co najmniej minimalnych wymagań higienicznych – powinna być
jak najkorzystniejsza,
»» efektywność energetyczna urządzeń pomocniczych – powinna
być jak najwyższa,
»» efektywność energetyczna oświetlenia pomocniczego – powinna
być jak najwyższa,
»» pojemność cieplna i wpływ na możliwości wykorzystania energii
słonecznej w okresie grzewczym i naturalnego chłodu w okresie
chłodniczym oraz wpływ na system zarządzania energią,
»» system sterowania i zarządzania energią,
»» wpływ zieleni na budynku i wokół budynku na poprawę efektywności energetycznej budynku,
»» wykorzystanie odnawialnych źródeł energii związanych z budynkiem.
Wymagania dotyczące zużycia energii (EP, EU) można by nazwać
wymaganiami nadrzędnymi. Budynek można uznać za pasywny,
jeżeli zapotrzebowanie na energię użytkową na ogrzewanie i wentylację EUH ≤ 15 kWh/(m2·rok) oraz gdy całkowite zużycie energii
nieodnawialnej pierwotnej EP ≤ 120 kWh/(m2·rok). Wymagania
nr 7/8/2015
te dotyczą budynków mieszkalnych i są często przenoszone automatycznie do innych grup budynków, np. użyteczności publicznej,
co nie jest zasadne. Wobec budynków o innym przeznaczeniu
i użytkowanych w odmiennym sposób nie można stosować takich
samych miar i oceny. Jako przykład mogą posłużyć: hala sportowa
użytkowana do 6.00 do 23.00, która będzie zużywać znacznie więcej energii nieodnawialnej pierwotnej na oświetlenie niż 120 kWh/
(m2·rok), hotel o wysokich wymaganiach higienicznych (o średniej
wymianie powietrza 2,5 wym./h), w którym intensywne użytkowanie uniemożliwia spełnienie wymagań na EU i EP, a także budynki,
w których wymiana powietrza z różnych względów musi być większa
niż 3 kubatury budynku.
W odniesieniu do budynków niemieszkalnych w standardzie
pasywnym energia użytkowa na ogrzewanie oraz na chłodzenie EU
musi być mniejsza niż 15 kWh/(m2·rok). O szczegółowe wytyczne
do projektowania budynków innych niż mieszkalne należy ubiegać
się w Instytucie Rosenheim lub wśród propagatorów tej idei budowania.
Jeżeli wymagania te można uznać za nadrzędne, to wymagania
szczegółowe w zakresie współczynników przenikania ciepła przegród nie powinny być tak rygorystycznie przestrzegane, gdyż rodzi
to różne nieprzewidziane problemy. Przykładem może być zakład
produkcyjny o stosunkowo dużych zyskach ciepła, w którym wartość EUH była na poziomie EUH = 10,7 kWh/(m2·rok), przy średniej
wartości współczynnika przenikania ciepła dla przegród nieprzezroczystych wynoszącym 0,55 W/(m2·K) i przegród przezroczystych
1,6 W/(m2·K). Zapotrzebowanie na energię użytkową na chłodzenie
zakładu latem wynosiło 47 kWh/(m2·rok). Gdyby budynek został
zaprojektowany według wytycznych szczegółowych, energia użytkowa EU byłaby równa 0 kWh/(m2·rok), a energia na chłodzenie
87 kWh/(m2·rok). Na etapie projektowania powinno się poszukać
rozwiązań pozwalających ograniczyć zapotrzebowanie na ciepło
i chłód i próbować co najmniej doprowadzić do zrównoważenia
energetycznego.
WYMAGANIA SZCZEGÓŁOWE
Dla budynków w standardzie pasywnym określono parametry efektywności energetycznej przegród, szczelności budynku, wentylacji
i systemu energetycznego budynku. Wytyczne te są wartościami pomocniczymi, wskazówkami, pomagającymi osiągnąć cele nadrzędne.
Powinny być jednak dostosowywane do lokalizacji, zacienienia, strefy klimatycznej, przeznaczania oraz sposobu użytkowania. Obiekty
o tym samym przeznaczeniu mogą być różnie użytkowane. Bilans
energetyczny takich samych budynków może być więc diametralnie
różny.
ZYSKI CIEPŁA
W budynkach bardzo dobrze izolowanych termicznie niezbędne jest
precyzyjne określenie wewnętrznych zysków ciepła oraz profili użytkowych. Ma to podstawowe znacznie przy projektowaniu rozwiązań
mających zapobiec przegrzewaniu budynku oraz sterowaniu pracą
urządzeń grzewczych, wentylacyjnych i pomocniczych. Podczas
projektowania budynków pasywnych nie należy sztywno opierać
się na zaleceniach, które mogą być obarczone błędami. Zyski ciepła muszą być określane indywidualnie i precyzyjnie, aby nie było
problemów użytkowych oraz by szacowane zużycie energii było jak
najbardziej zbliżone do zużycia rzeczywistego. Stosowane w budownictwie pasywnym metody analityczne zwykle nie pozwalają
wykonywać takich symulacji.
3
Materiały i technologie
WENTYLACJA
W przypadku wentylacji ograniczenia energetyczne prowadzą do zaniżania minimalnych strumieni wentylacyjnych. Celem jest osiągnięcie efektu energetycznego. Zdarza się, że aby osiągnąć cele energetyczne, obniża się strumienie wentylowanego powietrza. W Polsce
minimalna wymiana powietrza w mieszkaniu z obniżeniami nocnymi
strumienia wentylacyjnego wynosi 86 m3/godz. Według zaleceń dla
domów pasywnych wymiana powinna wynosić 0,5 V, dla mieszkania 45 m2 wynosi więc 60 m3/godz. i jest mniejsza niż minimalne
wymagania prawne o niespełna 30%. Podobnie jest w budynkach
użyteczności publicznej. Należy zauważyć, że mówimy tu jedynie
o spełnieniu minimalnych wymagań prawnych, nie o działaniach
na rzecz podwyższenia jakości klimatu wewnętrznego.
POJEMNOŚĆ CIEPLNA
To obszar działań projektowych, który może mieć korzystny lub
niekorzystny wpływ na jakość energetyczną budynku. Odpowiednio
zaprojektowany pod tym względem budynek może mieć istotny
wpływ na zdolność wykorzystania naturalnych źródeł energii i chłodu, a tym samym na zużycie energii przez budynek. Aby móc prawidłowo analizować powyższe zagadnienia, należy stosować bardziej
precyzyjne narzędzia obliczeniowe. Na pewno nie da się tego
zrobić z wykorzystaniem prostych arkuszy kalkulacyjnych, takich
jak program PHPP. Konieczność podziału na strefy, obliczenia iteracyjne związane z określaniem temperatur wewnętrznych, to dość
skomplikowane zadanie, wymagające bardziej precyzyjnych narzędzi obliczeniowych. Niezbędna jest metoda oparta na co najmniej
godzinowej metody obliczeniowej. Stosowanie metody miesięcznej,
umożliwiającej modelowanie energetyczne wszystkich parametrów
w każdym miesiącu, dopuszczalne jest dla bardzo doświadczonych
projektantów.
ENERGIA POMOCNICZA
Modelowanie pracy budynku oraz szacowanie zużycia energii
pomocniczej wymaga również wykorzystania bardziej zaawansowanych modeli obliczeniowych, zwłaszcza że budynki pasywne
wyposażone są w stosunkowo dużą liczbę urządzeń pomocniczych
zużywających energię elektryczną. W TABELI 1 zamieszczono projektowane zużycie energii użytkowej i nieodnawialnej pierwotnej
w budynkach niskoenergetycznych i pasywnych.
Obliczeniowe zużycie energii pomocniczej EP wynoszące odpowiednio 35,7 kWh/(m2·rok) i 41,65 kWh/(m2·rok) jest ok. dwa razy
większe niż obliczeniowe zużycie energii EP na c.o. i wentylację
(TABELA 1). W omawianych przypadkach całkowite zmniejszenie
zużycia nieodnawialnej energii pierwotnej EP nie jest aż tak duże,
jak się wstępnie mogło wydawać. Zmierzyliśmy zapotrzebowanie
na energię użytkową EU na c.o. i wentylację, ale zwiększyło się zużycie energii pomocniczej. W przypadku hali sportowej zastosowanie
PV pokrywające 50% energii na oświetlenie nie pozwoli spełnić
wymagań z 2021 roku.
SERWIS I KOSZTY EKSPLOATACYJNE
Należy również pamiętać, że budynki pasywne wyposażone
są w wiele urządzeń zużywających energię pomocniczą, co wymaga
zwiększonych nakładów na serwisowanie. W razie konieczności
wymiana ich ze względu na wysoką klasę energetyczną jest kosztowna. Przykładowo w budynku biurowym o powierzchni użytkowej
ok. 800 m2 po ośmiu latach niezbędna byłyba wymiana obiegowych
4
Przeznaczenie budynku
Energia [kWh/(m2·rok)]
EU c.o. i wentylacja
EU c.w.u.
Szkoła
pasywna
Hala sportowa
z zapleczem
11,46
14,96
8,41
3,82
EU chłodzenie
14,97
Razem energia użytkowa EU
34,84
18,78
EP c.o. i wentylacja
12,23
21,1
EP c.w.u.
14,44
4,76
EP chłodzenie
10,65
EP energia pomocnicza
34,48
41,65
35,7
108,42
Σ EP ocenianego budynku
107,51
175,93
EP według wymagań
na 2014 r.
139,83
165
EP według wymagań
na 2017 r.
134,63
160
EP według wymagań
na 2021 r.
94,83
95
EP oświetlenie
TABELA 1. Obliczeniowe wartości zapotrzebowania na energię użytkową (EU),
energię końcową (EK) oraz nieodnawialną energię pierwotną (EP)
pomp grzewczych, zestawów pompowych ciepłej wody oraz styczników dla systemu zarządzania i monitorowania pracy budynku. Koszt
to ok. 10 000 zł. Serwis urządzeń wentylacyjnych, czyszczenie,
wymiana filtrów kosztuje rocznie ok. 2500–3500 zł. Serwis pompy
ciepła – ok. 500–800 zł. Przygotowywana jest też wymiana pomp
dolnego źródła oraz wymiana silników wentylatorów wentylacji mechanicznej (ok. 8000–10 000 zł). Do stosunkowo niskich kosztów
użytkowych należy dodać koszty serwisu i wymiany urządzeń. Oczywiście w budynku tradycyjnym na pewno część tych kosztów będzie
również występowała, ale będą one znacznie niższe.
ZARZĄDZANIE ENERGIĄ I STEROWANIE
Sterowanie i zarządzanie energią w budynku pasywnym o dużej
pojemność cieplnej nie jest łatwe. Ze względu na dużą bezwładność
cieplną niezbędne jest stosowanie prostych systemów podtrzymywania zadanej temperatury w pomieszczeniach, które uniemożliwiają uzyskanie dodatkowych oszczędności energii. Oszczędności
te wynikają z wprowadzania przerw w ogrzewaniu i chłodzeniu.
Aby dynamicznie sterować popytem i podażą energii, wymagane
jest zastosowanie bardzo zaawansowanych systemów sterowania,
które pozwalają uwzględnić pojemność cieplną budynku, zmienność
użytkową, a działają na podstawie prognozy pogody. Do tak zaawansowanych rozwiązań niezbędne są sprawdzające się dwu- lub
trzydniowe prognozy pogody. Im większa pojemność cieplna, tym
dane o prognozie pogody powinny być podawane z odpowiednio
dłuższym wyprzedzeniem. Oczywiście jest to system skomplikowany,
kosztowny i wymagający kilkumiesięcznej asysty specjalisty.
ANALIZA EKONOMICZNA
Wykonano uproszczone analizy opłacalności budowy obiektów pasywnych, przy uwzględnieniu wszystkich kosztów eksploatacyjnych
oraz serwisowych. Przyjęto następujące założenia:
nr 7/8/2015
Całkowita powierzchnia
budynku
[m2]
Jednostkowy koszt
budowy
[zł/m2]
Koszt budowy
budynku
[zł]
EK
[kWh/(m2·K)]
Roczne koszty
eksploatacji
[zł]
Mała szkoła
800
3500
2 800 000
90,0
26 640
Duża szkoła
4800
3500
16 800 000
82,0
153 504
Rodzaj
budynku
TABELA 2.
Analiza kosztów w budynkach spełniających aktualne wymagania prawne
Całkowita
powierzchnia
budowy
[m2]
Jednostkowy
koszt
budowy
[zł/m2]
Jednostkowy koszt
budowy standard
pasywny
[zł/m2]
Koszt budowy
budynku standard
pasywny
[zł]
EK standard
pasywny
[kWh/(m2·K)]
Roczne koszty
eksploatacji
standard pasywny
[zł]
Mała szkoła
800
3500
4000
3 200 000
35,8
12 029
Duża szkoła
4800
3500
4050
19 440 000
30,0
60 480
Rodzaj
budynku
TABELA 3.
Analiza kosztów w budynkach spełniających wymagania budownictwa pasywnego
Całkowita
powierzchnia
budowy
[m2]
Roczne
koszty
eksploatacji
[zł]
Roczne koszty
eksploatacji
standard pasywny
[zł]
Roczne oszczędności
kosztów
eksploatacyjnych
[zł/rok]
Wzrost
kosztów
budowy
[zł]
Czas zwrotu
– SPBT
[lata]
Mała szkoła
800
26 640
12 028,8
14 611,2
400 000
27,4
Duża szkoła
4800
153 504
60 480
93 024,0
2 640 000
28,4
Rodzaj
budynku
TABELA 4.
Analiza opłacalności budowy budynku pasywnego w stosunku do budynku spełniającego minimalne wymagania prawne
»» koszt budowy w standardzie wymagań na 2014 r. – 3500 zł/m2,
»» koszt budowy w standardzie pasywnym wyższy o 500 zł/m2,
dla ­drugiego budynku 550 zł/m2 pow. całkowitej budynku,
»» koszty eksploatacyjne w standardzie wymagań na 2014 r. w małej szkole określone dla kotłowni węglowej, w dużej szkole z ciepłowni miejskiej 60 zł/GJ.
Koszty budowy uzyskano na podstawie dwóch zrealizowanych
przetargów na budowę szkół o pasywnej charakterystyce energetycznej. W TABELACH 2–4 przedstawiono przykładowe analizy
opłacalności.
PODSUMOWANIE
LITERATURA
1.
Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU 1994 nr 89
poz. 414).
2.
PN-EN 15251:2007, „Kryteria środowiska wewnętrznego,
obejmujące warunki cieplne, jakość powietrza wewnętrznego,
oświetlenie i hałas”.
3.
Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki
Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie
w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać
budynki i ich usytuowanie (DzU 2013, poz. 926).
ABSTRAKT Idea budownictwa pasywnego jest interesująca i godna poparcia,
jednak tylko pod warunkiem, że będziemy w stanie sprostać
tym wymaganiom – zarówno ekonomicznie, jak i technicznie. Z pewnością konieczna jest prowadzona na większą skalę
profesjonalna edukacja. Obecnie nie jesteśmy bowiem dobrze
­przygotowani pod względem projektowym ani wykonawczym
do budowy budynków niskoenergetycznych, a tym bardziej
budynków pasywnych. Ma na to wpływ m.in. zmniejszenie
na uczelniach liczby godzin przeznaczonych na fizykę budowli
i energooszczędność. Do wznoszenia budynków energooszczędnych wymagana jest znacznie większa wiedza oraz świadomość
złożoności zagadnienia.
Jerzy Żurawski ukończył Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego
Politechniki Wrocławskiej, specjalność: konstrukcje. Jest współzałożycielem
Dolnośląskiej Agencji Energii i Środowiska zajmującej się zagadnieniami
związanymi z szeroko pojętą energooszczędnością budynków. Współtworzy
nr 7/8/2015
Nieprawidłowo zaprojektowany budynek pasywny może doprowadzić do trudności eksploatacyjnych. W artykule omówiono najczęstsze przyczyny tych trudności. Przedstawiono analizę ekonomiczną
budownictwa pasywnego na przykładzie budynków użyteczności
publicznej. Wskazano również na trudność w spełnieniu wymogów.
A passive building with designing errors may cause operating
problems. The article discusses the most common causes of
these difficulties. Presentation of economic analysis of passive
construction is based on the example of public utility buildings.
Certain difficulties were also pointed out in meeting the
applicable requirements.
programy komputerowe wspomagające obliczenia cieplne budynków. Jest
organizatorem szkoleń i konferencji, a także konsultantem i wykonawcą projektów domów energooszczędnych. Związany jest z uczelniami technicznymi
jako wykładowca zagadnień dotyczących fizyki cieplnej budowli.
5