Z budownictwem niskoenergetycznym jest jeszcze wciąż związanych wiele nieporozumień, mitów i obiegowych opinii.
Budzące dziś spore emocje nowe standardy energetyczne budynków będą dotyczyć tylko niewielkiej części substancji budowlanej, ale jednocześnie budynki, które powstaną w najbliższych latach, będą jeszcze przez długi czas wpływały na warunki życia ludzi, zużycie energii i na stopień skażenia naturalnego środowiska. To przedłużone w czasie trwanie budynków powinno zachęcać czy wręcz wymuszać jego najlepszą jakość i stosowanie standardów bazujących na najnowszych osiągnięciach techniki. Zgodnie z przyjętymi w naszym kraju wymaganiami w ciągu najbliższych kilku lat mamy dokonać dużego skoku w zakresie konsumpcji energii w budynkach, projektując i wykonując budynki o niemal zerowym zapotrzebowaniu. Skuteczne wprowadzenie takich przepisów wymaga daleko idących zmian nie tylko w wymaganiach, ale i sposobie postępowania projektantów, wykonawców i użytkowników budynków.
Specyfika bilansu cieplnego budynków niskoenergetycznych
Niskie straty ciepła przez przenikanie i dominujące straty wentylacyjne
Najlepiej kojarzona z budownictwem niskoenergetycznym zmiana to bardzo skuteczna i ciągła izolacja termiczna przegród zewnętrznych. Pozwala ona na wyraźne ograniczenie przenikania ciepła przez zewnętrzną obudowę. Jeśli towarzyszą jej okna o bardzo wysokiej izolacyjności termicznej, to całość strat cieplnych przez przenikanie maleje nawet kilkakrotnie w stosunku do budynków standardowych. Straty cieplne przez obudowę stają się więc mało znaczącym składnikiem bilansu, a dominują straty cieplne związane z wentylacyjną wymianą powietrza oraz infiltracją. Jednocześnie też rzeczywista wentylacyjna i infiltracyjna wymiana powietrza jest kompletną niewiadomą, zwłaszcza w budynkach z wentylacją grawitacyjną. Tak więc istotny składnik bilansu cieplnego jest w inżynierskich obliczeniach wynikiem jedynie statystycznych szacunków i oczekiwań natury higienicznej.
A zatem kolejny niezbędny krok, jaki musi być wykonany na drodze do budownictwa niskoenergetycznego, to dążenie do uzyskania kontroli nad wymianą powietrza w budynku przez wysoką szczelność powietrzną obudowy oraz skuteczny odzysk ciepła z powietrza wentylacyjnego.
Rys. 1 Struktura bilansu cieplnego energooszczędnych budynków zrealizowanych w programie badawczym International Energy Agency [1]
Duże znaczenie zysków słonecznych i bytowych
Bardzo niskie zapotrzebowanie budynku na energię sprawia, że diametralnej zmianie ulega także druga strona bilansu cieplnego, tj. struktura zysków cieplnych i ogrzewania konwencjonalnego, potrzebnego do domknięcia bilansu termicznego.
Na rys. 1 pokazano uśrednioną strukturę bilansu cieplnego dla 15 doświadczalnych budynków, zrealizowanych na całym świecie, w ramach programu badawczego International Energy Agency [1]. Budynki znacznie różniły się między sobą pod względem szczegółowych rozwiązań technicznych. Zdecydowanie różne były też warunki klimatyczne ich lokalizacji. Mimo to łatwo zauważyć można mały udział w bilansie cieplnym nieodnawialnej energii ogrzewania konwencjonalnego oraz znaczący udział energii słonecznej, bytowych zysków wewnętrznych i odzysku ciepła. Pokazane wartości znakomicie ilustrują istotne znaczenie dla bilansu cieplnego budynku zysków energii, które dotychczas w świadomości zarówno projektantów, jak i użytkowników budynku miały znaczenie marginalne, oraz wskazują kierunki dalszego rozwoju budownictwa energooszczędnego. Są liczne przykłady pasywnych budynków mieszkalnych zrealizowanych w Niemczech i Austrii, a więc w warunkach klimatycznych zbliżonych do warunków polskich, w których biernie (praktycznie bezpłatnie) pozyskiwana energia słoneczna stanowiła nawet 40% bilansu cieplnego. Z kolei w budynkach o innej funkcji, np. biurach, szkołach, można oczekiwać dominującego w bilansie znaczenia zysków bytowych.
Kompletna zmiana proporcji w bilansie cieplnym budynku wiąże się jednak ze sporymi wyzwaniami projektowymi. Budynek o niskich stratach ciepła staje się bardzo wrażliwy na błędy projektowe czy sposób użytkowania dalece odbiegający od założonego. Bardzo łatwo może w nim dojść do przegrzewania wnętrza, a do jego projektowania nie wystarczają już stosowane obecnie najprostsze algorytmy, oparte na założeniu o stacjonarnym przepływie ciepła. Jako swego rodzaju paradoks można traktować fakt, że istotnym problemem w projektowaniu i realizacji budynków niskoenergetycznych staje się konieczność zaawansowanej ochrony przed przegrzewaniem.
Rys. 2 Zapotrzebowanie pomieszczenia na energię do ogrzewania w zależności od proporcji powierzchni okna południowego do pola powierzchni podłogi Rw/f i pojemności cieplnej budynku (pasywny standard izolacyjny, oszklenie niskoemisyjne dwuszybowe) [1]
Konieczność podejmowania racjonalnych decyzji projektowych
Polskie przepisy dotyczące właściwości termicznych budynków [2] ulegają istotnym zmianom, stosownie do wymagań wynikających z energetycznych dyrektyw europejskich. Zmiany te dotyczą głównie wskaźnika zapotrzebowania na energię pierwotną oraz szczegółowych wymagań izolacyjnych. Nieco inny charakter mają przepisy dotyczące przeszklonej części obudowy zewnętrznej budynku. Oprócz wymagań izolacyjności termicznej pojawiają się tam bowiem warunki dotyczące wielkości okien oraz przepuszczalności promieniowania słonecznego przez oszklenie. Ograniczenie pola powierzchni okien oraz wyposażenie użytkownika budynku w możliwość bronienia się przed nadmiarem zysków słonecznych to dobry krok na drodze do ochrony przed przegrzewaniem.
Nie należy traktować jednak obowiązujących obecnie wymagań jako wystarczającego narzędzia do projektowania budynków niskoenergetycznych z wysoką jakością środowiska wewnętrznego. Charakter zmiennych w czasie zjawisk termicznych we wnętrzu budynku jest na tyle skomplikowany i zależny od wielu właściwości jego obudowy i wyposażenia, że użycie prostych wskaźników projektowych jest zwykle dalece niewystarczające. Na rys. 2 przedstawiono wpływ pola powierzchni okna południowego na zapotrzebowanie pomieszczenia na ogrzewanie dla siedmiu wariantów pojemności cieplnej przegród.
Łatwo zauważyć, że w każdym wariancie pojemności cieplnej obecność okien o południowej orientacji i z oszkleniem izolacyjnym pozwala w pewnym stopniu obniżyć zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania w stosunku do obudowy pozbawionej okien. Dla poszczególnych wariantów pojemności cieplnej pomieszczenia można wskazać taką wartość stosunku pola powierzchni oszklenia i podłogi – tj. wskaźnika przeszklenia Rw/f – przy której zapotrzebowanie na ogrzewanie osiąga wartość minimalną. Jej przekroczenie wiąże się jednak z kolei z ponownym wzrostem zapotrzebowania na ogrzewanie. Największą redukcję ogrzewania można uzyskać w obiektach o dużej pojemności cieplnej, w nich także pożądana powierzchnia okien jest największa. Należy podkreślić, że słuszność powyższych spostrzeżeń jest jednak ściśle zależna nie tylko od pojemności cieplnej budynku, ale także od wybranych właściwości spektralnych zestawu szyb, izolacyjności obudowy, intensywności wymiany wentylacyjnej, skuteczności rekuperacji czy wreszcie lokalnego klimatu. Zmiana któregokolwiek parametru pociągnie za sobą zmianę pokazanych wyżej zaleceń projektowych i konieczność ponownej analizy.
Na rys. 3 pokazano wartości wskaźników zapotrzebowania na ogrzewanie E i chłodzenie EC bardzo masywnego pomieszczenia, ale tym razem z izolacyjnym oszkleniem potrójnym. Użycie tylko kryterium gwarantującego minimum energii na ogrzewanie sugerowałoby wskazanie, jako wartości korzystnej, bardzo dużych powierzchni okna południowego. Tymczasem kryterium minimalnego łącznego zapotrzebowania na energię ogrzewania i chłodzenia wymagałoby wskazania znacznie mniejszej wartości wskaźnika Rw/f z przedziału 0,17-0,26.
Widać, że zwyczajnie nie jest możliwe sformułowanie jednoznaczne zaleceń projektowych lub podanie w przepisach budowlanych prostych wskaźników, które gwarantowałyby dobrą jakość środowiska wewnętrznego w oderwaniu od klimatu, orientacji okien, rodzaju oszklenia, izolacyjności i zdolności akumulacyjnych obudowy itp. Racjonalne projektowanie budynków niskoenergetycznych, zorientowane na minimalizację zużycia energii, przy jednoczesnym utrzymaniu komfortu cieplnego we wnętrzu budynku, wymaga w takim razie precyzyjnych, dynamicznych narzędzi obliczeniowych i wieloparametrowych analiz o charakterze optymalizacyjnym.
Rys. 3 Zapotrzebowanie pomieszczenia na energię do ogrzewania E i chłodzenia EC w zależności od proporcji pola powierzchni okna południowego do pola podłogi Rw/f (pasywny standard izolacyjny, oszklenie niskoemisyjne trzyszybowe, budynek bardzo masywny) [3]
Pasywna ochrona przed przegrzewaniem
Pokazano już, jak wzrosło zagrożenie związane z przegrzewaniem budynków. W przypadku niskich strat cieplnych z budynku, nawet w okresie zimowym, chwilowe zyski wewnętrzne i słoneczne mogą prowadzić do powstania zbyt wysokiej temperatury i uciążliwych warunków lub konieczności mechanicznego chłodzenia. Niezbędne jest więc projektowanie, w którym od początku się dąży do wyeliminowania lub przynajmniej znacznej redukcji przegrzewania, traktując mechaniczne chłodzenie w naszych warunkach klimatycznych jako ostateczność, a nie obowiązujący i ogólnie akceptowany standard.
Wykorzystanie najprostszych, naturalnych metod ochrony przed zbyt wysoką temperaturą można określać jako pasywna ochrona przed przegrzewaniem. „Pasywność” oznacza tu więc unikanie dodatkowych nakładów energetycznych i jest zgodna z ideą budownictwa niskoenergetycznego i dążeniem do ograniczenia wpływu budynku na środowisko naturalne.
Izolacja termiczna przegród
Bardzo grube warstwy izolacji termicznej w budynkach rodzą obecnie pytania dotyczące ich wpływu na warunki w trakcie lata. Można spotkać opinie o negatywnym wpływie izolacji na temperaturę wnętrza w gorących okresach roku, tłumaczone blokowaniem możliwości rozładowania wnętrza z dziennych zysków słonecznych. Podstawowe wyniki analizy symulacyjnej związanej z tym problemem przedstawiono m.in. w publikacji [4]. W programie EnergyPlus modelowano powtarzalną kondygnację budynku w masywnej technologii konstrukcyjnej i z dwuwarstwową ścianą zewnętrzną. Przyjęto model wentylacji wnętrza zależny do temperatury zewnętrznej. W trakcie dnia krotność wymian powietrza może zmieniać się od 1 do 0, w nocy jest powiększona do czterech wymian w ciągu godziny. Okres symulacji był ograniczony do trzech najcieplejszych miesięcy w roku.
Metodą oceny warunków termicznych, powstających we wnętrzu budynku, było kryterium adaptacyjnego komfortu cieplnego według metody ASHRAE Standard 55-2010. Ocena mikroklimatu związana z tzw. komfortem adaptacyjnym jest oparta na zaobserwowanym w praktyce stopniowym adaptowaniu się organizmu ludzkiego do warunków termicznych otoczenia w budynkach bez mechanicznego chłodzenia [5, 6].
Na rys. 4 pokazano liczbę godzin dyskomfortu w analizowanym pomieszczeniu zależnie od grubości izolacji termicznej ścian zewnętrznych w południowym pomieszczeniu z dużym przeszkleniem. Przyjęto kryterium 90% akceptacji warunków w pomieszczeniu. Wyniki pokazane na rys. 4 nie pozostawiają wątpliwości, że izolacja termiczna ścian zewnętrznych nie pogarsza warunków w budynku, a to oznacza także, iż domniemany efekt rozładowania nadwyżek ciepła do otoczenia przez ściany nie ma praktycznie miejsca. Izolacja cieplna chroni natomiast wnętrze przed silną falą zewnętrzną, pochodzącą od wysokiej temperatury zewnętrznej i skojarzonej absorpcji promieniowania słonecznego.
W przypadku płaskich stropodachów znaczenie izolacji termicznej dla ochrony wnętrza przed przegrzewaniem jest zupełnie jednoznaczne. Im grubsza jest warstwa izolacji, tym mniejsze jest obciążenie wnętrza zyskami słonecznymi intensywnie absorbowanymi na powierzchni stropodachu [7].
Należy więc stwierdzić, że efektywna izolacja termiczna przegród zewnętrznych nie pogarsza warunków cieplnych w budynkach w okresie letnim i nie jest przyczyną powiększania dyskomfortu we wnętrzu, a przeciwnie pozwala ograniczać czas jego trwania.
Rys. 4 Liczba godzin dyskomfortu w zależności od grubości izolacji termicznej ścian zewnętrznych w południowym pomieszczeniu powtarzalnej kondygnacji
Pojemność cieplna budynku
Zdolność budynku do akumulacji dużych ilości energii jest od dawna znana jako czynnik stabilizujący zmiany temperatury we wnętrzu budynku, wywołane wahaniami temperatury zewnętrznej. W budynkach niskoenergetycznych, w których dąży się do maksymalnego pozyskiwania w sposób bierny energii słonecznej do wspomagania ogrzewania, taka możliwość będzie miała istotny wpływ na końcowy bilans cieplny budynku. Dzięki stateczności cieplnej budynku możliwa jest redukcja obciążenia cieplnego i mocy urządzeń chłodzących, a w przypadku dobrze zaprojektowanej powierzchni okien – nawet pełna ochrona przed przegrzewaniem bez mechanicznego wspomagania.
Na rys. 5 przedstawiono wyniki przykładowych obliczeń symulacyjnych silnie przegrzewanego pomieszczenia. Zmieniano grubość masywnej warstwy ścian zewnętrznych i wewnętrznych w pomieszczeniu zlokalizowanym na kondygnacji wewnętrznej.
Najmniejsze analizowane grubości warstw akumulujących odpowiadają pojedynczej warstwie tynku lub płyt gipsowo-kartonowych. Wartości maksymalne wynikają z realnych grubości warstwy konstrukcyjnej, tj. muru ceglanego ścian.
Istotny i pozytywny wpływ warstw masywnych na ograniczenie przegrzewania jest dobrze widoczny. Masywne ściany o ponad połowę w stosunku do lekkich przegród zmniejszają czas trwania przegrzewania. Ich zasługą jest także zmniejszenie wartości amplitudy temperatury w przegrzewanym wnętrzu [7].
W lekkich budynkach brak dostatecznej pojemności cieplnej może być częściowo rozwiązywany przez stosowanie materiałów fazowo-zmiennych (PCM) o dobrze dobranej temperaturze topnienia [8, 9]. W tym przypadku nie masa, lecz ciepło przemiany fazowej daje szansę magazynowania znacznych ilości ciepła.
Rys. 5 Liczba godzin dyskomfortu w zorientowanym na południe pomieszczeniu w zależności od grubości warstwy masywnej ścian powtarzalnej kondygnacji
Chłodzenie nocne
Intensywne, powtarzalne ładowanie przegród zyskami cieplnymi podczas dnia sprawia, że mimo dużej pojemności cieplnej rośnie wyraźnie ich temperatura, a tym samym także średnia temperatura we wnętrzu budynku. Utrzymanie zdolności stabilizujących obudowy wymaga zatem ciągłego rozładowywania akumulatorów. Jak pokazano wcześniej, nie jest to możliwe na drodze przenikania ciepła przez całą przegrodę do środowiska zewnętrznego, ale odbywa się z powrotem do wnętrza budynku. Intensywne nocne wentylowanie wnętrza pozwala w naszych warunkach klimatycznych skutecznie obniżać temperaturę powietrza wewnętrznego i skutecznie odbierać zmagazynowaną w masywnych przegrodach energię. Nawet podczas upalnego okresu temperatura powietrza zewnętrznego jest w nocy niższa od +20oC, co pozwala uzyskać wystarczającą do skutecznego chłodzenia różnicę.
W budynkach użytkowanych tylko w trakcie dnia możliwości nocnego chłodzenia są znacznie większe, a uzyskiwane efekty wyraźniejsze. W zaawansowanych rozwiązaniach budynków biurowych stosuje się też na przykład specjalne stropy z kanałami powietrznymi, przez które w trakcie nocy pompowane jest chłodne powietrze zewnętrzne.
Konieczne zmiany w procesie projektowania budynków niskoenergetycznych
Przedstawione wybrane problemy projektowania i funkcjonowania budynków niskoenergetycznych wskazują, że są konieczne istotne zmiany w dotychczasowym podejściu. Budynki o niskim zapotrzebowaniu na energię, szczególnie wrażliwe na błędy projektowe, wymagają od samego początku harmonijnej pracy całego zespołu projektowego. Ten sposób działania jest często nazywany projektowaniem zintegrowanym.
Nasz klimat stwarza także możliwości poprawnego funkcjonowania budynków bez mechanicznego chłodzenia, ale realizacja tego celu wymaga wiedzy i nowych, zaawansowanych narzędzi projektowych. Nie wystarczą do tego proste przepisy i wymagania budowlane.
Powierzchowne spojrzenia na budownictwo niskoenergetyczne oraz lektura popularnej prasy na ten temat mogą wywołać skojarzenie, że synonimem budynku energooszczędnego może być tzw. szklana architektura. Nadmiernie obfite przeszklenie powoduje zarówno duże straty cieplne, jak i konieczność intensywnego chłodzenia. Droga od silnie przeszklonego budynku do budynku niskoenergetycznego może być więc bardzo daleka. Podobnie też wyposażenie przypadkowego obiektu w kolektory, fotoogniwa, pompy ciepła i wymienniki nie sprawia automatycznie, że staje się on dobrze zaprojektowanym nisko- energetycznym budynkiem. Dodatkowe urządzenia i instalacje pozwalają z pewnością obniżyć jego zapotrzebowanie na energię konwencjonalną, ale nie musi to być do końca działanie racjonalne.
Z budownictwem, a szczególnie z budownictwem niskoenergetycznym, jest jeszcze wciąż związanych wiele nieporozumień, mitów i obiegowych opinii.
Duży opór budzą często wymagania i zabiegi związane z wysoką szczelnością przegród zewnętrznych budynku. Można w tych obawach doszukiwać się oczywiście uzasadnionej troski o jakość powietrza wewnętrznego w dobrze izolowanej i szczelnej obudowie, ale ich bezpośrednią przyczyną jest zwykle nieporozumienie i brak informacji o zasadach działania wentylacji czy wreszcie o zasadach określania i badania szczelności budynków. Podobnym źródłem nieporozumień i błędnych opinii jest wciąż tzw. oddychanie budynków i ich przegród. Trzeba dodać, że w dużej mierze to producenci i dystrybutorzy materiałów budowlanych i w jakiejś części projektanci i wykonawcy budynków czynnie podtrzymują te mity. Jak w każdej obiegowej opinii jest w tych stwierdzeniach ziarno prawdy, czasami też echo popełnionych w budownictwie błędów. Jednak w końcowym efekcie mamy do czynienia z poplątaniem wielu różnych wątków dotyczących wymiany powietrza, sorpcji wilgoci, dyfuzji pary wodnej, roli wentylacji itp. Tymczasem polskie przepisy budowlane są sformułowane jednoznacznie. Nieprzezroczysta zewnętrzna obudowa budynku niskoenergetycznego, wyposażona w efektywną i ciągłą izolację termiczną, powinna być zgodnie z polskimi przepisami [2] całkowicie szczelna dla przepływu powietrza i wolna od problemów natury wilgotnościowej. Nie ma tu miejsca na oddychające przegrody, wymagana wymiana powietrza oraz usuwanie nadmiaru wilgoci z wnętrza budynku musi być realizowane przez wentylację.
Podsumowanie
Specyficzna struktura bilansu cieplnego w budynkach niskoenergetycznych sprawia, że w stosunku do budynków standardowych wymagana jest istotna zmiana w sposobie ich projektowania, stosowanych narzędziach, przepisach budowlanych i sposobach eksploatacji. Potrzebne są nowe, bardziej subtelne narzędzia i procedury optymalizacyjne, które pozwolą na minimalizację całkowitego zapotrzebowania na energię konwencjonalną przy utrzymaniu jednocześnie wysokiej jakości środowiska wewnętrznego. Realizacja tego celu jest możliwa w dużej mierze przez zastosowanie prostych ideowo, ale trudnych do analizy pasywnych sposobów pozyskiwania odnawialnej energii i ochrony przed przegrzewaniem. Jednak faktyczne uzyskanie takich rezultatów jest możliwe jedynie przy zintegrowanym podejściu do procesu projektowania, bo niemal wszystkie decyzje projektowe są ze sobą wzajemnie powiązane.
Tomasz Kisilewicz
Wydział Inżynierii Lądowej
Politechnika Krakowska
Literatura
1. T. Kisielewicz, Wpływ izolacyjnych, dynamicznych i spektralnych właściwości przegród na bilans cieplny budynków energooszczędnych, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, seria Inżynieria Lądowa, Monografia nr 364, 2008.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 75, poz. 690 z późn. zm.).
3. T. Kisilewicz, Overheating – an unexpected side-effect of decreased heating demand,Proceedings of the 2nd Central European Symposium on Building Physics, Vienna 2013.
4. T. Kisilewicz, Wpływ izolacji termicznej ścian na mikroklimat w budynkach w okresie letnim, artykuł przyjęty do druku w „Materiałach Budowlanych”.
5. J.U. Pfafferott, S. Herkel, D.E. Kalz, A. Zueschner, Comparison of low-energy office buildings in summmer using different thermal comfort criteria, „Energy and Buildings” nr 39/2007, Elsevier.
6. M. Schweiker, S. Brasche, W. Bischof, M. Hawighorst, A. Wagner, Expiaining the individual process leading to adaptive comfort: Expioring physiological, behavioural and psychological reactions to thermal stimuii, „Journal of Building Physics”, Volume 36, No. 4/2013.
7. T. Kisilewicz, Performance of building materials and whole enclosures in nonstationary thermal conditions,artykuł przyjęty do publikacji w „Procedia Engineering”, 2015.
8. A. Zastawna-Rumin, Phase change materials vs, internal temperatura in a building, „Czasopismo Techniczne Architektura” nr 8-A/2014, Politechnika Krakowska.
9. J. Kosny, D. Yarbrough, T.W. Petrie, A. Syed, Performance of thermal insulation containing microancapsulatad phase change materiał, 2007 International Thermal Conductivity Conference, Birmingham, AL.
