1.1. Pojęcie budownictwa energooszczędnego

Zagadnienie energooszczędności budynku opiera się na takich rozwiązaniach w konstruowaniu budynku, które pozwalają na minimalizację start cieplnych co prowadzi do zmniejszenia zużycia energii niezbędnej do celów c.o. i c.w.u.. Warto przy tym zauważyć, że istotne znacznie w tym względzie ma wentylacja budynku, ponieważ nieprawidłowo uszczelniona bryła budynku generuje dodatkowe koszty związanie z podgrzewaniem powietrza. Innymi istotnymi aspektami związanymi z wentylacją budynku jest minimalizacja:

  • zwilgocenia pomieszczeń;
  • rozwoju grzybów;
  • rozwoju pleśni;
  • rozwoju innych mikroorganizmów.

W początkowym okresie budynki energooszczędne projektowano w charakterze obiektów wykazujących się niskim zużyciem energii, co wynikało z przepisów prawa. Zaznaczyć przy tym trzeba, że wyróżnia się w tym kontekście cztery rodzaje budynków:

  • budynek standardowy;
  • budynek energooszczędny;
  • budynek niskoenergetyczny;
  • budynek pasywny.

Na rysunku 8 przedstawiono typologię budynków ze względu na zapotrzebowanie na energię.

Rysunek 8. Typologia budynków ze względu na zapotrzebowanie na energię

Źródło: Rubik M., Pompy ciepła w systemach wykorzystania Odnawialnych Źródeł Energii (OZE) na potrzeby sektora budownictwa energooszczędnego, [w:] Pieńkowski K. (red.), Propozycje wdrożeń Odnawialnych Źródeł Energii na obszarze Polski, Fundacja Innowacyjnej Gospodarki, Białystok 2012, s. 94

Zgodnie z jedną z definicji budynku pasywnego sprzed 30 lat budynek, aby wypełniać definicję takiego obiektu, musiał spełniać warunki zaprezentowane w tabeli 7.

Tabela 7. Elementy definicji budynku energooszczędnego.

L.p. Element
1. sezonowe zapotrzebowanie ciepła do ogrzewania budynku (nie uwzględniając sprawności sytemu grzewczego) nie może przekraczać 15 kWh/(m2 ˟ a)
2. obliczeniowe zapotrzebowanie na moc cieplną przeznaczoną do ogrzewania nie powinno przekroczyć 10 W/m2
3. całkowite zużycie energii końcowej 42 kWh/(m2 ˟ a)
4. całkowite zapotrzebowanie na energię pierwotną nie może przekraczać 120 kWh/(m2.a) zapotrzebowanie to uwzględnia ciepło, które jest zużywane do ogrzewania budynków oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, a także energię elektryczną zużywaną poprzez urządzenia pomocnicze takie jak instalacja, oświetlenie, a także sprzęt AGD i RTV. Zaznaczyć trzeba, że obecnie średnie zapotrzebowanie na energię pierwotną w budynkach mieszkalnych w Polsce wynosi 430÷560 kWh/(m2 ˟ a)

Źródło: Rubik M., Pompy ciepła w systemach wykorzystania Odnawialnych Źródeł Energii (OZE) na potrzeby sektora budownictwa energooszczędnego, [w:] Pieńkowski K. (red.), Propozycje wdrożeń Odnawialnych Źródeł Energii na obszarze Polski, Fundacja Innowacyjnej Gospodarki, Białystok 2012, s. 94

Cechami instalacji w budynkach pasywnych są:

  • Zrównoważona wentylacja mechaniczna nawiewno – wywiewna, która powinna zapewnić warunki komfortu jakości powietrza a także minimalnych strat cieplnych wynikających z jego wymiany
  • Strumień objętości powietrza świeżego:
    • strumień objętości powietrza 30 m3/(h ˟ osobę);
    • krotność wymiany powietrza 0,3÷0,4 1/h;
  • Odzyskiwanie ciepła przy pomocy wymiennika przeciwprądowego zwanego potocznie rekuperatorem o sprawności 75%;
  • Maksymalna temperatura nawiewu mniejsza 52o C;
  • Szczelność budynku 0,6 l/h.

 1.2. Techniczne aspekty budownictwa energooszczędnego

Na energooszczędność domu wpływa szereg czynników. Wśród najbardziej istotnych należy wymienić:

  • architekturę budynku:
    • usytuowanie względem storn świata;
    • rozmieszczenie pomieszczeń;
    • geometrię pomieszczeń;
    • wielkość okien i innych elementów przeszklonych.
  • rozwiązania konstrukcyjne przegród budowlanych;
  • izolacyjnych cieplną przegród budowlanych:
    • ścian;
    • dachu;
    • okien;
  • metodę wentylacji:
    • naturalną;
    • mechaniczną z możliwością odzysku ciepła z powietrza usuwanego z budynku;
  • rodzaj oraz sprawność systemu grzewczego c.o. i c.w.u.;
  • system zarządzania budynkiem pozwalający na optymalne sterowanie produkcją energii.

Zmiana energochłonności budynku w zależności od roku wznoszenie zastała przedstawiona w tabeli 8.

Tabela 8. Zmiana energochłonności budynków w zależności od roku wznoszenia.

Rok budowy do 1974 do 1982 do 1991 do 1998 po 1998 od 2009
Wartość współczynnika przenikania ciepła dla przegród budowlanych Ściany U

[W/m2K]

1,47 1,16 0,75 0,55 0,5 0,3 0,3
Dach U

[W/m2K]

0,87 0,7 0,45 0,3 0,3 0,3 0,25
Stolarka U

[W/m2K]

Brak wymagań Brak wymagań 2,6 2,6 2,6 – 2,0 1,7 – 1,9
Wskaźnik sezonowego zapotrzebowania na ciepła EA [KWh/m2rok 360 – 280 340 – 260 260 – 180 200 – 150 200 – 150 150 – 120 149,5 -73

Źródło: Energooszczędne budownictwo, http://pobierz.rockwool.pl/media/24671/energooszczedne_budownictwo_press.pdf, data odczytu: 5.09.2016 r.

Warto także zauważyć, że skumulowane zużycie energii w całym procesie budowlanym jest uzależnione od takich czynników jak:

  • energochłonność procesu produkcyjnego wyrobu budowlanego, a w szczególności:
    • rodzaju surowca;
    • sposobu jego wydobycia;
    • sposobu przetworzenia;
    • sposobu dostawy do zakładu przetwórczego;
  • energochłonności transportu do miejsca przeznaczenia;
  • energochłonności procesu budowlanego, uzależnionego przede wszystkim od rodzaju wznoszonej konstrukcji;
  • energochłonności budynku w czasie jego eksploatacji, która jest związana z:
    • projektem architektonicznym;
    • rozwiązaniami konstruktywno-materiałowymi (związanymi z izolacyjnością cieplną przegród);
    • rodzajem systemu grzewczego;
    • rodzajem wentylacji;
  • energochłonności likwidacji budynku.

W tabeli 9 przedstawiono główne czynniki wpływające na energochłonność budynku wynikające z lokalizacji obiektu.

Tabela 9. Główne czynniki wpływające na energochłonność budynku, wynikające z lokalizacji obiektu.

L.p. Czynnik
1. Nasłonecznienie
2. Rzeźba terenu
3. Prędkość wiatru
4. Kierunek wiatru
5. Otaczająca zieleń oraz zabudowa
6. Zacienienie
7. Zbiorniki wodne

Źródło: Zimny J., Energia słoneczna – zastosowania dla Polski, Akademia Górniczo-Hutnicza. Materiały dydaktyczne dla Studiów Podyplomowych „Odnawialne Zasoby i Źródła Energii”, Kraków 2010, s. 191

Najbardziej dogodną lokalizacją budynku energooszczędnego jest kierunek północno-zachodni. Warto podkreślić, że bryła obiektu powinna być możliwie zwarta i charakteryzować się mało skomplikowaną formą, co ma minimalizować problem potencjalnych strat ciepła. Istotne jest przy tym także, aby przegrody północne posiadały niewielką powierzchnie okien, dzięki czemu będzie można zapobiegać utratom ciepła. Z kolei przegrody południowe powinny zostać zorientowane na wykorzystywanie energii słonecznej. Istotne jest również zadrzewienie terenu – nie powinno ono zacieniać budynku. W tabeli 10 zaprezentowano niezbędną grubość izolacji dla ścian zewnętrznych.

Tabela 10. Niezbędna grubość izolacji dla ścian zewnętrznych.

 

Rodzaj materiału termoizolacyjnego Przewodność cieplna, W/m2 Wymagana grubość izolacji dla U=0,20 W/m2K, cm Wymagana grubość izolacji dla U=0,15 W/m2K, cm Wymagana grubość izolacji dla U=0,12 W/m2K, cm
Wełna mineralna 0,045 – 0,034 21 – 16 28 – 21 36 – 27
Celuloza 0,043 – 0,037 20 – 17 27 – 23 34 – 29
Styropian spieniany EPS 0,042 – 0,031 19 – 14 26 – 20 33 – 25
Styropian ekstradowany XPS 0,040 – 0,034 19 – 16 25 – 21 32 – 27
Pianka PU 0,035 – 0,025 16 – 12 22 – 16 28 – 20

Źródło: Domy energooszczędne. Podręcznik dobrych praktyk, Krajowa Agencja Poszanowania Energii, s. 6

Przegrody są kluczowe z punktu widzenia energooszczędności budynku. Przegrody zewnętrzne powinny absorbować energię słoneczną i pochłaniać ciepło, a także powinny być masywne, dzięki czemu dopływ ciepła z zewnątrz obiektu będzie opóźniony (nie będzie się za szybko nagrzewał). Podkreślić również trzeba, że w celu minimalizacji strat ciepła konieczna jest izolacja ścian zewnętrznych. Niezbędna grubość izolacji dachu została przedstawiona w tabeli 11.

Tabela 11. Niezbędna grubość izolacji dla dachu.

 

Rodzaj materiału termoizolacyjnego Przewodność cieplna, W/m2 Wymagana grubość izolacji dla U=0,15 W/m2K, cm Wymagana grubość izolacji dla U=0,12 W/m2K, cm Wymagana grubość izolacji dla U=0,10 W/m2K, cm Wymagana grubość izolacji dla U=0,08 W/m2K, cm
Wełna mineralna 0,045 – 0,034 37 – 30 46 – 38 56 – 46 70 – 58
Celuloza 0,043 – 0,037 36 – 32 45 – 40 54 – 49 68 – 61
Styropian spieniany EPS 0,042 – 0,031 35 – 29 44 – 36 53 – 43 66 – 54
Styropian ekstradowany XPS 0,040 – 0,034 34 – 30 43 – 38 51 – 46 64 – 58
Pianka PU 0,035 – 0,025 31 – 25 39 – 32 47 – 38 59 – 48

Źródło: Domy energooszczędne. Podręcznik dobrych praktyk, Krajowa Agencja Poszanowania Energii, s. 18

Ważnym elementem budynku jest również dach. Powinien on zostać wykonany w taki sposób, który sprawi, że jego współczynnik przenikania ciepła będzie zbliżony do przegród zewnętrznych. Obecnie do izolowania poddaszy najczęściej jest stosowana wełna mineralna lub wydmuchiwany granulat izolacyjny. Aby umożliwić ocieplenia fundamentów wykorzystuje się na przykład szkło piankowe, które charakteryzuje się odpornością na ściskanie oraz penetrację wilgoci. W tabeli 12 przedstawiono niezbędną grubość izolacji podłogi na gruncie.

Tabela 12. Niezbędna grubość izolacji dla podłogi na gruncie.

 

Rodzaj materiału termoizolacyjnego Przewodność cieplna, W/m2 Wymagana grubość izolacji dla U=0,20 W/m2K, cm Wymagana grubość izolacji dla U=0,15 W/m2K, cm Wymagana grubość izolacji dla U=0,12 W/m2K, cm Wymagana grubość izolacji dla U=0,10 W/m2K, cm
Wełna mineralna 0,045 – 0,034 22 – 16 29 – 22 37 – 28 44 – 33
Celuloza 0,043 – 0,037 21 – 18 28 – 24 35 – 30 42 – 36
Styropian spieniany EPS 0,042 – 0,031 20 -15 27 -20 34 – 25 41 – 30
Styropian ekstradowany XPS 0,040 – 0,034 19 – 16 26 – 22 32 – 28 39 – 33
Pianka PU 0,035 – 0,025 17 – 12 23 – 16 28 – 20 34 – 24

Źródło: Domy energooszczędne. Podręcznik dobrych praktyk, Krajowa Agencja Poszanowania Energii, s. 18

Warto również podkreślić, że poza odpowiednią izolacją prostych ścian oraz dachu konieczne jest unikanie mostków termicznych. Powodowane przez nie straty ciepła można jednak w znacznym stopniu ograniczyć. Doprowadzić do tego może staranne zaprojektowanie oraz sumienne wykonanie budynku..

Mostki termiczne w miejscu łączenia stropu piwnicy i ścian zewnętrznych przedstawiono na rysunku 9.

 

Rysunek 9. Mostki termiczne w miejscu połączenia stropu piwnicy i ściany zewnętrznej

Źródło: Budownictwo energooszczędne – pasywne, http://www.ewfe.com.pl/info-porady/artykul-bud-pasywne-1207.pdf, data odczytu: 23.09.2016 r.

1.3. Technologie zastosowania OZE w budownictwie

W przypadku wykorzystania energii słonecznej do ogrzewania wykorzystuje się kolektory słoneczne. Odbywa się to m. in. poprzez konwersję fototermiczną, w której energia promieniowania słonecznego przemieniana jest w ciepło, które jest użyteczne w systemach niskotemperaturowych. Wskazuje się na główne typy tego rodzaju systemów:

  • aktywnych wykorzystywanych w trzech celach:
    • podgrzewania ciepłej wody użytkowej;
    • podgrzewania wody w basenach w okresie letnim;
    • wspomagania niskotemperaturowego centralnego ogrzewania w postaci ogrzewania podłogowego lub ściennego;
  • pasywnych, w których dochodzi do konwersji energii promieniowania w sposób naturalny, który nie jest wymuszony działaniem urządzeń mechanicznych. W takim przypadku zamiana odbywa się w oparciu o procesy wynikające z fizyki budowli. Elementy, które bezpośrednio odpowiadają za tę przemianę to:
    • okna;
    • ściany;
    • specjalnie zaprojektowane rozwiązania, które ingerują w strukturę budynku.

Najbardziej popularnymi urządzeniami, wykorzystywanymi do podgrzewania wody użytkowej, są kolektory słoneczne. Głównym zadaniem instalacji kolektorów słonecznych jest jak najefektywniejsze ogrzanie wody użytkowej, a nawet ogrzewanie pomieszczeń, basenów czy jacuzzi. Instalacja kolektorów słonecznych jest skomponowana z wielu urządzeń. Składa się najczęściej z:

  • rur próżniowych połączonych modułowo;

  • zasobnika ciepłej wody użytkowej z podwójną wężownicą (biwalentny);

  • stacji solarnej z pompą obiegową, naczyniem przeponowym, zaworem bezpieczeństwa oraz przepływomierzem;

  • sterownika instalacji solarnej z czujnikami temperatury;

  • linii solarna wykonana z miedzi miękkiej wraz z izolacją;

  • konstrukcji wsporczej, elementy przyłączeniowe;

  • płynu solarnego.

Poszczególne elementy kolektora połączone są ze sobą równolegle lub szeregowo poprzez specjalne złączki. Złączki wykonane są w technologii spiralnej, co gwarantuje utrzymanie szczelności połączeń w każdej temperaturze. Odległość pomiędzy poszczególnymi płytami to 3-5 cm. Nie zaleca się łączenia płyt wykonanych w różnych technologiach. Związane to jest z indywidualną technologią produkcji każdego wytwórcy. Płyty połączone ze sobą tworzą moduły. Moduły takie pozwalają uzyskać określonej wielkości absorber, który zapewni odpowiednią ilość ciepła dla poszczególnych instalacji. Najmniejszy zespół tworzą dwie płyty i zasobnik ciepłej wody o pojemności 200l. Istotą działania jest absorbcja jak największej ilości promieni słonecznych oraz oddanie tego ciepła do czynnika roboczego, który jest bardzo ważnym elementem systemu. Jest to najczęściej mieszanina wody utlenionej z glikolem propylenowym o temperaturze krzepnięcia do -35ºC. Czynnik ten zabezpiecza instalacje przed zamarzaniem zimą i pozwala na działanie systemu przez cały rok. Podgrzany do odpowiedniej temperatury glikol, przenosi ciepło do drugiej części instalacji czyli odbiornika. Elementy te są połączone ze sobą linią solarną czyli najczęściej jest to miedź miękka Cu22 w izolacji z chlorokauczuku. Standardowym odbiornikiem ciepła jest zasobnik ciepłej wody użytkowej z wysokowydajną wężownicą lub wymiennik ciepła. Wężownica pozwala na oddanie energii z glikolu do wody i jej ogrzanie. Następnie schłodzony czynnik wraca ponownie do kolektora i zostaje nagrzany, proces zostaje powtórzony. Jednym z najważniejszych elementów całego systemu jest stacja solarna, w której znajduje się pompa obiegowa, armatura zabezpieczeniowa oraz czujnik temperatury. Sterownik instalacji, do którego zostają podłączone czujniki temperatur a także pompa obiegowa steruje zdalnie całym procesem. Na podstawie różnicy temperatur kolektora oraz odbiornika ciepła, uruchamia pompę obiegową. Wymusza ona obieg czynnika roboczego przenosząc ciepło z absorbera do odbiornika. Pompa obiegowa musi być przygotowana do pracy w bardzo wysokich temperaturach. Najczęściej jest to Wilo StarZ 1-7 lub Grundfos Alpha 2 25-60 z wirnikiem mosiężnym. W stacji solarnej znajduje się przepływomierz z rotametrem. Ten element pozwala na regulację przepływu glikolu przez instalację. Jest to kluczowy parametr, którą zostaje określany podczas uruchomienia instalacji. Wielkość przepływu dobierana jest na podstawie ilości zamontowanych płyt kolektora oraz długości przewodów linii solarnej. Proces napełniania instalacji płynem realizuje się poprzez specjalną pompę napełniająca z separatorem powietrza oraz odpowiednim sprężem dyspozycyjnym. Najważniejsze jest to, aby glikol nie posiadał pęcherzyków powietrza, które mogą z czasem zablokować przepływ cieczy. Pompa posiada w sobie separator powietrza, który oddziela pęcherzyki powietrza, tym samym, instalacja zostaje napełniona odseparowanym glikolem. Końcowym elementem napełniania jest określenie ciśnienia glikolu jaki powinien panować w instalacji. Najczęściej w instalacjach kolektorów słonecznych dla budynków jednorodzinnych, panuje cieśnienie 1,6 – 2,8 bar. Wahania ciśnienia instalacji są nieuniknione ponieważ płyn zwiększa lub zmniejszą swoją objętość wraz ze zmianą temperatur. Elementem, który minimalizuje te wahania jest przeponowe naczynie zbiorcze dla układów zamkniętych. Zbudowane jest z pęcherza, na który naciska sprężone powietrze. Sam gumowy pęcherz zostaje podłączony bezpośrednio do płynu solarnego i przy wzroście ciśnienia w instalacji przejmuje nadmiar glikolu do swojego wnętrza. W momencie spadku ciśnienia, sprężone powietrze naciska na gumowy pęcherz powodując powrót płynu do instalacji, dzięki czemu wahania ciśnienia zostają zminimalizowane do 10%.

Biorąc pod uwagę budowę samych płyt kolektora słonecznego, możemy rozróżnić dwa rodzaje:

  • kolektory płaskie (niskotemperaturowe) – temperatura czynnika grzewczego od 100 do 200ºC,

  • kolektory próżniowe (średniotemperaturowe) – temperatura czynnik grzewczego do 270ºC, heat-pipe do 300ºC.

Kolejnym rozwiązaniem wykorzystywanym w budownictwie i związanym z wykorzystaniem promieni słonecznych jako źródła energii są systemy fotowoltaiczne, które służą do wytwarzania energii elektrycznej. Całkowita światowa produkcja modułów fotowoltaicznych wyniosła 4279 MWp w 2007 roku. Oznacza wzrost o 69 w stosunku do roku poprzedniego. O popularności wykorzystania tej technologii świadczy także stosunkowo wysoki średni roczny wzrost jej wykorzystania w ostatniej dekadzie, który kształtuje się na poziomie 30%. Oznacza to, że obok elektrowni wiatrowej, systemy fotowoltaiczne są najdynamiczniej rozwijającą się technologią odnawialnych źródeł energii.

Zdarza się, że w budownictwie wykorzystuje się również niewielkie siłownie wiatrowe, których konstrukcja jest zbliżona do dużych takich obiektów. Typowa siłownia wiatrowa o poziomej osi obrotu składa się następujących podstawowych elementów:

  • wirnika;
  • przekładni mechanicznej;
  • generatora elektrycznego;
  • gondoli, wieży.