Analiza parametrów budynku dostosowanego do standardu pasywnego według kryteriów Passive House Institute

Budownictwo pasywne jest konsekwencją coraz wyższych wymagań użytkowników względem zapewnienia komfortu klimatycznego w środowisku wewnętrznym przy jednoczesnym obniżeniu kosztów eksploatacji budynku. Definiowane jest możliwością spełnienia kilku kryteriów, wśród których dwa wiodące to wskaźnik energetyczny charakteryzujący wartość zapotrzebowania na energię na cele ogrzewania nieprzekraczający 15 kWh na m² powierzchni ogrzewanej w ciągu roku oraz wskaźnik energii pierwotnej, który powinien być mniejszy niż 120 kWh/(m² rok) – tabela 1. Nastawienie na integralne projektowanie wymaga jednoczesnego spełnienia m.in. takich kryteriów, jak:

• zapewnienie współczynnika przenikania ciepła przez przegrody zewnętrzne poniżej 0,15 W/(m²·K),
• ograniczenie do minimum mostków cieplnych,
• wysoka szczelność powietrzna bryły budynku,
• osiągnięcie niskiego współczynnika przenikania ciepła przez okna przy jednoczesnym wysokim współczynniku przepuszczalności promieniowania słonecznego,
• stosowanie systemu wentylacji z odzyskiem ciepła,
• ograniczenie strat ciepła w instalacji przygotowania i dystrybucji c.w.u.,
• zapewnienie wysokiej efektywności wykorzystania energii elektrycznej [5, 6, 8, 9].

Istotnym aspektem podczas projektowania budynku pasywnego, poza kształtem i złożonością bryły, jest jego usytuowanie względem stron świata. Przemyślana lokalizacja przeszkleń, odpowiedni dobór ich wielkości jak również zastosowanie elementów zacieniających pozwala na wykorzystanie pasywnego źródła ciepła, jakim jest promieniowanie słoneczne, do ogrzania pomieszczeń, tak aby jednocześnie zapobiec przegrzewaniu się budynku w okresie wiosenno-letnim [3].

Podczas projektowania obiektów nisko­energetycznych dużą wagę przywiązuje się do integralnej współpracy międzybranżowej oraz dokładnej weryfikacji każdego etapu wznoszenia obiektu. Narzędziem, które pomaga kontrolować proces projektowania, jest pakiet do projektowania budynków pasywnych (PHPP – niem. Passivhaus-Projektierungspaket), będący podstawą do opracowania niniejszej analizy.

Opis analizowanego budynku

Analizie poddano projekt budynku jednorodzinnego o powierzchni użytkowej 233,5 m², przeznaczonego dla pięcioosobowej rodziny (rys. 1). Parametry, które zostały przyjęte jako stałe do przeprowadzenia analizy, to: kształt budynku, lokalizacja drzwi i okien w bryle oraz instalacja wentylacji mechanicznej zrównoważonej, określona na nominalny strumień powietrza nawiewanego wynoszący 350 m³/h. Jako źródło ciepła przyjęto kocioł gazowy kondensacyjny. W analizie nie uwzględniono zastosowania gruntowego wymiennika ciepła.

Wariant bazowy

W tabeli 2 przedstawiono parametry elementów wariantu bazowego, dla którego uzyskano wskaźnik zapotrzebowania na energię na cele ogrzewania równy 15 kWh/(m² rok). To wariant podstawowy, będący punktem wyjściowym do analizy wpływu modyfikacji poszczególnych parametrów istotnych przy projektowaniu budynku pasywnego.

W wariancie bazowym dla okresu letniego, w którym zyski ciepła są zjawiskiem niepożądanym, współczynnik zacienienia dla okien po stronie południowej i południowo-wschodniej przyjęto na poziomie 24% i jest to jednoznaczne z zastosowaniem rolet zewnętrznych.

Okna zamontowane będą w warstwie izolacji (styropian grafitowy). Przyjęto dach o konstrukcji szkieletowej, natomiast izolację płyty fundamentowej stanowi szkło piankowe.

Budynek projektuje się w III strefie klimatycznej. Założono temperaturę środowiska wewnętrznego dla okresu letniego nieprzekraczającą 25°C, natomiast dla okresu zimowego nie niższą od 20°C. Usytuowanie obiektu względem stron świata przedstawiono na rys. 2.

Na bilans cieplny analizowanego budynku składają się:

• straty ciepła wynikające z:
  • mostków cieplnych,
  • przenikania ciepła przez przegrody nieprzezroczyste (ściany zewnętrzne, dach, podłogę na gruncie),
  • przenikania ciepła przez przegrody przezroczyste (okna, drzwi),
  • wymiany ciepła na drodze wentylacji (naturalnej bądź mechanicznej);
• zyski ciepła pochodzące:
  • z promieniowania słonecznego: bezpośredniego (elementy przeszklone) lub pośredniego (poprzez absorpcję ciepła zewnętrznych przegród pełnych),
  • od ludzi, oświetlenia i urządzeń elektrycznych,
  • z ogrzewania (kocioł kondensacyjny).

Na rys. 3 przedstawiono bilans energii wygenerowany przez pakiet do projektowania budynków pasywnych (PHPP). Istotne znaczenie w bilansie energetycznym budynków tego typu odgrywają okna. Zgodnie z wykresem zyski ciepła pochodzące od promieniowania słonecznego przewyższają utratę ciepła na skutek przenikania przez okna, co oznacza poprawne usytuowanie powierzchni przeszklonych w bryle budynku.

Wyniki analizy zmiany parametrów elementów składowych budynku pasywnego

Lokalizacja budynku względem stron świata

Na rys. 4, rys. 5 i rys. 6 przedstawiono trzy warianty zorientowania budynku względem stron świata:

• zmiana o 90° w odniesieniu do orientacji budynku bazowego powodująca wzrost zapotrzebowania na energię do ogrzania z 15 na 20,7 kWh/(m² rok),
• zmiana o 180° w odniesieniu do orientacji budynku bazowego powodująca wzrost zapotrzebowania na energię do ogrzania z 15 na 24 kWh/(m² rok),
• zmiana o 270° w odniesieniu do orientacji budynku bazowego powodująca wzrost zapotrzebowania na energię do ogrzania z 15 na 21 kWh/(m² rok).

W tabeli 3 przedstawiono wymagane grubości izolacji termicznej przegród zewnętrznych o określonych współczynnikach przewodzenia ciepła w odniesieniu do zmiany orientacji obiektu względem stron świata, pozwalające na redukcję do 15 kWh/(m2 rok) zapotrzebowania na energię na cele ogrzewania za pomocą samej warstwy izolacyjnej. Uzyskane wartości wskazują na silny wpływ zmian orientacji budynków na zużycie energii.

Analiza pokazuje trudność doprowadzenia do standardu pasywnego już istniejących obiektów o niepoprawnym usytuowaniu względem stron świata i skomplikowanej bryle. Często rezygnuje się z takiego zabiegu m.in. ze względu na zbyt wysokie koszty inwestycyjne, dewaluowanie bryły budynku lub ograniczenie powierzchni użytkowej.

Wpływ niekorzystnie zlokalizowanego okna (po stronie północnej)

Po usunięciu okna od strony północno-zachodniej o wymiarach 0,8×3,0 m (rys. 7) zapotrzebowanie na energię na cele ogrzewania maleje o 1 kWh/(m²·rok).

Zabieg pokazuje, jak ważne dla budynków pasywnych jest zaprojektowanie układu funkcjonalno-przestrzennego w taki sposób, żeby ograniczyć ilość przeszkleń po stronie północnej.

Izolacja termiczna

W tabeli 4 i tabeli 5 oraz na rys. 8 i rys. 9 przedstawiono wpływ zwiększania wyłącznie grubości izolacji termicznej ścian (λ = 0,031 W/(m K)) lub dachu (λ = 0,038 W/(m K)) na wartość zapotrzebowania na energię na cele ogrzewcze.Dokonując prostych przeliczeń, można zaobserwować, że postępujące zwiększanie grubości izolacji termicznej staje się coraz mniej efektywne. Przy zwiększaniu grubości izolacji, dokładając kolejne 10 cm aż do osiągnięcia grubości przegrody równej 0,6 m, zapotrzebowanie na cele ogrzewania spada sekwencyjnie o 1 kWh. Przy dokładaniu kolejnych 10 cm różnica zaczyna się zacierać, przez co dalsze zwiększanie grubości izolacji cieplnej przestaje być efektywne ekonomicznie.

Szczelność powietrzna

Szczelność powietrzna budynku pasywnego weryfikowana jest podczas testu szczelności wykonywanego w określonych warunkach atmosferycznych. Efektem badania jest określenie współczynnika n50, definiowanego jako krotność wymian powietrza znajdującego się w budynku w ciągu godziny przy różnicy ciśnień pomiędzy wnętrzem a otoczeniem obiektu równej 50 Pa (pomiaru dokonuje się najpierw dla nadciśnienia, a następnie dla podciśnienia). W budynku pasywnym wartość współczynnika n50 powinna wynosić nie więcej niż 0,6 1/h. Dla analizowanego obiektu wzrost parametru n50 o 0,1 1/h skutkuje zwiększeniem wartości wskaźnika zapotrzebowania na energię na cele ogrzewcze o 1 kWh/(m²·a) (tabela 6, rys. 10).

Sprawność odzysku ciepła

Efektywnym i oszczędnym sposobem zapewniającym dostarczenie odpowiedniej ilości świeżego powietrza do budynków pasywnych jest użycie mechanicznej wentylacji z odzyskiem ciepła, m.in. za pomocą rekuperatorów.

Analiza sprawności odzysku ciepła, której wyniki przedstawiono w tabeli 7 i na rys. 11, potwierdza wpływ sprawności odzysku ciepła na ilość energii zużytej na cele ogrzewcze obiektu. Przy wysokiej efektywności rekuperacji równej 89% uzyskano wynik 15 kWh/(m²·a), który po obniżeniu sprawności o 13% znacząco wzrósł – do 19 kWh/(m²·a).

Stolarka okienna

Stolarka okienna pełni zasadniczą funkcję w bilansach energetycznych budynku w standardzie pasywnym, ponieważ jednocześnie generuje zyski oraz odpowiada za straty. Latem dla przeszkleń znajdujących się na fasadzie południowej wysoki współczynnik absorpcji promieniowania słonecznego jest przyczyną przegrzewania pomieszczeń, aczkolwiek zimą w znacznym stopniu odpowiada za ich naturalne dogrzanie. Z tego względu ważne jest zapewnienie odpowiedniego zacienienia przeszkleń, które latem ograniczy zyski ciepła, natomiast zimą umożliwi bezpośrednie padanie promieniowania słonecznego na powierzchnię przezroczystą, co wpływa korzystnie na zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło na cele ogrzewcze budynku.

Wpływ zmian oszklenia na wartość wskaźnika zapotrzebowania na energię na cele ogrzewcze:

• 17 kWh/(m²·rok)
  • oszklenia: g = 0,49, U_g = 0,49 W/(m²·K),
  • ramy: U_f = 0,81 W/(m²·K), grubość górna, lewa, prawa = 0,12 m, dolna = 0,15 m;
• 18 kWh/(m²·rok)
  • oszklenia: g = 0,49, U_g = 0,64 W/(m²·K),
  • ramy: U_f = 0,81 W/(m²·K), grubość górna, lewa, prawa = 0,12 m, dolna = 0,15 m.

Wpływ zmian ramy okiennej na wartość wskaźnika zapotrzebowania na energię na cele ogrzewcze:

• 13 kWh/(m² rok) uzyskano przy parametrach:
  • oszklenia: g = 0,62, U_g = 0,6 W/(m²·K),
  • ramy: U_f = 0,6 W/(m²·K), grubość górna, lewa, prawa = 0,08 m, dolna = 0,1 m;
• 16 kWh/(m² rok) uzyskano przy parametrach:
  • oszklenia: g = 0,62, U_g = 0,6 W/(m²·K),
  • ramy: U_f = 0,78 W/(m²·K), grubość górna, lewa, prawa = 0,13 m, dolna = 0,16 m.

Osłonięcie przed wiatrem  i strefy klimatyczne w Polsce

Osłonięcie budynku przed wiatrem oraz przypisanie do danej strefy klimatycznej to ograniczenia narzucane na inwestora dysponującego działką w konkretnie określonej lokalizacji geometrycznej. Dla analizowanego budynku różnica pomiędzy najmniej i najbardziej korzystną wartością wskaźnika określającego zapotrzebowanie na energię na cele ogrzewania, wynikająca z różnego typu osłonięcia, równa jest 2 kWh/(m²·rok) (tabela 8).

Z kolei dla różnych stref klimatycznych na terenie Polski (rys. 12) różnica ta jest równa 5 kWh/(m²·rok) (tabela 9). Wartości zapotrzebowania na energię na cele ogrzewania dla kolejnych stref w Polsce zostały wyliczone na podstawie danych klimatycznych, które proponuje PHPP. Dla uzyskania dokładniejszych wyników obliczenia powinny być prowadzone indywidualnie dla każdej inwestycji z uwzględnieniem danych klimatycznych pochodzących z najbliższej stacji meteorologicznej.

Wnioski

W artykule przedstawiono wyniki analiz dla budynku jednorodzinnego projektowanego w standardzie pasywnym określonym przez Passive House Institute w Darmstadt.

Wyznaczone wartości wskaźnika zapotrzebowania na energię na cele ogrzewania oraz wskaźnika zapotrzebowania na energię pierwotną pozwoliły określić, w jakim stopniu możliwe jest zrekompensowanie gorszych parametrów jednego z elementów struktury budynku innym o lepszych właściwościach.

Dla uzyskania zoptymalizowanych rozwiązań nie bez znaczenia pozostaje jednoczesność spełnienia wszystkich kryteriów.

Udowodniono, jak ważne jest odpowiednie zorientowanie budynku względem stron świata, dobór materiałów i komponentów, zastosowane technologie oraz dokładność przy projektowaniu będąca podstawą do wykonania budynku o wysokiej jakości.

Podczas projektowania budynków pasywnych i energooszczędnych szczególną rolę odgrywa bryła budynku.

Dla zwartych struktur z oknami rozmieszczonymi na fasadzie południowej przy jednoczesnym unikaniu przeszkleń od strony północnej otrzymuje się zdecydowanie lepsze wskaźniki niż w przypadku zastosowania komponentów o takich samych parametrach dla budynków o skomplikowanych kształtach z dużymi powierzchniami przeszklonymi w fasadzie północnej.

Rozwój technologii budowlanych oraz coraz większy wybór materiałów sprawia, że coraz mniejszym nakładem finansowym można realizować obiekty o ciekawej architekturze i jednocześnie wysoce energooszczędne eksploatacyjnie.

Odpowiednie zacienienie okien w okresie letnim to kolejny ważny aspekt, ponieważ o ile zimą promieniowanie słoneczne pozytywnie wpływa na bilans cieplny, latem jest zjawiskiem niepożądanym.

Charakterystycznym rozwiązaniem dla budynków pasywnych jest montaż okien w warstwie ocieplenia nazywany „ciepłym montażem”, minimalizujący wielkość mostków termicznych na styku ościeżnic z murem.

Podczas wyznaczania wskaźnika zapotrzebowania na energię pierwotną istotne znaczenie ma sprawność instalacji grzewczych i wentylacyjnych z odzyskiem ciepła. Poprawnie zaprojektowane układy są odpowiedzialne za zapewnienie wysokich parametrów komfortu klimatycznego w budynku.

W celu zapewnienia wewnątrz budynku mikroklimatu przyjaznego użytkownikom podczas projektowania należy się kierować wszystkimi zasadami budownictwa zrównoważonego. Dobrym przykładem braku konsekwencji przy realizacji budynków energooszczędnych jest zapewnienie wysokiej szczelności termicznej oraz powietrznej bez zagwarantowania odpowiedniej ilości dostarczanego świeżego powietrza do pomieszczeń oraz wyrzutu powietrza zużytego.

Jednym z najczęściej spotykanych problemów w nowo powstających budynkach oraz w obiektach po przeprowadzonej termomodernizacji jest brak skutecznej wentylacji.

Coraz szczelniejsze bryły zmniejszają skuteczność działania wentylacji grawitacyjnej, prowadząc do zbyt małej krotności wymian powietrza zużytego na świeże, a negatywne tego skutki widoczne są nawet gołym okiem jako następstwo skraplania się pary wodnej na szybach i ścianach, powodując przyjazne warunki do rozwoju grzybów i pleśni mogących skutkować chorobami dróg oddechowych użytkowników. Dodatkowo wilgotne powietrze o dużej pojemności cieplnej trudniej ogrzać niż suche, co generuje niepotrzebne koszty.

Projektowanie budynków pasywnych to świadomy proces, a jego wynikiem są obiekty o wysokiej jakości, w przypadku których koszty eksploatacyjne utrzymania parametrów komfortu klimatycznego są niższe w porównaniu z tradycyjnymi obiektami, co przyczynia się m.in. do zwiększenia wartości obiektu.

Wszystkie zjawiska związane z promieniowaniem słonecznym opisano w odniesieniu do półkuli północnej.

Literatura

1. Feist W., Podstawy budownictwa pasywnego, Polski Instytut Budownictwa Pasywnego, Gdańsk 2007.
2. Firląg S., Witkowska E., Instalacje c.o., c.w.u. i wentylacji w budynkach energooszczędnych NF40 i NF15, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2013.
3. Jadwiszczak P., Budynek energooszczędny – wprowadzenie, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2013.
4. Passivhaus Institut Darmstadt, Active for more comfort: Passive House. Information for property developers, contractors and clients, International Passive House Association, Darmstadt 2014.
5. Passive House Planning Package PHPP. Energy balance and Passive House Design Tool for quality approved Passive Houses and EnerPHit retrofits, Passive House Institute.
6. Wnuk R., Dominiak P., Budowa domu pasywnego krok po kroku, „Przewodnik Budowlany”, Warszawa 2007.
7. Wnuk R., Instalacje w domu pasywnym i energooszczędnym, „Przewodnik Budowlany”, Warszawa 2007.
8. www.passiv.de (20.02.2015).
9. www.pibp.pl (20.02.2015).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!