Wykorzystanie strategii pasywnych w projektowaniu jednorodzinnych budynków energooszczędnych

Rozwiązania pasywne nie wymagają dostarczania energii z zewnątrz i są często ściśle powiązane ze strukturą budynku. Proces projektowy, podczas którego to forma i funkcja obiektu stają się nadrzędnym problemem, w oderwaniu od zagadnień energetycznych, nie pozwala wydajnie kreować budownictwa energooszczędnego.

Projektowanie budynków o obniżonym zapotrzebowaniu na energię powinno uwzględniać zagadnienia energetyczne już we wstępnej fazie koncepcji. Ponieważ odpowiednia orientacja budynku, struktura, kształt oraz wykorzystane materiały wpływają na jego energochłonność, świadomość konsekwencji podjętych przez projektanta decyzji może spowodować zmniejszenie udziału rozwiązań aktywnych w kosztach użytkowania budynku lub wydajne ich wspomaganie [2].

Stosowanie rozwiązań pasywnych powinno być analizowane na równi z rozwiązaniami wysoko zaawansowanymi technologicznie. Ich potencjał pozostaje jednak nadal niewykorzystywany w dostatecznym stopniu.

Rozwiązania, które opierają się na prostych zjawiskach fizycznych, mają przeważnie swoje odzwierciedlenie w formie architektonicznej. Są często kontrowersyjne pod względem formy i wymagają dużo większego zaangażowania architekta w proces projektowy. Powiązane są z gabarytami, proporcjami, kształtem, optymalizacją bryły obiektu (A/V), kształtowaniem elewacji oraz rozwiązaniem detali architektonicznych. Uzależnienie od struktury budynku powoduje, że ich wykorzystanie powinno zostać zaplanowane już na wstępnym etapie koncepcji.

W ostatniej dekadzie mocno promowane było wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii i zmniejszanie zapotrzebowania budynków na energię. Wiele z wybudowanych obiektów referencyjnych w państwach Unii Europejskiej zaprojektowano ze szczególnym uwzględnieniem strategii pasywnych.

Ponieważ między kształtowaniem architektury a gospodarowaniem energią zachodzi ścisła zależność, przekłada się to na sprawność energetyczną i mikroklimat budynku. Projektowanie uwzględniające tę zależność prowadzi często do kształtowania charakterystycznych rozwiązań architektonicznych, łatwo odczytywalnych w realizacjach.

Europejski pakiet energetyczno-klimatyczny zakłada zmniejszenie emisji CO₂ o 20% oraz zwiększenie udziału OZE o 20%. Budynki projektowane od 2020 r. będą musiały osiągnąć poziom prawie zerowego zużycia energii. Jest to duże wyzwanie pod względem technologii i sposobu użytkowania dla współczesnej architektury, które podejmowane jest przez wielu europejskich deweloperów i projektantów.

W procesie optymalizacji założeń projektowych poza symulacjami warto zwrócić uwagę na zrealizowane obiekty, poddane badaniom na etapie użytkowania. Wnioski wyciągnięte z weryfikacji założeń projektowych i użytkowania wzorcowych obiektów mogą być pomocne przy realizacji budynków o znacznie zmniejszonym zapotrzebowaniu na energię.

Gospodarowanie energią w budynku z uwzględnieniem strategii pasywnych

Strategie pasywne odwołują się do rozwiązań mających na celu zmniejszenie zapotrzebowania budynku na energię grzewczą i do chłodzenia, które nie wymagają dostarczenia prądu, a przepływ nośnika energii, którym jest w większości przypadków powietrze, następuje w sposób niewymuszony mechanicznie. Rozwiązania te obejmują obieg, pobór, odzysk i zachowanie energii. W systemach aktywnych natomiast przemiana energii słonecznej lub kinetycznej w użytkową następuje z udziałem urządzeń zasilanych energią zewnętrzną.

Bazując na strategiach pasywnych w zakresie poboru, najpopularniejszym źródłem energii jest nasłonecznienie. Wynika to z najszerszego dostępu do energii w takiej postaci oraz dużych możliwości jej wykorzystania w postaci zysków bezpośrednich do ogrzewania.

Niestety wysoki poziom promieniowania słonecznego nie zbiega się z okresem grzewczym budynku. Wymaga to więc od projektanta odniesienia się do energii solarnej w zakresie trzech odrębnych strategii: ogrzewania, chłodzenia i oświetlenia dziennego. W powiązaniu z kształtowaniem przestrzennym architektury współzależność tych zagadnień i ich odmienna funkcja może powodować konflikty, którym należy przeciwdziałać. Stosowanie odpowiednich rozwiązań powoduje, że poszczególne elementy architektoniczne i struktury budynku zyskują dodatkową funkcję – energetyczną.

Pozyskiwanie energii słonecznej bezpośrednio wiąże się z usytuowaniem budynku na działce, orientacją i kształtowaniem elewacji pod względem proporcji powierzchni przeziernej do pełnych ścian. Na poprawne gospodarowanie pozyskanym w ten sposób ciepłem wpływa odpowiedni sposób akumulacji energii w elementach budynku o dużej pojemności cieplnej oraz właściwe jej rozprowadzanie.

Latem obniżenie zapotrzebowania na energię można osiągnąć przez ochronę przed promieniami słonecznymi. Obniżanie temperatury powinno być wspomagane przez wykorzystanie systemów opierających się na zasadzie działania komina słonecznego, łapacza wiatru lub innych rozwiązań architektonicznych pozwalających na pozbycie się nadmiaru energii cieplnej.

Zapewnienie odpowiedniego oświetlenia dziennego można rozpatrywać również w kontekście energooszczędności, poprzez dobór odpowiedniego światła dla różnie funkcjonujących przestrzeni. Jakość i rodzaj oświetlenia wpływają na komfort użytkowania poszczególnych pomieszczeń w budynku.

Zachowanie energii to strategia pasywna polegająca na ochronie przed utratą ciepła poprzez zapewnienie odpowiedniej izolacyjności i szczelności przegród zewnętrznych. Do elementów izolujących zaliczyć można rozwiązania zarówno ograniczające straty ciepła, jak i chroniące przed nadmiarem zysków solarnych.

Odpowiednie grupowanie pomieszczeń pod względem komfortu cieplnego oraz wykorzystanie ciepła odpadowego również prowadzi do ograniczenia zużycia energii eksploatacyjnej budynku [2].

Implementacja strategii pasywnych na przykładzie realizacji brytyjskich

Budynek jednorodzinny wybudowany w ramach kampanii Velux Model Homes 2020

Budynek w zabudowie bliźniaczej o nazwie CarbonLight Homes został zaprojektowany przez londyńskie biuro architektoniczne HTA. Obiekt wybudowano w 2011 r. w Rothwell jako ostatni z pierwszej serii budynków w ramach projektu Model Homes 2020. Dom osiągnął poziom 4 według kryteriów oceny Code for Sustainable Homes [7]. 

Przedsięwzięcie firmy Velux ma na celu stworzenie modelowych domów o bardzo niskiej emisji CO₂ dla różnych części Europy. Realizacja prototypu, który jest zamieszkany i poddawany ciągłym badaniom, pozwala zweryfikować założenia. Wyciągnięte wnioski mają służyć rozwojowi zrównoważonego budownictwa. Jest to niezwykle ważne dla projektu, który ma promować przyjazne budynki mieszkalne o niskim poziomie emisji CO₂.

CarbonLight jest zespołem dwóch domów zlokalizowanych na typowych dla Wielkiej Brytanii wąskich i długich działkach. Charakter budynku odwołuje się do zabudowy szeregowej o wąskim froncie i głębokim trakcie. Układ taki powoduje, że budynek ma niewielką liczbę przegród zewnętrznych w stosunku do powierzchni kondygnacji [4]. 

Redukcja powierzchni ścian stykających się bezpośrednio ze środowiskiem zewnętrznym ogranicza możliwość utraty ciepła przez dobrze zaizolowane ściany. Wszystkie przegrody zewnętrzne, w tym płyta fundamentowa, mają współczynnik przenikania ciepła na poziomie U = 0,11 W/m²K [4].

Dom zorientowany jest na osi wschód­–zachód. Na krótkiej połaci wschodniej zlokalizowane są kolektory słoneczne dostarczające ciepłą wodę użytkową. Połać od strony zachodniej ma dużo większą powierzchnię, na której usytuowano okna doświetlające strefę dzienną. Wraz ze w znacznym stopniu przeszkloną elewacją stanowią one pasywny system bezpośrednich zysków solarnych. To rodzaj szklarni będącej archetypiczną formą budownictwa słonecznego [8].

Do wszystkich pomieszczeń w budynku zapewniono bardzo dobry dostęp światła dziennego [4]. Stosunek powierzchni szklenia w oknach do powierzchni użytkowej budynku wynosi aż 25%. Jest to współczynnik trzykrotnie wyższy od wymaganego przez brytyjskie prawo dla nowych budynków. Wynika to z jednego z głównych założeń projektowych, jakim jest zapewnienie wysokiej jakości oświetlenia naturalnego.

Wszystkie okna połaciowe wyposażone są w zintegrowane przesłony przeciwsłoneczne. Warstwowa budowa zapewnia zwiększoną o 34% izolacyjność przegrody. Latem przesłony chronią budynek przed przegrzewaniem, ograniczając dostęp promieni słonecznych. Zimą zmniejszają straty ciepła w okresie niedostatku promieniowania. Opuszczanie żaluzji na noc znacząco ogranicza utratę energii cieplnej przez okna.

W budynku zapewniony został wydajny system wentylacji naturalnej.Kluczowym elementem jest wysoki, sięgający ostatniej kondygnacji salon (rys. 1). We wnętrzu biegnącym przez trzy kondygnacje pod zachodnią połacią dachu uzyskany został w sposób niewymuszony przepływ powietrza. Jest to efekt zbliżony do zasady działania komina grawitacyjnego lub komina słonecznego. 

Ciepłe powietrze unosi się do góry i wypuszczane jest przez okna znajdujące się w prawie najwyższym punkcie dachu. Chłodne powietrze napływa do środka budynku przez nisko zlokalizowane otwory okienne. Uzyskany w ten sposób ciąg powietrza we wnętrzu zapewnia pasywne chłodzenie latem poprzez przewietrzanie budynku w nocy. 

Wydajność regulowana jest przez otwieranie lub zamykanie wysoko usytuowanych okien ponad pustą przestrzenią nad salonem [6]. Wokół tak zaprojektowanej przestrzeni, pełniącej funkcję komina dla pasywnej wentylacji i chłodzenia, rozmieszczone zostały poszczególne pomieszczenia. Pozwala to zachować bardzo dobrą jakość powietrza i wysoki komfort użytkowania. W budynku całkowicie zrezygnowano z wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła na rzecz strategii pasywnych. 

Strefowanie mikroklimatyczne uzależnione jest przede wszystkim od pasywnych zysków solarnych i zapewnienia oświetlenia naturalnego pomieszczeniom przeznaczonym na pobyt mieszkańców [8]. Sypialnie, kuchnia i salon stykają się z przegrodami zewnętrznymi – zapewnia to dobry dostęp światła dziennego. Łazienki i pomieszczenia techniczne są ciemne, zlokalizowane w większości wewnątrz rzutów przy ścianie działowej z sąsiadem.

Rozmieszczenie pomieszczeń przedstawia rys. 2. Takie rozwiązanie obniża energochłonność budynku dzięki ograniczeniu styku ze ścianami zewnętrznymi pomieszczeń o wyższej temperaturze. 

Modelowy dom jednorodzinny Kingspan 

Kingspan Lighthouse jest pierwszym w Wielkiej Brytanii budynkiem prawie zeroenergetycznym. Uzyskał poziom 6 według kryteriów oceny Code for Sustainable Homes [1]. Zaprojektowany został przez Alana Shinglera z biura architektonicznego Sheppard Robbson. Pierwszy modelowy budynek powstał w 2007 r. w parku technologicznym pod Watford, na północ od Londynu. 

Budynek ma promować projektowanie w myśl zasad zrównoważonego rozwoju oraz nowy styl życia, mniej obciążający środowisko naturalne. Projektanci zaproponowali różne warianty budynku wykonanego w tej technologii, w zależności od potrzeb użytkowników [9]. 

Budynek zaprojektowany został z założeniem, że istotnym zagrożeniem dla poprawnego bilansu energetycznego jest przegrzewanie wnętrza wynikające z bezpośrednich zysków promieniowania słonecznego w okresie letnim. Zmniejszenie kosztów użytkowania za pomocą strategii pasywnych opiera się głównie na selektywnym podejściu do energii słonecznej oraz zwiększeniu udziału wentylacji naturalnej w chłodzeniu [1].

Jednym z podstawowych sposobów obniżenia zapotrzebowania na energię jest zastosowanie izolacji przegród zewnętrznych budynku o niskich współczynnikach przenikania ciepła. Umaks. wynosi 0,11 W/m2K dla ścian i 0,8 W/m2K dla okien. Mostki cieplne stanowią mniej niż 4,5% obudowy zewnętrznej domu. Zabiegi te redukują straty ciepła o ok. 60% w stosunku do tradycyjnego budownictwa [10].

Budynek ma mniejszą niż przeciętny powierzchnię okien. Stanowi ona 18% całkowitej powierzchni przegród zewnętrznych, co jest ograniczeniem o ok. 15–18% w stosunku do tradycyjnych rozwiązań [1]. Od strony południowej znajdują się niewielkie okna doświetlające sypialnie i strefę dzienną budynku. Ściana południowa przechodzi płynnie w dach o nachyleniu 40°, na którym umieszczono aktywne systemy pozyskiwania energii słonecznej nastawione na jej przechwycenie w czasie największej intensyfikacji. 

Pozwala to skutecznie wykorzystać energię, która powodowałaby przegrzewanie budynku w okresie letnim. Wnętrze domu oświetlone jest od wschodu i zachodu za pomocą okien wyposażonych w przesuwne osłony słoneczne. Ograniczenie w ten sposób o 90% dostępu promieniowania słonecznego chroni wnętrze przed nadmierną ilością promieniowania, umożliwiając korzystanie z oświetlenia naturalnego w godzinach porannych i wieczornych. 

Okna osłonięte są stałymi osłonami słonecznymi w postaci wysuniętych, drewnianych lameli z elewacji południowej oraz wertykalnych paneli przy oknach. Rozwiązanie to ogranicza dostęp promieni słonecznych przy najwyższym położeniu słońca, kiedy zyski energii solarnej są największe.

Zacienienie budynku w okresie letnim przedstawiono na rys. 3. Przestrzeń przeznaczona do pracy i częściowo strefa dzienna doświetlane są za pomocą specjalnej latarni usytuowanej w pulpitowym dachu. Stanowią ją okna biegnące wzdłuż całego budynku, nachylone pod kątem w kierunku północnym, osłonięte ażurowym przedłużeniem dachu. Rozwiązanie to zapewnia oświetlenie rozproszonym światłem, ograniczając dostęp energii słonecznej [2].

Strefowanie budynku w kontekście energii odnosi się głównie do takich kryteriów, jak dostęp do oświetlenia dziennego i zapewnienie wentylacji naturalnej. Pomieszczenia techniczne zlokalizowane są w przyziemiu i pozbawione okien. Na tym samym poziomie od strony południowej zaprojektowano sypialnie z osłoniętymi przez drewniane lamele odsuniętej elewacji wertykalnymi oknami. 

Od wschodu i zachodu zastosowano okna o kształcie pozwalającym na korzystanie ze światła dziennego rano i wieczorem. Na piętrze znajduje się strefa dzienna oraz centralnie usytuowana kuchnia, ponad którymi zaprojektowano antresolę z miejscem do pracy. Poszczególne funkcje nie zostały wygrodzone. Jednoprzestrzenne wnętrze umożliwia naturalne przewietrzanie budynku z wykorzystaniem komina słonecznego i łapacza wiatru [6]. Urządzenia te zlokalizowano w centralnej części kalenicy nad otwartą klatką schodową [5].

Pasywne chłodzenie budynku za pomocą systemu naturalnej wentylacji wspomagane jest zastosowaniem materiałów do krótkotrwałej akumulacji ciepła [1]. Pozwala to na uzyskanie dużo lepszych warunków mikroklimatycznych we wnętrzu oraz komfortowych warunków użytkowania.

Wykorzystane do wykończenia sufitów płyty gipsowo-kartonowe z materiałem zmiennofazowym pozwalają na zmniejszenie dobowej amplitudy temperatur w budynku w stosunku do standardowych rozwiązań [11]. W ciągu dnia nadmiar energii cieplnej gromadzony jest przez powierzchnie akumulacyjne, powodując obniżenie temperatury w pomieszczeniach. 

W nocy intensywne przewietrzanie budynku chłodniejszym powietrzem powoduje odwrócenie tego procesu. Mikrokapsułki z materiałem zmiennofazowym zmieniają stan skupienia, oddając zgromadzone ciepło do przepływającego przez budynek powietrza [2]. Schemat wykorzystania materiałów zmiennofazowych w budynku przedstawia rys. 4. 

W budynku zastosowano łapacz wiatru wspomagany energią słoneczną. Wykorzystanie takiego rozwiązania znacznie zwiększa wymianę powietrza w budynku. Urządzenie przypomina szklano-aluminiowy komin o dynamicznej formie umieszczony w kalenicy dachu. Otwory nawiewne zwrócone są w kierunku północno-zachodnim, co pozwala na wykorzystanie najczęściej występujących południowo-zachodnich wiatrów, a latem północnych [1, 9]. 

Główne założenia wynikające z zastosowania strategii pasywnych przedstawia rys. 5. Trzypiętrowa bryła budynku jest zwarta i zwrócona dłuższą elewacją w kierunku północnym. Pulpitowy dach ma optymalny kąt nachylenia dla aktywnych systemów solarnych. Wysokość budynku z otwartą przestrzenią wewnątrz zapewnia intensyfikację przepływu powietrza. Na elewacji wyraźnie widoczne są zabiegi ograniczające dostęp południowego światła – zastosowano stałe i ruchome elementy zacieniające okna od wschodu i zachodu w momencie najwyższego położenia słońca na nieboskłonie [1].

Podsumowanie

Przy projektowaniu budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię strategie pasywne stanowią zazwyczaj istotne uzupełnienie systemów aktywnych, ich wykorzystanie może też być głównym założeniem projektowym. Jednak ze względu na zależność wydajności energetycznej od sposobu kształtowania architektury implementowanie strategii pasywnych wymaga od architekta ich uwzględnienia na wstępnym etapie projektowania. 

Rozwiązania takie wymagają większego zaangażowania projektanta i ściślejszej współpracy z projektantami innych branż. Są niejednokrotnie elementami łatwo odczytywalnymi w formie architektonicznej, a odpowiednio zaprojektowane mogą stanowić interesujący detal, który kształtuje indywidualny charakter 
budynku. 

W strategiach pasywnych można wyróżnić dwa alternatywne podejścia do nasłonecznienia. Pierwsze z nich zakłada, że zyski solarne zimą i odpowiednia ochrona przed przegrzewaniem w okresie letnim pozwalają znacząco ograniczyć zużycie energii w okresie grzewczym przy jednoczesnym zachowaniu komfortu cieplnego latem.

Podejście takie wymaga skrupulatnego rozwiązania stałych i ruchomych osłon słonecznych. Brak możliwości odpowiedniej ochrony przed słońcem powoduje przegrzewanie budynku w okresie letnim, a co za tym idzie spadek komfortu użytkowania oraz wzrost kosztów eksploatacyjnych.

Innym podejściem jest ograniczenie dostępu do budynku bezpośredniego promieniowania słonecznego przez cały rok. Strategia taka zakłada, że korzystniej jest odciąć budynek od nadmiaru promieniowania mogącego doprowadzić do przegrzewania wnętrza, zapewniając odpowiednio zorientowaną powierzchnię na elewacji pod struktury addytywne w postaci kolektorów słonecznych i paneli fotowoltaicznych. 

Podejście takie pozwala wykorzystać dużą ilość promieniowania latem, co jest ograniczone w przypadku zastosowania strategii pasywnych. Dla takiego rozwiązania charakterystycznymi elementami są odpowiednio zaprojektowane osłony oraz redukcja powierzchni okien od strony południowej na rzecz systemów służących do pozyskiwania energii słonecznej. 

oświetlenie budynku odbywa się głównie w sposób bezpośredni od wschodu i zachodu oraz poprzez promieniowanie rozproszone od północy. Zapewnia to dobre warunki oświetlenia naturalnego przy ograniczonych zyskach solarnych.

W obydwu przypadkach wentylacja budynku odbywa się poprzez nisko umieszczone otwory nawiewne w postaci uchylnych elementów okien i wywiewne usytuowane w najwyższej partii budynku. Otwarty, wielopoziomowy układ wykorzystywany jest do zwiększenia wydajności wentylacji wyporowej i poprzecznej. 

Efekt ten można wzmocnić poprzez zastosowanie łapacza wiatru, który może stanowić interesujący detal architektoniczny. Wydajność systemu może być również zwielokrotniona dzięki nasłonecznieniu poprzez wykorzystanie efektu komina słonecznego. 

Literatura

1. Alsharhan D., Ozcelik E.S., Kingspan Lighthouse, http://www.public.asu.edu/~kroel/www558/The%20Kingspan %20Lighthouse%20paper.pdf.
2. Biedrońska J., Figaszewski J., Wykorzystanie schematów energetycznych w projektowaniu budynków energooszczędnych, w: „Kierunki rozwoju budownictwa energooszczędnego i wykorzystania odnawialnych źródeł energii na terenie Dolnego Śląska”, Bać A., Kasperski J. red., Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
3. Chwieduk D., Energetyka słoneczna budynku, Arkady, Warszawa 2011.
4. Detail Das Architekturportal Toward CO2 neutrality, http://www.detail-online.com/architecture/topics/toward-co2-neutrality-018728.html.
5. Gaczoł T., Kominy słoneczne – wybrane przykłady, „Czasopismo Techniczne Architektura” z. 18, z. 8-A, 2010.
6. Gaczoł T., Wentylacja naturalna, systemy nawiewu − wybrane przykłady, „Czasopismo Techniczne Architektura”, z. 10, z. 4-A, 2007.
7. HTA, http://www.hta.co.uk/projects/velux-carbonlight-houses.
8. Kuczia P., Solarna aktywacja budynków: 10 rozwiązań strukturalnych, „Czasopismo Techniczne Architektura”, z. 11, z. 2-A2, 2011.
9. Kingspan Lighthouse, http://www.kingspanlighthouse.com/pdf/lighthouse_flyer.pdf.
10. Kingspan Lighthouse, http://www.kingspanlighthouse.com/pdf/lighthouse.pdf.
11. Ostrý M., Bečkovský D., Konstrukcje z wykorzystaniem fazowo-zmiennych materiałów, „Czasopismo Techniczne Architektura”, z. 4, z. 2-B, 2010.