Modernizacja budynków użyteczności publicznej do standardu niemal zeroenergetycznego

Krajem o jednych z największych doświadczeń w dziedzinie budownictwa o zerowym zużyciu energii pierwotnej jest Norwegia. Jednakże ze względu na duże różnice pomiędzy Norwegią a Polską transfer technologiczny musiałby być wsparty przez szczegółowe analizy biorące pod uwagę [6]:

• istotne różnice w poziomach dochodu narodowego na głowę mieszkańca,
• wielkość polskiego rynku budowlanego i zły stan techniczny wielu istniejących budynków,
• niezbyt wysoki poziom akceptacji idei zrównoważonego rozwoju, wyrażanej przez władze i zwykłych obywateli,
• ograniczony dostęp do mechanizmów wspomagających proces budowy i zrównoważonej modernizacji budynków,
• specyfikę bilansu energetycznego Polski (bardzo silna zależność gospodarki od węgla), zwłaszcza biorąc pod uwagę, że Norwegia ma bardzo duży udział energii elektrycznej wytwarzanej przez elektrownie wodne,
• wartość współczynników nakładów energii pierwotnej dla różnych nośników energii.

Budynek Power House Kjørbo

Informacje ogólne

Budynek Power House Kjørbo zlokalizowany jest na przedmieściach Oslo w miejscowości Sandvika. Obiekt powstał w wyniku modernizacji dwóch budynków biurowych o powierzchni 5180 m² wzniesionych w latach 80. XX w. Jako cel postawiono sobie stworzenie „budynku-elektrowni” (Power House), czyli obiektu, który w czasie swojego cyklu życia produkuje więcej energii odnawialnej, niż zużyto do wyprodukowania wykorzystanych materiałów budowlanych, jego wzniesienia, eksploatacji i rozbiórki. Przed modernizacją oba budynki charakteryzowały się rocznym zużyciem energii pierwotnej na poziomie ok 250 kWh/m². Projekt modernizacyjny o wartości 18,9 mln dol. rozpoczęto w styczniu 2012. Zapotrzebowanie budynku na energię zmniejszono o ponad 80%. Jednocześnie na dachu budynku zainstalowano panele fotoelektryczne zdolne do wyprodukowania ok. 200 000 kWh w ciągu roku, co odpowiada dwukrotnemu zużyciu energii elektrycznej w budynku (bez wliczania energii wykorzystywanej przez najemców). Gruntowe pompy ciepła zainstalowane w bezpośrednim sąsiedztwie budynku zapewniają w okresie grzewczym ciepło do celów ogrzewania, a w okresie letnim energię na potrzeby chłodzenia.

Obiekt oddano ponownie do użytku w kwietniu 2014. Budynek uzyskał certyfikat środowiskowy BREEAM-NOR „outstanding”, zarówno w fazie projektowej, jak i po wybudowaniu. Zgodnie z klasyfikacją stosowaną w nZEB Centre Trondheim budynek spełnia poziom ambicji: ZEB-OM÷EQ.

W trakcie realizacji projektu stosowano nowoczesne modele współpracy pomiędzy uczestnikami procesu budowlanego. Wdrożono zasady projektowania zintegrowanego, zapewniając:

• współpracę specjalistów wszystkich dyscyplin od początkowej fazy projektu,
• jasno zdefiniowany cel,
• szerokie konsultacje środowiskowe i energetyczne celów projektu,
• ambitne przywództwo,
• odwagę do podejmowania ryzyka i stosowania nowych rozwiązań.

Wstępne wyniki oceny stopnia zadowolenia użytkowników z parametrów środowiska wewnętrznego są wysokie [7]. Okazało się przy okazji, że stworzenie nietypowych przestrzeni do pracy może rodzić nowe oczekiwania użytkowników. Część osób pracujących w przestrzeniach przeznaczonych do „pracy cichej” wyrażała lekkie niezadowolenie nawet z niewielkiego szumu instalacji wentylacyjnej, spełniającej jednocześnie wszelkie kryteria projektowe [7].

Bryła

W trakcie modernizacji postanowiono nie zmieniać wyglądu zewnętrznego budynku (fot. 1), jednak zakres prac modernizacyjnych był bardzo duży. Usunięto z budynku ściany zewnętrzne i wewnętrzne, a także wszystkie instalacje i wszelkie wyposażenie, pozostawiając jedynie żelbetową konstrukcję obiektu.

W trakcie prac projektowych zastosowano pionierską na owe czasy koncepcję połączenia BIM (Building Information Modeling) ze skanowaniem laserowym w celu wykonania cyfrowych modeli wnętrza i otoczenia budynku. Model cyfrowy (rys. 1) wykorzystywany był w późniejszych wariantowych analizach modernizacji.

Przegrody zewnętrzne zmodernizowanych budynków zaprojektowano i wykonano w standardzie budynku pasywnego. Szczególną uwagę poświęcono wyeliminowaniu mostków cieplnych. Średnia wartość współczynnika przenikania ciepła dla ścian zewnętrznych U została obniżona z 0,30 do 0,13 W/(m2 K), dla dachu współczynnik U ograniczono z 0,22 do 0,08 W/(m2 K), a dla okien z 2,50 do 0,80 W/(m2 K). Uzyskano także bardzo wysoką szczelność budynku. Została ona zmniejszona z n50 = 3,5 h–1 do 0,23 h–1.

Odpowiednio dobrane przeszklenia umożliwiają wykorzystanie światła dziennego (fot. 2a i fot. 2b). Zewnętrzne elementy zacieniające pozwalają na ograniczenie nadmiernych zysków ciepła od nasłonecznienia i ryzyka występowania zjawiska olśnienia.

Korzystając z tradycji architektury japońskiej, ściany zewnętrzne pokryto panelami z opalanej osiki (fot. 3). Zachowano w ten sposób ciemne barwy zdemontowanej elewacji oraz uzyskano materiał praktycznie niewymagający konserwacji, charakteryzujący się ponadto bardzo niską wartością energii wbudowanej.

Wnętrza

Dużo uwagi poświęcono stworzeniu wygodnych i atrakcyjnych wnętrz, mając świadomość, że jest to ważny czynnik decydujący o komercyjnym sukcesie projektu. Zastosowano zróżnicowane środowiska pracy, umożliwiające zarówno efektywną pracę indywidualną, jak i grupową (fot. 4a, fot. 4b, fot. 4c i fot. 4d).

Ponadto w trakcie wyposażania wnętrz wykorzystano częściowo materiały ze starego budynku (np. szyby ze starych fasad zostały użyte do konstrukcji przeszklonych przegród wewnętrznych). Wszystkie nowe materiały zostały wybrane tak, by zapewnić niską ilość energii wbudowanej. Przykładowo szeroko stosowane elementy tłumiące dźwięk wykonano z materiałów pochodzących z odzysku (PE).

Materiały były także wybierane pod względem niskiej emisji lotnych związków organicznych, by zminimalizować ryzyko problemów z jakością powietrza.

Ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja

Zmodernizowane budynki nie wymagają tradycyjnego ogrzewania. Grzejniki c.o. zlokalizowane w centralnej części budynku zapewniają jednak dodatkowe ciepło podczas najzimniejszych okresów roku. Żeby zapewnić krążenie ciepłego powietrza wewnątrz budynków w tym okresie, drzwi do biur muszą pozostawać otwarte, gdy pomieszczenia nie są użytkowane.

W budynku Power House zastosowano wiele innowacyjnych rozwiązań dotyczących systemu wentylacji:

przewidziano system wentylacji sterowany poziomem wymagań (Demand Controlled Ventilation) z wykorzystaniem czujników dwutlenku węgla,

rozprowadzanie powietrza zaprojektowano tak, by zminimalizować długość przewodów nawiewnych i wywiewnych. Uzyskano przez to mniejsze opory przepływu powietrza w sieci przewodów i w konsekwencji niższe zużycie energii przez wentylatory,

częściowo wykorzystano elementy konstrukcyjne budynku (przykładowo wywiew powietrza realizowany jest przez klatkę schodową),

w pomieszczeniach zastosowano wyporowy rozdział powietrza,

centrale wentylacyjne wyposażono w odzysk ciepła powietrza usuwanego o sprawności temperaturowej 85%,

w pomieszczeniach zastosowano otwieralne okna.

Wybrane rozwiązania przedstawiono na fot. 5a, fot. 5b, fot. 6a, fot. 6b, fot.7a i fot. 7b.

Zapotrzebowanie na energię do celów chłodzenia zostało ograniczone poprzez zastosowanie urządzeń zacieniających i energooszczędnego oświetlenia oraz zapewnienie dużej pojemności cieplnej budynku.

Woda i ścieki

Zmodernizowane budynki zużywają o ok. 10% mniej wody niż typowe nowo wznoszone budynki użyteczności publicznej w Norwegii. Oszczędność tę uzyskano, stosując nowe dwuklawiszowe spłuczki, dodatkowe wodomierze oraz czujniki wycieku w toaletach.

Oświetlenie

Budynek został tak zaprojektowany, by zmaksymalizować użycie światła dziennego. Wiele przegród wewnętrznych jest przeszklonych. Zastosowane oświetlenie elektryczne jako źródło światła wykorzystuje diody LED. Przewidziano indywidualną kontrolę oświetlenia dla każdego stanowiska pracy (ok. 15 m2). Budynek wyposażono w zintegrowany system sterowania pracą oświetlenia oraz urządzeń zacieniających, jednak jego działanie w praktyce pozostawia wiele do życzenia. W konsekwencji oświetlenie często pozostaje włączone przez cały czas wykorzystania budynku.

Produkcja energii

Na dachu budynków biurowych i garażu zamontowano 1550 m2 paneli fotoelektrycznych o mocy 312 kWp (fot. 8). Instalacja jest w stanie wytworzyć rocznie 210 000 kWh. Obecnie jest to druga po względem wielkości instalacja PV w Norwegii. Panele bezpośrednio dostarczają energię elektryczną do instalacji budynku, a jej nadwyżka sprzedawana jest do miejskiej sieci energetycznej.

W bezpośrednim otoczeniu budynku zainstalowano gruntowe pionowe wymienniki (10 szt. o głębokości ok. 200 m) o mocy ok. 100 kW, stanowiące dolne źródło ciepła dla dwóch pomp ciepła (do przygotowania ciepłej wody użytkowej COP = 3,03 oraz do ogrzewania COP = 4,23). Średni ważony współczynnik COP dla zastosowanych pomp ciepła wynosi 4,12. Wymienniki gruntowe stanowią także źródło chłodu (free cooling). W budynku przewidziano również odzysk ciepła z serwerowni.

Bilans energii

W budynku Power House uzyskano dużą zgodność analiz energetycznych przeprowadzonych w fazie projektowej z warunkami eksploatacyjnymi. W tab. 1 przedstawiono bilans energii pierwotnej dla tego obiektu opracowany na podstawie informacji opublikowanej przez [2].

Obliczona wartość skumulowanego zapotrzebowania na energię (Cumulative Energy Demand – CED) dla całego cyklu życia budynku wynosi 22 kWh/(m2 rok). Największy udział w tym zapotrzebowaniu mają panele fotoelektryczne – ok. 35%.

Działania motywujące użytkowników

Wszyscy użytkownicy budynku zostali przeszkoleni w kwestii wyposażenia technicznego obiektu oraz możliwości ograniczania zużycia energii poprzez racjonalne zachowania. Dodatkowo w hallu budynku zamontowano ekran dotykowy umożliwiający zapoznanie się z aktualnymi i historycznymi paramentami pracy poszczególnych instalacji (fot. 9 - patrz: zdjęcie przy tytule publikacji). Wyniki są porównywane z przewidywaniami teoretycznymi.

Budynek Skattedirektoratet (Tax Administration Building)

Informacje podstawowe

Budynek Skattedirektoratet (Tax Administration Building) – centrali Norweskiego Urzędu Podatkowego – zlokalizowany jest w Oslo (fot. 10 i fot. 11).

Kompleks pięciu budynków biurowych połączonych łącznikami został oddany do użytku na początku lat 80. XX w. Jego powierzchnia użytkowa wynosiła wtedy 32 500 m2. Obiekt ten miał typowe dla budynków norweskich ogrzewanie elektryczne i charakteryzował się zużyciem energii 165 kWh/(m2 rok). Grubość materiałów izolacyjnych na ścianach wynosiła 100 mm (na częściach fasady pokrytych cegłą – 50 mm pod warstwą cegły).

Modernizację kompleksu biurowego rozpoczęto w roku 2010, w 2011 zaczęto prace budowlane. W wyniku optymalizacji kształtu budynku powierzchnia biurowa zwiększyła się o ok. 4000 m2. W kwietniu 2012 ukończono prace nad wymianą elewacji i dachu. Przyjęto założenie, że fasada budynku będzie modernizowana za pomocą drewnianych elementów prefabrykowanych pokrytych perforowaną aluminiową płytą osłonową. Zmodernizowany budynek, w którym zapewniono ok. 1500 stanowisk pracy, oddano do użytku w roku 2013. Uzyskał on następujące certyfikaty środowiskowe: FutureBuilt, Passive Building, BREEAM-NOR „very good”, energy class A.

Zastosowano projektowanie zintegrowane z rozbudowaną fazą analityczną. Za pomocą programów symulacyjnych sprawdzono szereg wariantów modernizacyjnych. W tym celu zbudowano cyfrowy model budynku (rys. 2).

Bryła

W trakcie gruntownej modernizacji postanowiono zmienić bryłę kompleksu. Pierwotna (rys. 3) charakteryzowała się niekorzystnym pod względem zużycia energii stosunkiem sumarycznej powierzchni przegród oddzielających przestrzenie o regulowanej temperaturze od otoczenia do objętości przestrzeni. Jednocześnie pierwotny układ sprawiał duże problemy komunikacyjne najemcom.

Wąskie łączniki umieszczone pomiędzy budynkami zostały poszerzone (rys. 4). Ze względu na stateczność konstrukcji przewidziano je jednak co dwie kondygnacje, naprzemiennie po obu stronach dawnego łącznika. W wyniku tego działania uzyskano dodatkowe 4000 m2 powierzchni biurowych, zmniejszając jednocześnie powierzchnię przegród zewnętrznych o 5900 m2. Oba te efekty wpływają korzystnie na wskaźnikowe zużycie energii, określane zazwyczaj w odniesieniu do 1 m2 podłogi powierzchni o kontrolowanych parametrach.

Planując modernizację właściwości ciepl­nych fasady, przyjęto następujące założenia:

• współczynnik przenikania ciepła dla ścian U < 0,16 W/(m² K),
• współczynnik przenikania ciepła dla dachu U = 0,12 W/(m² K),
• współczynnik przenikania ciepła dla fasady (średnio) U = 0,15 W/(m² K),
• grubość izolacji: 350 mm (250 + 100 mm),
• liniowe współczynniki przenikania ciepła dla mostków cieplnych < 0,04,
• przeszklenie fasady < 40%,
• współczynnik przenikania ciepła dla okien (średnio) U = 0,72 W/(m² K),
• szczelność obudowy n₅₀ < 0,6.

Wnętrza

Inwestor po modernizacji oczekiwał nie tylko niskiego zużycia energii i spełnienia wysokich wymagań środowiskowych, ale także stworzenia atrakcyjnych i ergonomicznych miejsc do pracy. Zgodnie z panującymi trendami przewidziano zarówno miejsca do pracy indywidualnej, jak i grupowej.

Ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja

Pomieszczenia budynku wyposażone są w grzejniki płaszczyznowe umieszczone pod oknami. Utrzymywana jest w nich temperatura 22 ±2°C. Pasmo swobodnego kształtowania temperatury wynoszące 4°C znacznie ogranicza zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia.

W celu zmniejszenia zużycia energii do wentylacji i chłodzenia w budynku zastosowano następujące rozwiązania:

• zmniejszono zyski ciepła z komputerów indywidualnych z 200 do 120 W,
• zastosowano wymienniki do odzysku ciepła z powietrza usuwanego o sprawności temperaturowej równej 86% (fot. 12),
• zastosowano systemy wentylacji o niskim współczynniku mocy właściwej wentylatora SFP = 1,5 kJ/m³,
• dla obiegów wodnych zastosowano pompy o współczynniku mocy właściwej SPP = 0,3 kJ/m³.

Woda i ścieki

W zmodernizowanym budynku zastosowano toalety i inne urządzenia oszczędzające wodę. Roczne zużycie wody na jedną osobę wynosi 4,7 m3.

Oświetlenie

Budynek został tak zaprojektowany, żeby efektywnie wykorzystać światło dzienne. Jednocześnie zewnętrzne elementy zacieniające są w stanie ograniczyć nadmierne wnikanie promieni słonecznych do wnętrz.

Oświetlenie elektryczne zapewniają energooszczędne diody LED. Moc zainstalowanego oświetlenia wynosi 5 W/m2 podłogi. Oświetlenie elektryczne sterowane jest automatycznie z wykorzystaniem czujników światła dziennego oraz czujników ruchu pracowników. Dzięki tym przedsięwzięciom roczne zużycie energii na cele oświetlenia wynosi 16 kWh/m2.

Produkcja energii

W centrali Norweskiego Urzędu Podatkowego pracują komputery o bardzo dużych mocach obliczeniowych. Podstawowym źródłem ciepła dla całego obiektu jest wymiennik do odzysku ciepła zainstalowany w serwerowni (pompa ciepła powietrze/powietrze). Układ ten pokrywa ok. 70% rocznego zapotrzebowania na ciepło. Pozostałe 30% ciepła (jako moc szczytowa) pobierane jest z miejskiej sieci ciepłowniczej.

Bilans energii

Przed modernizacją łączne zużycie energii (ogrzewanie i energia elektryczna) w budynku wyniosło 190 kWh/(m² rok). Po modernizacji zostało ono zmniejszone do 103 kWh/(m² rok), ale mniej więcej jedna trzecia tej wartości jest produkowana na miejscu (pompy ciepła i ponowne wykorzystanie nadwyżki ciepła z serwerowni).

Roczne zużycie energii obliczone zgodnie z metodyką używaną w Norwegii do wystawiania świadectw energetycznych wynosi 68,7 kWh/m2, co spełnia wymagania klasy A dla budynków biurowych.

Podsumowanie

Na podstawie szczegółowej analizy zaprezentowanych budynków oraz po zapoznaniu się z opisami innych norweskich budynków o bardzo dużej efektywności energetycznej przygotowano zestaw rekomendowanych technologii dla modernizacji budynków w Polsce. Rekomendacje biorą po uwagę specyfikę warunków polskich. Wiele z nich zostało zweryfikowanych w trakcie przygotowania dwóch wzorcowych szczegółowych koncepcji technicznych modernizacji budynków do standardu nZEB, opracowanych dla gmachu Wydziału Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej oraz dla budynku Domu Studenckiego „Muszelka”. Rekomendowane technologie skonfrontowano także z opinią praktyków polskiego rynku budowlanego w trakcie warsztatów, na których przeszkolono ponad 300 polskich ekspertów. Podsumowaniem realizacji grantu jest monografia „Budynki o niemal zerowym zużyciu energii” [3], którą można pobrać ze strony kodnzeb.pl.

Artykuł powstał w ramach projektu KODnZEB pn. „Koncepcja dostosowania dwóch wybranych budynków do standardu niemal zero-energetycznego”, dofinansowanego ze środków Mechanizmu Finansowego EOG 2009–2014 w ramach Funduszu Współpracy Dwustronnej na poziomie Programu Operacyjnego PL04 „Oszczędzanie energii i promowanie odnawialnych źródeł energii”. Projekt realizowany we współpracy z Norweskim Uniwersytetem Nauki i Technologii.

Literatura

1. Helmen F., A building from the 80’s, rehabilitated to a green building, ENTRA, Norway.
2. powerhouse.no.
3. Sowa J. red., Budynki o niemal zerowym zużyciu energii, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2017.
4. Salvesen F., Powerhouse Kjørbo – Renovation to plus energy standard, Asplan Viak AS, Norway.
5. SKANSKA, Powerhouse Kjørbo, Norway CS121: 2014.
6. Sowa J., Wiszniewski A., Opportunities and limitations of transfer of know-how on sustainable buildings between countries, experiences from cooperation between Norway and Poland, CESB16 Central Europe towards Sustainable Building 2016, 22–24 June 2016, Prague, printed version p. 95–96, electronic version p. 291–298.7. Throndsen W., Berker T., Knoll E.B., Powerhouse Kjørbo. Evaluation of construction process and early use phase, SINTEF Academic Press, 2015.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!