Projektowanie i wykonywanie budynków niemal zeroenergetycznych (nZEB)

Projektowanie i wznoszenie budynków niemal zeroenergetycznych (nZEB) wymaga dużej staranności, zwłaszcza w kwestii szczegółów. Wzorem mogą być wytyczne opracowane dla budynków pasywnych. Na podstawie doświadczeń projektowo-wykonawczych w artykule opisano szczegółowe wymagania definiujące budynek nZEB, które pozwolą osiągnąć oczekiwany poziom zużycia energii pierwotnej wymagany przez warunki techniczne (EPWT2021) [1]. Spełnienie wymagań stawianych budynkom niemal zeroenergetycznym omówione zostanie na przykładzie zaprojektowanego i wybudowanego w 2018 roku demonstracyjnego budynku szkolno-przedszkolnego w Podgórzynie k. Jeleniej Góry.

Wymagania WT2021

Maksymalną wartość wskaźnika rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP oblicza się zgodnie z poniższym wzorem:

gdzie: 

• EP_H+W – cząstkowa wartość wskaźnika EP na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej,
• ΔEP_C – cząstkowa wartość wskaźnika EP na potrzeby chłodzenia, 
• ΔEP_L – cząstkowa wartość wskaźnika EP na potrzeby oświetlenia.

Cząstkowe wartości wskaźnika EP określa się zgodnie z tabelą 1.

W przypadku budynku o różnych funkcjach użytkowych maksymalną wartość wskaźnika rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP oblicza się zgodnie z poniższym wzorem:

gdzie: 

• EP_i − wartość wskaźnika rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP dla części budynku o jednolitej funkcji użytkowej o powierzchni A_f,i, obliczona zgodnie ze wzorem zawartym w ust. 1; 
• A_f,i − powierzchnia pomieszczeń o regulowanej temperaturze powietrza (ogrzewana lub chłodzona) dla części budynku o jednolitej funkcji użytkowej, określona zgodnie z przepisami wydanymi na podstawie art. 15 ustawy z dnia 29 sierpnia 2014 r. o charakterystyce energetycznej budynków.

Wytyczne

W załączniku nr 2 do rozporządzenia WT [1] zamieszczono wymagania szczegółowe w zakresie wartości współczynnika przenikania ciepła UC ścian, stropów, dachów, stropodachów, okien, drzwi oraz izolacji technicznych dla wszystkich rodzajów budynków, uwzględniające poprawki ze względu na pustki powietrzne w warstwie izolacji, łączniki mechaniczne przechodzące przez warstwę izolacyjną oraz opady na dach o odwróconym układzie warstw. Obliczone one zostały zgodnie z Polskimi Normami dotyczącymi obliczania oporu cieplnego i współczynnika przenikania ciepła oraz przenoszenia ciepła przez grunt – nie mogą być większe niż wartości UC(max) określone w odpowiednich tabelach. Jednak spełnienie wymagań szczegółowych uniemożliwia spełnienie wymagań w zakresie nieodnawialnej energii pierwotnej. Pojawia się zatem pytanie, jak należy zaprojektować poszczególne elementy budynku, aby spełnić wymagania w zakresie EP? 

Na podstawie doświadczeń zebranych przy projektowaniu i wznoszeniu budynków o niemal zerowym zużyciu energii wypracowano zakres szczegółowych wymagań umożliwiających osiągnięcie oczekiwanych poziomów energochłonności: 

• przy współczynniku kształtu A/Ve > 1,0 średni współczynnik przenikania ciepła dla przegród nieprzezroczystych powinien być ≤ 0,1 W/(m²K);przy współczynniku kształtu 0,5 < A/Ve < 1 średni współczynnik przenikania ciepła dla przegród nieprzezroczystych powinien być ≤ 0,13 W/(m²K);
• przy współczynniku kształtu A/Ve < 0,5 średni współczynnik przenikania ciepła dla przegród nieprzezroczystych powinien być ≤ 0,15 W/(m²K); 
• współczynnik przenikania ciepła dla okien powinien być ≤ 0,8 W/(m²K); 
• g szyby powinno być ≥ 0,6;
• szczelność powietrzna stolarki powinna być w kl. IV, L₁₀₀ ≤ 1,5–2 m³/h/m²;
• przegrody przezroczyste należy wyposażyć w ruchome osłony przeciwsłoneczne (światłołamacze, markizy, refleksole) sterowane automatycznie;
• wartość konstrukcyjnego współczynnika przenikania ciepła podłogi na gruncie powinna być ≤ 0,2 W/(m² K);
• należy zastosować wentylację z odzyskiem ciepła o sprawności temperaturowej rekuperacji η ≥ 90% z funkcją free coolingu lub z wymiennikiem gruntowym;
• szczelność powietrzna budynku powinna być na poziomie n₅₀ ≤ 0,2–0,4 wym/h;
• należy zastosować ogrzewanie i chłodzenie powierzchniowe oparte na rewersyjnych pompach ciepła;
• zaleca się pompy ciepła o sezonowym współczynniku sprawności SCOP ≥ 4,5–4,0;
• średnia moc oświetlenia powinna być ≤ 5,5 W/m; 
• oświetlenie powinno być wyposażone w czujniki ruchu i natężenia światła. 

Zastosowanie powyżej wymienionych rozwiązań pozwoli spełnić wymagania w zakresie energii pierwotnej EPH+W na poziomie ≤ 65 kWh/(m² rok).

W dalszej części poddano analizie wpływ mostków cieplnych na efektywność energetyczną budynku oraz wpływ systemu grzewczo-chłodniczego na przykładzie budynku szkolno-przedszkolnego w Podgórzynie (fot. 1, tabela 2).

Mostki cieplne

W każdym, nawet najlepiej zaprojektowanym budynku zawsze będą występować mostki cieplne, czyli miejsca o obniżonej izolacyjności termicznej. Niestety brak wiedzy w tym zakresie jest przyczyną wielu konfliktów na linii wykonawca – inwestor, zwłaszcza gdy wiedza ta opiera się jedynie na pomiarach za pomocą kamer termowizyjnych operatorów niemających wystarczających informacji i umiejętności. 

Poprawne zaprojektowanie detali architektonicznych nie jest zadaniem prostym. Pominięcie ich wpływu na właściwości energetyczne budynku może się wiązać z niedoborem mocy grzewczej źródła ciepła. Ma to szczególne znaczenie w budynkach zasilanych ciepłem z pomp ciepła. 

Skoro występowanie mostków cieplnych jest nieuniknione, to jaki ich udział w stratach ciepła i jaki poziom jest akceptowalny?

W dokumentacji projektowej analizowanego obiektu zawarto szereg rozwiązań, które miały na celu eliminację lub ograniczenie wpływu mostków termicznych na całkowity bilans energetyczny oraz poprawienie szczelności powietrznej budynku. Zakładany efekt udało się osiągnąć m.in. dzięki zastosowaniu poniższych rozwiązań.

W przegrodach zewnętrznych zastosowano elementy systemowe – cylindry montażowe o średnicy 90 mm, wykonane z twardego polistyrenu ekspandowanego o gęstości 150 kg/m³, mające współczynnik przewodności cieplnej λ = 0,040 W/(mK). Cylinder montażowy został wykorzystany do montażu kamer zewnętrznych, opraw oświetleniowych (rys. 1), obejm rur spustowych oraz częściowo podkonstrukcji pod zieloną elewację. 

Konsola wykonana z twardej pianki PUR (rys. 2) wykorzystana została do montażu na elewacji elementów o masie do 100 kg. Konsolę wykorzystano do montażu daszku nad wejściem do budynku, a także do montażu zewnętrznych lin napinających, po których wspinać się będzie roślinność. 

W każdym wejściu do budynku zamontowano ciepły próg wykonany z betonu GRC z wypełnieniem styropianem EPS (rys. 3). Systemowe progi w znacznym stopniu zmniejszają udział liniowych mostków cieplnych w bilansie budynku.

Ściany i ławy fundamentowe zostały ocieplone z obu stron. Wykorzystano polistyren przeznaczony do zabezpieczenia podziemnych części budowli, o bardzo niskim wskaźniku nasiąkliwości przy zachowaniu odpowiedniego współczynnika przewodzenia ciepła. Izolację termiczną od strony wewnętrznej połączono płynnie z izolacją termiczną posadzki na gruncie, a od strony zewnętrznej z izolacją termiczną ściany nad gruntem. Bardzo istotne z punktu widzenia szczelności powietrznej obiektu było odpowiednie połączenie tych izolacji na budowie. Aby skontrolować właściwe wykonawstwo tych elementów, przeprowadzono detekcję powietrzną, która wykazała kilka miejsc nieszczelnych. Miejsca te zostały zlokalizowane i ponownie uszczelnione. W podobny sposób zostały zaizolowane termicznie ściany fundamentowe wewnętrzne (rys. 4). Izolację tych ścian połączono z izolacją posadzki na gruncie, zapewniając szczelność termiczną oraz powietrzną elementów.

System grzewczo-chłodniczy

Źródłem ciepła i chłodu dla budynku jest pompa ciepła solanka/woda o mocy grzewczej 150 kW i chłodniczej 120 kW, wykorzystująca jako dolne źródło 18 sond gruntowych o długości 150 m każda. W fazie projektowej została wstępnie założona liczba oraz długość sond gruntowych, jednak ich precyzyjny dobór był możliwy dopiero po określeniu wydajności pojedynczego odwiertu metodą TRT. W okresie grzewczym urządzenie dostarcza czynnik grzewczy o parametrach 35/25°C do układu ciepła technologicznego, tj. nagrzewnic central wentylacyjnych oraz ogrzewania płaszczyznowego budynku. Pompa ciepła pracuje także na potrzeby podgrzewu ciepłej wody użytkowej. W okresach letnich z układu technologicznego pompy ciepła uzyskiwany jest czynnik chłodniczy, którym zasilane są chłodnice central wentylacyjnych. System ten pracuje w układzie chłodzenia pasywnego (natural cooling – NC) oraz chłodzenia aktywnego (active cooling – AC). 

W okresach przejściowych, gdy nie występuje konieczność ogrzewania budynku, a wymagane jest schłodzenie powietrza nawiewanego przez centrale wentylacyjne, układ technologiczny podaje czynnik chłodniczy bezpośrednio z sond gruntowych z pominięciem pompy ciepła (natural cooling). Uzyskuje się dzięki temu wodę lodową o parametrach 6–10°C na zasilaniu, obniża koszty chłodzenia budynku oraz poddaje regeneracji źródło ciepła.

W okresie letnim, gdy zapotrzebowanie na chłód budynku rośnie, a wymiennik gruntowy jest już częściowo zregenerowany, pompa ciepła pracuje w trybie chłodzenia aktywnego (active cooling). Wówczas w układzie technologicznym węzła wytwarzana jest woda lodowa o parametrach 7/12°C, natomiast ciepło pozyskane w tym procesie jest „zrzucane” przez sondy do gruntu lub wykorzystywane do podgrzania ciepłej wody. 

Praca układu technologicznego węzła cieplnego w trybie wytwarzania ciepła, chłodzenia pasywnego i aktywnego realizowana jest poprzez układ automatyki sterującej pompami oraz sekwencją otwarcia zaworów elektromagnetycznych V1–V7. Dzięki zastosowaniu instalacji grzewczej płaszczyznowej i nagrzewnic central wentylacyjnych pracujących na parametrach 35/25°C udało się uzyskać wysoki współczynnik efektywności SCOP pompy ciepła, tj. 4,5–4,9. Natomiast w trybie pracy na potrzeby podgrzania ciepłej wody SCOP wynosi 3,5. 

Z uwagi na fakt, że pompa ciepła podgrzewa ciepłą wodę użytkową do temperatury 45–50°C, nie jest możliwy skuteczny wygrzew antybakteryjny wody w zasobnikach oraz instalacji. Dlatego w każdym z trzech zbiorników zastosowano grzałki elektryczne sterowane czasowo i temperaturowo oraz zsynchronizowane z pompą ciepła i pompą cyrkulacyjną, które okresowo przegrzewają ciepłą wodę do temperatury 70°C.

W budynku szkoły i przedszkola zastosowano wentylację mechaniczną wyposażoną w centralę klimatyzacyjną komfortu, tj. urządzenia zapewniające odpowiednią czystość, a także temperaturę powietrza nawiewanego w okresie letnim oraz zimowym. Zastosowana wentylacja ma za zadanie dostarczyć odpowiednią ilość powietrza do celów higienicznych, zapewnić odpowiednią wymianę powietrza w pomieszczeniach oraz usunąć powstałe zyski ciepła. 

Zamontowane urządzenia wentylacyjne wyposażono w wysokosprawne moduły odzysku ciepła MHR (Multi Heat Recovery) zapewniające odzysk ciepła w granicach 90–93% oraz wentylatory z silnikami o regulacji w przedziale 30–100% wydajności nominalnej. Ponieważ źródłem ciepła w obiekcie jest pompa ciepła, w centralach zastosowano nagrzewnice o bardzo niskich parametrach czynnika grzewczego 35/25°C. W urządzeniach wykorzystano także chłodnice zasilane wodą lodową o parametrach 7/12°C. 

Z uwagi na charakter obiektu oraz w celu obniżenia kosztów związanych z eksploatacją wentylacji mechanicznej w salach lekcyjnych, przedszkolnych, auli oraz pomieszczeniach przeznaczonych do przebywania większej liczby osób zastosowano czujniki CO2 współpracujące z regulatorami powietrza typu VAV, ograniczające strumień powietrza nawiewanego i wywiewanego do 60% wartości nominalnej. Wykorzystanie w układach wentylacyjnych przepustnic systemu VAV narzuciło konieczność zastosowania urządzeń wentylacyjnych o stałym ciśnieniu, których wydajność jest sterowana przez przetworniki ciśnienia na kanale nawiewnym i wywiewnym. Z uwagi na różne funkcje i przeznaczenie pomieszczeń zastosowano siedem układów wentylacyjnych pracujących w oparciu o centrale klimatyzacyjne komfortu, dodatkowo sterowane systemem BMS. Pozwala to na precyzyjne ustawianie czasu pracy urządzeń wentylacyjnych, ich optymalne wykorzystanie oraz nadzór z dowolnego miejsca. System zarządzania wentylacją umożliwia także zastosowanie free coolingu w układzie wentylacji. Budynek szkoły i przedszkola znajduje się na terenie podgórskim, dlatego w okresie letnim, gdy różnica temperatury między dniem a nocą dochodzi do kilkunastu stopni, przewidziano wykorzystanie tego systemu do wychładzania budynku w nocy. Ideowy schemat instalacji centralnego ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej i chłodzenia przedstawiono na rys. 5.

Podsumowanie

Aby poprawnie zaprojektować i wybudować budynek niemal zeroenergetyczny (nZEB), należy umiejętnie powiązać ze sobą wiele istotnych elementów z różnych branż. Trzeba wziąć pod uwagę wszystkie szczegóły i detale, gdyż okazać się może, że nawet z pozoru niewielki element ma bardzo duży wpływ na aspekt energooszczędności całego budynku (co wykazano w artykule). Projektanci i wykonawcy skupiają się często na głównych elementach, tj. grubość ocieplenia, parametry cieplne stolarki itp., zapominając np. o kształcie obiektu, sposobie montażu elementów na elewacji, rozwiązaniu detali w przegrodach zewnętrznych czy sposobie montażu stolarki. Dobór odpowiednich elementów izolacyjnych w branży architektonicznej musi iść zawsze w parze z projektami pozostałych branż. Przyjmując założenia efektywności energetycznej budynku, należy go traktować jako całość, nie zapominając o nawet z pozoru nieistotnych składowych – tylko wtedy obiekt rzeczywiście będzie spełniał założenia, jakie nakreśli projektant.

Literatura 

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).
2. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU 2013, poz.1409, z późn. zm.).
3. Ustawa z dnia 29 sierpnia 2014 r. o charakterystyce energetycznej budynków (DzU 2014, poz. 1200).
4. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (DzU 2012, poz. 462).
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376).
6. Instrukcja ITB 447/2009 Złożone systemy izolacji cieplnej ścian zewnętrznych budynków. ETICS. Zasady projektowania i wykonywania.
7. Ocieplenia na ocieplenia, Stowarzyszenie na rzecz Systemów Ociepleń, wyd. I, Warszawa 2012, www.systemyocieplen.pl.
8. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1253/2014 z dnia 7 lipca 2014 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla systemów wentylacyjnych (Dz.Urz. UE L 337/8).
9. Żurawski, J., Projekt i wykonanie niemal zeroenergetycznego zespołu szkolno-przedszkolnego, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2018, s. 24–29.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!