Lokalizacja i orientacja budynku niskoenergetycznego a zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i wentylacji

Na intensywnie rozwijającym się rynku budowlanym siłą przyzwyczajenia poszukiwane są rozwiązania pozwalające osiągnąć krótki czas realizacji inwestycji i ograniczające jej koszty. Działania takie niestety rzadko współgrają z osiąganiem wysokiej efektywności energetycznej – cechy szczególnie pożądanej w wieloletnim użytkowaniu obiektów.

W sektorze budownictwa indywidualnego znaczną część realizowanych projektów stanowią rozwiązania typowe, a przedstawiona projektowa charakterystyka energetyczna wykonywana jest dla konkretnej lokalizacji i orientacji, pomimo że projekt zawiera z reguły wskazanie alternatywnego położenia na działce.

W artykule omówiono możliwą zmianę wielkości zapotrzebowania na energię na potrzeby ogrzewania i wentylacji jednorodzinnego budynku mieszkalnego w wyniku przyjęcia odmiennej lokalizacji na terenie kraju i zorientowania względem stron świata.

Sektor budownictwa odpowiedzialny jest za znaczne zużycie globalnie produkowanej energii, co wynika z podstawowej potrzeby zapewnienia człowiekowi schronienia, a także jakości energetycznej budynków, jak również przyzwyczajeń ich użytkowników. Wysoki, bo szacowany na 40% [2] udział sektora w całkowitym zużyciu energii stanowi jednocześnie potencjał ograniczenia jego energochłonności i emisji gazów cieplarnianych poprzez wdrożenie odpowiednich rozwiązań.

W przypadku nowych budynków remedium mają stanowić obiekty nisko- czy wręcz zeroenergetyczne przywołane w nowelizacji dyrektywy w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [2] jako obowiązujący standard nowych obiektów począwszy od trzeciej dekady XXI wieku.

Na niskie zapotrzebowanie na energię w budynku wpływa wiele czyn­ników, które można podzielić na związane z jego przeznaczeniem oraz układem funkcjonalno-użytkowym, składowe opisujące cechy konstrukcyjno-materiałowe czy sys­temy techniczne oraz czynniki zewnętrzne, jak lokalizacja i usytuowanie w terenie. Odpowiedź w postaci osiąganego wskaźnika zapotrzebowania na energię jest indywidualna dla każdego budynku.

Same składowe potrzeb energetycznych kształtowane są w trak­cie całego cyklu życia budynku, jednak skutki decyzji podjętych na etapie projektowania i budowy mogą na tyle zdeterminować jego jakość, że wstępnie prognozowane niskie zapotrzebowanie na nośniki energii jest w konsekwencji trudne do osiągnięcia.

Zapotrzebowanie na ciepło budynku to bilans pomiędzy stratami ciepła i jego zyskami. W przypadku obiektów o niskim zapotrzebowaniu na energię szczególnie istotna jest składowa zysków ze środowiska zewnętrznego w postaci promieniowania słonecznego docierającego do wnętrza i podlegającego naturalnej konwersji na energię cieplną.

Charakterystycznej zmianie ulega układ przeszkleń – z równomiernego na wszystkich elewacjach do koncentracji głównie po stronie południowej [3, 5, 8]. Z uwagi na przeważające stałe powiązanie budynku z gruntem (w przeciwieństwie do budynku Heliotrop, Friburg 1994 [6]) wymagana jest jego precyzyjna orientacja na działce budowlanej z powodu możliwego znacznego pogorszenia efektywności energetycznej na skutek zmiany azymutu mocno przeszklonej fasady południowej [4].

Dostępne na rynku rozwiązania typowe domów niskoenergetycznych i pasywnych oferują dokumentację projektową opracowaną dla przyjętych warunków lokalnych. Wskazane w projektowej charakterystyce zapotrzebowanie na energię ma odniesienie, poza samymi rozwiązaniami projektowymi, bezpośrednio do przyjętych danych – orientacji względem stron świata, zacienienia elewacji oraz warunków klimatu lokalnego.

Usytuowanie obiektu powtarzalnego w odmiennych warunkach otoczenia zewnętrznego może jednak znacząco zmienić pierwotnie wyznaczoną wielkość zapotrzebowania na energię do ogrzewania i wentylacji budynku na skutek wystąpienia innych parametrów klimatu zewnętrznego oraz prawdopodobnej zmiany orientacji spowodowanej wpisaniem się w uwarunkowania terenu, na którym realizowana jest inwestycja. Różnice w zapotrzebowaniu na energię mogą dochodzić nawet do dwukrotności pierwotnie szacowanych wielkości.

Tematyka ta zobrazowana zostanie na przykładzie projektu niskoenergetycznego budynku jednorodzinnego [7].

Charakterystyka analizowanego budynku

Jako model do analiz zaproponowano wolnostojący budynek mieszkalny jednorodzinny ze wbudowanym garażem. Dom zaprojektowany został na osi wschód-zachód jako dwukondygnacyjny bez podpiwniczenia. Jest on w pełni przystosowany do potrzeb osoby niepełnosprawnej, umożliwiając jej dostęp do wszystkich pomieszczeń z wyjątkiem wydzielonego ustępu na parterze.

Powierzchnia użytkowa przestrzeni ogrzewanej wynosi 161 m². Zlokalizowany od strony północnej nieogrzewany garaż stanowi przestrzeń buforową. Zaproponowane rozwiązania architektoniczne przedstawiono na rys. 1 i 2, a izolacyjność termiczną przegród zestawiono w tabeli 1.

Do zacienienia partii wejścia (elewacja wschodnia), stanowiących jednocześnie balkon drugiej kondygnacji, wykorzystano konstrukcję drewnianą oraz punktowe połączenie ze ścianami budynku w celu ograniczenia wpływu wielowymiarowej wymiany ciepła (mostków termicznych).

W budynku przewidziano zastosowanie systemu wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła z powietrza usuwanego o sprawności ok. 75%. Współczynnik przepuszczalności całkowitej promieniowania słonecznego przegród szklanych g przyjęto jak dla szyby zespolonej bez powłok niskoemisyjnych (0,75).

Lokalizacja budynku a zapotrzebowanie na energię do ogrzewania

Wyznaczone zgodnie z metodyką [9] projektowe zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji budynku przy założonej lokalizacji na terenie Szczecina oraz orientacji głównej prze­szklonej fasady w kierunku południowym wyniosło 24,5 kWh/(m² rok).

Wyniki obliczeń wykonane dla pozostałych 60 lokalizacji, dla których dostępne są dane typowego roku meteorologicznego [12], przy zachowaniu wstępnie przyjętych warunków związanych z orientacją oraz najbliższym otoczeniem budynku zestawiono na rys. 3. Dla przyjętej podstawowej orientacji budynku na osi wschód-zachód najniższe zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji uzyskano dla danych klimatycznych ze stacji odniesienia Nowy Sącz i wyniosło ono 16,3 kWh/(m² rok).

Największe potrzeby cieplne, z pominięciem stacji charakterystycznych [12], określone zostały dla Suwałk jako 39,5 kWh/(m² rok). Wartość ta jest ponad dwukrotnie większa od wielkości minimalnej.

Przyjmując, że zapotrzebowanie na energię użytkową na cele ogrzewania i wentylacji budynku pasywnego nie przekracza 15 kWh/ (m² rok), a w przypadku budynków niskoenergetycznych 50 kWh/(m² rok) [10], wynik uzyskany dla obiektu zlokalizowanego w Nowym Sączu bliski jest parametrom budynku pasywnego, natomiast dla lokalizacji w Suwałkach – budynku niskoenerge­tycznego.

Zmiana lokalizacji budynku w odniesieniu do pierwotnej projektowej (Szczecin) w 11 przypadkach (Nowy Sącz, Racibórz, Lesko, Świnoujście, Opole, Tarnów, Bielsko-Biała, Koło, Sandomierz, Legnica, Słubice) przyczyniła się do poprawy standardu energetycznego, a w pozostałych 47 powoduje zwiększenie zapotrzebowania na energię do ogrzewania, zwiększając tym samym koszty eksploatacji i obciążenie środowiska naturalnego emisją zanieczyszczeń.

Uwzględniając otrzymane zróżnicowane zapotrzebowanie na ciepło analizowanego budynku w poszczególnych lokalizacjach oraz obowiązujące stawki za gaz ziemny w grupie taryfowej W-3 odbiorców indywidualnych [11], tj. 1,3671 zł brutto za 1 m³ gazu, a także stawkę zmienną opłat sieciowych wynoszącą na podstawie danych udostępnianych przez sześciu dystrybutorów gazu średnio 0,4814 zł/m³, różnica w rocznych kosztach ponoszonych na zakup nośnika energii na cele ogrzewania i wentylacji wynosi 801,81 zł.

Wpływ orientacji na potrzeby cieplne budynku

W celu oszacowania skutków zmiany orientacji budynku w odniesieniu do przyjętej jako optymalna, wynikającej z uwarunkowań posiadanego terenu lub ewentualnego błędu projektanta, w rozpatrywanych 61 lokalizacjach obliczono zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania i wentylacji budynku w siedmiu przypadkach następującej po sobie rotacji o 45° (S – SW – W – NW – N – NE – E – SE).

Wyniki obliczeń uwzględniające obrót budynku o 180° (elewacja główna zwrócona w kierunku północnym) przedstawiono na rys. 4, natomiast rys. 5 opisuje procentowe przyrosty zapotrzebowania na ciepło do celów grzewczych wynikające ze zmiany orientacji z południowej na północną.

Po zmianie orientacji (z S na N) swoista lista rankingowa rozpatrywanych lokalizacji porządkująca je w funkcji wzrostu zapotrzebowania na ciepło uległa zmianie. Po obrocie budynku o 180° najkorzystniejszy wynik uzyskano w odniesieniu do typowego roku meteorologicznego wygenerowanego z danych stacji odniesienia Świnoujście: 23,4 kWh/(m2 rok), natomiast najbardziej niekorzystna jest lokalizacja w Suwałkach: 44,93 kWh/(m2 rok).

Najniższy przyrost zapotrzebowania na energię uzyskano przy lokalizacji obiektu w Łebie (10,1%), a najwyższy w Nowym Sączu (57,8%). W przypadku tej ostatniej lokalizacji utrzymana została tendencja związana z niskim zapotrzebowaniem na ciepło do ogrzewania i wentylacji – na poziomie 25,6 kWh/(m2 rok).

W zesta­wie­niu (rys. 4) Nowy Sącz stanowi drugą, po Świnoujściu, najbardziej efektywną lokalizację obiektu, nawet w przypadku błędnego zorientowania budynku pierwotną elewacją południową w kierunku północnym.

Uzyskane wyniki mogą sugerować, że spośród parametrów klimatu zewnętrznego – natężenia promieniowania słonecznego i średniej miesięcznej temperatury zewnętrznej – to roczny rozkład temperatury ma główny wpływ na kształtowanie potrzeb cieplnych w budynku.

Analizując uzyskane wyniki bilansu zapotrzebowania na ciepło, opisano wrażliwość lokalizacji rozpatrywanego budynku na zmianę jego optymalnej orientacji, która została określona jako średni bezwzględny przyrost zapotrzebowania na energię wynikający ze zmiany orientacji budynku w odniesieniu do wyniku uzyskanego dla orientacji pierwotnie założonej. Przyjęto, że wartość 1 odpowiada orientacji silnie przeszklonej elewacji budynku w kierunku południowym.

Uzyskane wyniki przedstawiono na rys. 6 – wynika z niego, że najbardziej wrażliwe na błędy związane z orientacją obiektu są lokalizacje górskie (np. Zakopane), natomiast najmniej te położone w pasie nadmorskim (np. Łeba). Tendencję tę potwierdzają również dane zamieszczone na rys. 7, obrazujące zmianę wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji przy sekwencyjnej rotacji budynku w wybranych lokalizacjach, tj. w Łebie, Suwałkach, Szczecinie, Warszawie, Zakopanem oraz Nowym Sączu.

W czterech z wymienionych miast (Nowy Sącz, Łeba, Zakopane, Suwałki) zapotrzebowanie na ciepło rozpatrywanego budynku przyjmuje skrajne wartości, Szczecin stanowi lokalizację wyjściową, a Warszawa przywołana została informacyjnie. W zestawieniu wyraźnie widać różnicę szacowanego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania i wentylacji pomiędzy położeniem obiektu w Suwałkach i pozostałych stacjach.

Charakterystyczne są rozkłady zapotrzebowania na energię w lokalizacjach górskich – Nowy Sącz i Zakopane oraz pasie nadmorskim – Łeba i Szczecin. Krzywe łamane w lokalizacjach południowych cechują się znacznymi przyrostami zapotrzebowania na ciepło podczas zmiany orientacji budynku, zatem i większą wrażliwością na błędy lokalizacji obiektu na działce.

Sytuacja ta znajduje potwierdzenie w zestawieniu na rys. 5, w którym osiem lokalizacji o największych przyrostach zapotrzebowania na ciepło po obrocie budynku o 180° odpowiada miejscowościom położonym w górach lub na przedgórzu.

W przypadku pasa nadmorskiego widoczny jest akumulacyjny wpływ zbiorników wodnych i ich dużej pojemności cieplnej na obniżenie amplitudy temperatury, zarówno w skali dobowej, jak i rocznej. Uwidacznia się to na wykresach w postaci spłaszczenia krzywych zapotrzebowania na energię do celów grzewczych analizowanego budynku.

Podsumowanie

Oprócz charakterystycznych cech budynku, jak stopień przeszklenia elewacji, zastosowany rodzaj szyb czy jakość termiczna przegród budowlanych, na zapotrzebowanie na energię na potrzeby grzewcze istotnie wpływają warunki klimatyczne związane z położeniem budynku oraz jego orientacja.

Wskazana w artykule zmienność zapotrzebowania na ciepło uwarunkowana jest możliwością wykorzystania promieniowania słonecznego do kompensacji strat ciepła i stanowi istotny parametr kształtujący efektywność energetyczną budynków, w szczególności obiektów w małej skali, do których zaliczają się budynki jednorodzinne. Przy analizach zapotrzebowania na energię należy również uwzględnić fakt, że bardzo przeszklone elewacje mogą powodować przegrzewanie się pomieszczeń latem i tym samym zaburzać komfort termiczny użytkowników.

Przy realizacji budynku niskoenergetycznego na bazie projektu powtarzalnego należy mieć na względzie wykazany wpływ rotacji obiektu na osiągany wskaźnik zapotrzebowania na ciepło.

Oczywiste jest, że dostępność terenów budowlanych o optymalnej orientacji jest ograniczona, jednak w przy­padku adaptacji projektu typowego do warunków lokalnych w większości przypadków dopuszcza się wprowadzenie zmian w celu dostosowania budynku do istniejących warunków, np. lustrzanego odbicia. Powinno się również pamiętać o skorygowaniu projektowej charakterystyki energetycznej uwzględniającej rzeczywistą sytuację i orientację budynku.

Zagadnienie różnych orientacji i lokalizacji ma szczególne znaczenie dla budynków, które mają wykorzystywać nowoczesne technologie ogrzewania, m.in. gruntowe pompy ciepła. Różnice w zapotrzebowaniu na ciepło dla danej lokalizacji i orientacji takiego samego budynku muszą być każdorazowo analizowane i uwzględniane.

Przedstawione w artykule wyniki mają bezpośrednie odniesienie do rozpatrywanego obiektu, ponieważ są charakteryzowane indywidualnymi rozwiązaniami projektowymi, tj. geometrią budynku, izolacyjnością termiczną przegród, przyjętymi systemami technicznymi oraz, co istotne dla rozważań, rozmieszczeniem i wielkością okien na poszczególnych elewacjach.

Wnioski wynikające z zaprezentowanych analiz można jednak przenieść na szersze spektrum obiektów, podkreślając istotny wpływ ich lokalizacji i orientacji na kształtowanie potrzeb cieplnych oraz możliwych konsekwencji wynikających z błędnego usytuowania obiektu na działce budowlanej.

Szczegółowa analiza możliwości wykorzystania odnawialnego źródła energii w postaci promieniowania słonecznego staje się nieodzownym elementem w kształtowaniu budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię.

Literatura

1. Czym jest gaz ziemny, PGNiG S.A., www.pgnig.pl/dladomu/gaz_ziemny.
2. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19.05.2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (DzUrz UE L 153/13).
3. Hegger M., Fuchs M., Stark T., Zeumer M., Energy Manual. Sustainable Architecture, Institut für International Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, Monachium 2008.
4. Idczak M., Ogólna koncepcja budynku pasywnego, Instytut Budynków Pasywnych przy Narodowej Agencji Poszanowania Energii S.A., www.ibp.com.pl/Portals/IBP/docs/Marcin/Ogolna_koncepcja_budynku_pasywnego.pdf.
5. Johnston D., Gibson S., Towards a zero energy home: a complete guide to energy self-sufficiency at home, The Taunton Press, Newtown 2010.
6. Michler A., Heliotrope: The World’s First Energy Positive Solar Home, inhabitat.com/heliotrope-the-worlds-first-energy-positive-solar-home.
7. Najder M., Projekt niskoenergetycznego budynku mieszkalnego jednorodzinnego dostosowanego do potrzeb osoby niepełnosprawnej, praca magisterska, ZUT w Szczecinie, 2012.
8. Passive House Reqirements, Passive House Institut, 2012, www.passiv.de/en/02_informations/02_passive-house-requirements/02_passive-house-requirements.htm.
9. PN-EN ISO 13790:2009 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczenia zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia.
10. Żurawski J., Budownictwo energooszczędne, pasywne, zeroenergetyczne czy racjonalne?, www.nfosigw.gov.pl/gfx/nfosigw/userfiles/files/aktualnosci/2011/09/jerzy_zurawski.pdf.
11. Zmiana Taryfy dla Paliw Gazowych PGNiG S.A. Część A. Taryfy w zakresie dostarczania paliw gazowych nr 5/2012, Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo S.A., Warszawa 2012
12. www.mir.gov.pl/budownictwo/rynek_budowlany_i_technika/efektywnosc_energetyczna_budynkow/typowe_lata_meteorologiczne/strony/start.aspx.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!