Zastosowanie odpowiedniej izolacji cieplnej i okien ciepłochronnych, unikanie mostków termicznych oraz zachowanie szczelności budynku to niektóre z działań podejmowanych w celu zmniejszenia zużycia energii do ogrzania obiektów. Ograniczając zapotrzebowanie na energię, często niestety zapomina się o bardzo ważnej kwestii, jaką jest zapewnienie właściwej wentylacji.
W literaturze można znaleźć wiele definicji budynku energooszczędnego. Ogólnie rzecz biorąc, pomijając szczegółowe wartości, ideą domu energooszczędnego jest racjonalna gospodarka energią. Powszechna wiedza o tego typu budynkach zakłada bardzo dobrą izolacyjność przegród zewnętrznych oraz ich szczelność. Do świadomości użytkowników nie dotarła, niestety, potrzeba dobrej wentylacji. Bardzo słusznie budynek energooszczędny wyklucza wentylację grawitacyjną, jako bardzo zależną od warunków zewnętrznych i praktycznie pozbawioną jakiejkolwiek regulacji. Uzyskano przy okazji jeszcze jeden pozytywny efekt, gdyż wentylacja grawitacyjna zakładała napływ powietrza zewnętrznego zupełnie bez uzdatniania, czyli to, co za oknem. Instalacja wentylacji mechanicznej powinna być wpisana w ideę budynku energooszczędnego. Brak zainteresowania wentylacją ilustruje typowy wykres, którego podobne wersje można znaleźć w bardzo wielu publikacjach (rys.).
Rys. Zużycie energii w różnych typach budynków [1]
Zagadnienia energii zużytej na wentylację pojawiają się dopiero na poziomie budynków pasywnych, ale ich wielkość świadczy o niewłaściwym projektowaniu.
Najprostsze obliczenia są w stanie udowodnić, że w niskim zapotrzebowaniu energii na wentylację zupełnie nie mieści się właściwy strumień powietrza wentylacyjnego.
Przeliczając ilość energii potrzebnej do podgrzania minimum powietrza świeżego na osobę (30 m3/h) o 10 stopni (np. od +10 do +20oC), przez trzy zimowe miesiące (90 dni)
(30/3600)·1,2 kg/m3·1,005 kJ/kgK·10·24·90 = 217,08 kWh
w domu o powierzchni 100 m2, otrzymamy 2,2 kWh/m2rok na osobę.
Obliczenia zakładają podgrzanie tylko o 10 stopni (przy zastosowaniu np. wymiennika gruntowego i odzysku ciepła) minimalnego strumienia powietrza tylko dla jednej osoby.
Ogrzewanie powietrzne, system VAV, recyrkulacja
Przy przegrodach zewnętrznych dobrze izolowanych o dużej pojemności cieplnej dobrym rozwiązaniem jest połączenie systemu ogrzewania z wentylacją, czyli ogrzewanie powietrzne. Na pierwszy rzut oka rozwiązanie takie przyniesie znaczące oszczędności inwestycyjne, gdyż zamiast dwóch instalacji w budynku będziemy mieli jedną. Jednakże takie rozwiązanie będzie korzystne tylko w wypadku bardzo starannego projektu uwzględniającego wielosezonową pracę instalacji oraz dokładnie przemyślanego systemu sterowania. Można rozważyć na przykład zastosowanie systemu VAV – wentylacja ze zmiennym strumieniem powietrza. Regulator strumienia powietrza nawiewanego musi być sterowany dwoma sygnałami: z czujnika CO2 oraz temperatury. W zimie oba czujniki będą miały odwrotny skutek działania: przy małej liczbie osób w pomieszczeniu czujnik CO2 będzie zmniejszał strumień powietrza wentylacyjnego, z drugiej strony mała liczba osób to zmniejszone wewnętrzne zyski ciepła, a więc tendencja do spadku temperatury, a zatem czujnik temperatury będzie zwiększał strumień powietrza. Można też podnieść temperaturę powietrza nawiewanego, wykorzystując nagrzewnicę strefową, wtedy czujnik temperatury będzie sterował też nagrzewnicą. Zastosowanie niskotemperaturowego źródła ciepła do nagrzewnicy strefowej uniemożliwi dowolne podniesienie temperatury, ponownie więc sygnał z czujnika będzie żądał zwiększenia strumienia powietrza. Takie analizy należy przeprowadzić dla każdego pomieszczenia i dla wszystkich trybów pracy. System ogrzewania powietrzem musi zakładać ponadto recyrkulację powietrza, najlepiej lokalną.
Minimalny strumień powietrza świeżego
Widząc znaczny udział powietrza wentylacyjnego w całkowitym zapotrzebowaniu energii dla budynku, projektanci mają tendencję do minimalizowania strumienia powietrza zewnętrznego. Wykorzystuje się współczynniki jednoczesności (np. 0,7) albo minimalny strumień (w mieszkaniach 20 m3/h na osobę) z rozporządzenia [2]. Norma PN-EN 13779 [3] pokazuje, że ten strumień powietrza zapewnia dopiero czwartą klasę jakości powietrza wewnętrznego (tab.). Bardzo dobrym znakiem jest fakt, że wielu inwestorów decyduje się na znacznie zwiększony strumień powietrza zewnętrznego przypadającego na osobę (czasem nawet do 40 m3/h), godząc się z większymi kosztami eksploatacyjnymi.
Tymczasem optymalnym rozwiązaniem będzie zmienny strumień powietrza nawiewanego, precyzyjnie sterowany.
Tab. Wartości strumienia powietrza zewnętrznego przypadający na osobę wg PN-EN 13779
Chłodzenie, wietrzenie
Budynki energooszczędne są projektowane z myślą o jak najniższych stratach ciepła w zimie, czyli na przykład małe przeszklenia od strony północnej. Jednocześnie wykorzystywane są zyski ciepła od promieniowania słonecznego, czyli duże przeszklenia od strony południowej. Taki układ okien jest bardzo korzystny w zimie, natomiast w lecie prowadzi do przegrzewania pomieszczeń. Należy zastanowić się nad zastosowaniem osłon nad oknem, które spowodują jego zacienienie, gdy słońce jest wysoko (w lecie), a nie zasłonią okna w zimie. Wprowadzenie wydajnej instalacji chłodniczej do poprawy warunków komfortu w lecie zdecydowanie zmniejsza szansę budynku na osiągnięcie magicznej piętnastki (zapotrzebowania na energię poniżej 15 kWh/m2rok). Kilka niepublikowanych jeszcze analiz autora potwierdza tę tendencję. Przykładem może być szkoła pasywna, która uzyskała certyfikat budynku pasywnego m.in. dzięki granicznej minimalizacji strumienia powietrza świeżego. Problemy pojawiły się przy dość ciepłym wrześniu 2012 r., kiedy to szkoła niesłychanie „cierpiała” z powodu przegrzania pomieszczeń, ponieważ strumień powietrza nie był w stanie usunąć zysków ciepła, gdyż nie taka była jego projektowana funkcja. Gdyby zaprojektować system chłodzenia oparty na przykład na rewersyjnym działaniu pompy ciepła, która byłaby źródłem ciepła, wskaźniki energetyczne znacznie by wzrosły, natomiast poprawiłby się komfort. Symulowane roczne zapotrzebowanie energii z uwzględnieniem instalacji chłodzenia powietrza wynosi 25,2 kWh/m2rok.
W innym przypadku budynek, który uzyskał certyfikat budynku pasywnego, poddany został dokładnym obliczeniom, lecz tym razem zgodnie z Polską Normą PN-EN 12831. Wartość obliczona wyniosła 20 kWh/m2sezon.
W tym miejscu nasuwa się kolejna refleksja – nie należy unikać otwieranych okien. Jest to rozwiązanie droższe od hermetycznych przeszkleń, ale wietrzenie jest rodzajem wentylacji naturalnej (innym niż grawitacyjna), która może bardzo korzystnie wpływać na odczucie komfortu. Utarło się zestawienie klimatyzacja równa się brak otwierania okien. Nie jest to dobre. Oczywiście otwieranie okien przy zdecydowanie niekorzystnych warunkach zewnętrznych będzie błędem, ale wietrzenie wieczornym chłodnym powietrzem może być dużo skuteczniejsze (i na pewno tańsze) niż free-cooling mechaniczny.
Regulacja, sterowanie
Budynki energooszczędne są obiektami bardzo trudnymi z punktu widzenia strategii sterowania. Większość instalacji projektowanych w tego typu budynkach jest bardziej lub mniej skomplikowanymi kopiami znanych rozwiązań. Natomiast system sterowania tymi instalacjami jest dziedziną, w której wielu projektantów stawia dopiero pierwsze kroki. Zalecane jest bardzo szczegółowe analizowanie praktycznie każdego pomieszczenia we wszystkich możliwych trybach pracy całorocznej, które należy zamieścić w obszernych wytycznych automatyki i sterowania. Konieczna jest bardzo ścisła współpraca z producentami urządzeń, aby poznać i dopasować do nowych potrzeb możliwości poszczególnych elementów. Z doświadczenia mogę powiedzieć, że mało która standardowa automatyka, na przykład centrali wentylacyjnej, jest w stanie sprostać wymaganiom budynku energooszczędnego. Ponadto nie da się optymalnie zarządzać energią takiego budynku bez systemu zarządzania budynkiem BMS zbierającego dane ze wszystkich ważnych pomieszczeń. System ten powinien być nadrzędny w stosunku do sterowników poszczególnych urządzeń.
Wskaźniki energetyczne kontra certyfikaty
Znacznie lepszym, bo szerszym sposobem na ocenę budynku są certyfikaty, tzw. eko, do których zalicza się LEED (Leadership in Energy and Environmental Design), czyli prymat w projektowaniu energetycznym i środowiskowym. Projektowanie budynku, dla którego chcemy uzyskać certyfikat LEED, to już poważne przedsięwzięcie, którego początki sięgają decyzji o zakupie działki. Nie wchodząc w szczegóły certyfikacji, chciałbym krótko skupić się na aspektach związanych z oceną instalacji wentylacji. Otóż aby przystąpić do procedury certyfikacji, należy spełnić tzw. warunki konieczne, którymi są:
- wentylacja zależna od potrzeb dla powierzchni pomieszczenia powyżej 50 m2 i dla liczby osób powyżej 40/100 m2,
- zapewnienie odpowiedniego strumienia powietrza świeżego wg normy ASHRAE 62.1.
Następnie należy zastanowić się nad warunkami, które należy spełnić, aby uzyskać jak największą liczbę punktów.
Warunki punktowane:
- monitoring CO2 dla liczby osób powyżej 25/100 m2;
- zapewnienie odpowiedniego strumienia powietrza świeżego na poziomie o 30% powyżej wymagań podanych w ASHRAE 62.1, monitoring strumienia powietrza świeżego;
- zapewnienie indywidualnej kontroli warunków komfortu dla przynajmniej 50% użytkowników;
- spełnienie warunków komfortu stosownie do ubioru i aktywności fizycznej.
Jak wyraźnie widać z powyższego zestawienia, rozbudowany system monitoringu, indywidualne sterowanie oraz zwiększony strumień powietrza świeżego to warunki przynoszące cenne punkty w certyfikacie.
Podsumowanie
Uzyskanie certyfikatu budynku pasywnego nie gwarantuje wykonania dobrego budynku. Sztywne dążenie do uzyskania określonego zużycia energii prowadzi do projektowania karykatur budynków, które poza certyfikatem mogą nie zapewniać użytkownikowi minimum komfortu przez cały rok. Chwalebne jest dążenie do zminimalizowania zbędnych strat, ale należy zachować rozsądek w dążeniu do tego celu.
Niemożliwe jest uzyskanie dobrego standardu budynku przy zminimalizowanych kosztach inwestycyjnych, szczególnie tych przeznaczonych na projekt oraz na system automatycznej regulacji.
Konieczne jest szersze spojrzenie na budynek, nie tylko z poziomu licznika energii, ale również przynajmniej z uwzględnieniem dobrych warunków komfortu użytkowników.
Literatura
1. G. Schlagowski, Budownictwo pasywne – budynki na cztery pory roku, www.inteligentny budynek.eu.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2002 r. Nr 75, poz. 690 z późn. zm).
3. PN-EN 13779 Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji.
dr inż. Jarosław Müller
Politechnika Krakowska
Zakład Wentylacji, Klimatyzacji i Chłodnictwa
