Projektowanie instalacji sanitarnych w budynkach pasywnych – studium przypadku

Ugruntowanie na świecie polityki stanowiącej realizację strategii zrównoważonego rozwoju było punktem wyjścia wprowadzenia w budownictwie mieszkaniowym przepisów wyraźnie ograniczających zapotrzebowanie na energię w tym sektorze gospodarki. Efekty uzyskano przede wszystkim za pomocą zaostrzenia wymagań w zakresie izolacyjności termicznej przegród budowlanych oraz zdefiniowania ograniczeń co do wielkości wartości wskaźnika rocznego zapotrzebowania na energię pierwotną (EP). W Unii Europejskiej celem realizacji powyższego przyjęto dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE [1]. Konsekwencją przyjęcia dyrektywy w Polsce było opracowanie i wprowadzenie rozporządzenia [2] zmieniającego poprzednio obowiązujące przepisy w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Nowe rozporządzenie zaczęło obowiązywać od 1 stycznia 2014 r W dyrektywie [1] wprowadzono pojęcie obiektu o niemal zerowym zużyciu energii, definiowanym jako budynek o bardzo dobrej charakterystyce energetycznej mierzonej wskaźnikiem EP wyrażonej w kWh/m²rok. Niemal zerowa lub bardzo niska ilość energii użytkowej zużywanej w budynku powinna pochodzić w dużym stopniu z odnawialnych źródeł energii, w tym przetworzonej na miejscu lub w pobliżu, oraz wynikać z zastosowania wysokosprawnych rozwiązań instalacyjno-konstrukcyjnych. Dyrektywa określa tym samym minimalny standard nowo wznoszonych budynków. Standardem wyprzedzającym obecne wymagania w zakresie efektywności energetycznej jest idea budownictwa pasywnego (BP) zgodna z Passive House Institute (PHI), która łączy wysoki komfort mieszkalny z bardzo niskim zużyciem energii [3].

Rys. 1 Nowe klasy energetyczne BP [3]

Obiekty w standardzie pasywnym charakteryzuje wartość zapotrzebowania na energię użytkową (Eu) do celów ogrzewania i wentylacji wynosząca nie więcej niż 15 kWh na m² rocznie, która jest jednym z czterech głównych kryteriów wymaganych dla procesu certyfikacji obiektu przez PHI (tabl. 2) [3, 4]. Realizując proces wznoszenia BP, stosowane są m.in. następujące zasady:

– izolacyjność cieplna przegród zewnętrznych U ≤ 0,15 W/(m²K);

– minimalizacja wpływu liniowych mostków termicznych (≤ 0,01 W/mK);

– stolarka okienna wysoce zaizolowana (U ≤ 0,8 W/(m²K)) o dobrym wskaźniku całkowitej przepuszczalności energii słonecznej (g_n ~ 0,5);

– zastosowanie instalacji wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła o sprawności temperaturowej η_temp ≥ 75%.

Przedstawione kryteria i zasady dla BP obowiązują od kilkunastu lat [3, 4, 5].

Tabl. 1 Zapotrzebowanie energii na cele ogrzewcze

Budynki pasywne są już dziś dość często traktowane wyłącznie jako etap pośredni. Dąży się, aby najnowsze rozwiązania bazowały na budownictwie inteligentnym, autonomicznym, a w końcu na plusenergetycznym. Do ich realizacji wymagane są zarówno pasywne, jak i aktywne systemy wykorzystujące odnawialne i naturalne źródła energii. Dobór odpowiedniego systemu dla budynku zależy ściśle od potrzeb obiektu oraz jego charakterystyki.

W 2015 r. PHI wprowadził klasy energetyczne wsparte wykorzystaniem energii odnawialnej (rys. 1 i tabl. 3) [3, 4].

PH Classic to tradycyjny budynek pasywny, PH Plus powinien „wyprodukować” przynajmniej tyle samo energii co zużywa dla bilansowania netto rocznego, natomiast PH Premium staje się obiektem dodatnio energetycznym, generującym znacznie większą ilość energii niż zapotrzebowanie, jakim się charakteryzuje. Na dziś to cel nazbyt ambitny, by mógł znaleźć szersze zastosowanie, niemniej wyznacza kierunek, do którego należy dążyć.

W trakcie eksploatacji BP jego zapotrzebowanie na ciepło zależy od wielu czynników, m.in. od warunków zewnętrznych, jednak zasadniczą rolę odgrywa użytkownik. To jego zachowanie determinuje rzeczywiste ilości dyssypowanej energii pierwotnej. Budynki oparte na pasywnych systemach

energetycznych angażują komponenty swojej struktury w procesach pozyskania, magazynowania, rozprowadzenia i zachowania energii, zarówno ciepła, jak i chłodu, dlatego należy zadbać o jej prawidłowy przepływ.

Tabl. 2 Podstawowe kryteria budynku pasywnego

Narzędziem pomocnym na etapie planowania wznoszenia obiektów pasywnych, niezbędnym do ich optymalizacji, a następnie weryfikacji, jest pakiet budynków pasywnych (ang. Passive House Planning Package – PHPP) [6]. Liczne badania i porównania wyników pomiarów wykazały dobrą korelację obliczeń przeprowadzonych w PHPP ze średnią rzeczywistą wartością zużycia energii [3, 4].

Potrzeby energetyczne BP uzależnione są od jego charakterystyki oraz od zakresu wyposażenia w instalacje grzewczo-chłodzące, wentylacyjne,

przygotowania c.w.u. oraz oświetlenia. Pokrywane są one zazwyczaj z nieodnawialnych pierwotnych nośników energii. Aplikacja w budynkach energii pochodzącej ze źródeł naturalnych bądź odnawialnych wraz z wykorzystaniem wysokiej akumulacyjności wprowadza korzyści ekonomiczne i społeczne [10]. Wewnętrzne instalacje sanitarne są integralną częścią wszystkich budynków kubaturowych, natomiast BP niejako determinuje wybór konkretnego systemu utrzymania komfortu klimatycznego dla środowiska wewnętrznego. Dalsze rozważania na temat BP można znaleźć w [3, 4, 5].

Projektowanie wewnętrznych instalacji sanitarnych Etap planowania wznoszenia obiektu

Już na etapie wykonywania koncepcji architekt we współpracy z konsultantem energetycznym powinien odpowiednio zaplanować strukturę (m.in. charakterystykę energetyczną, współczynnik A/V) oraz układ funkcjonalno-użytkowy budynku (m.in. lokalizację pomieszczeń „czystych” i „brudnych”, „zimnych” i „ciepłych”), jego usytuowanie względem stron świata czy określić wytyczne dotyczące samej działki (osłonięcie, zacienienie). To zintegrowane podejście ma na celu zapewnienie wysokiej jakości środowiska wewnętrznego przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia energii pierwotnej. Etap koncepcyjny charakteryzuje wybór odpowiedniej strategii naturalnego wspomagania ogrzewania i chłodzenia obiektu [7, 10]. Pierwsza z nich preferuje zyski energetyczne, np. słoneczne w okresie ogrzewczym, określając sposoby pozyskiwania ciepła przez budynek, miejsca jego magazynowania i rozprowadzenia we wnętrzu. Polega ona na zwiększeniu termoizolacyjności i zapewnieniu wysokiej szczelności bryły, a także na odzysku ciepła z układów wentylacyjnych czy grzewczych, m.in. przez dystrybucję w budynkach pasywnych nadmiaru energii z ciepłej południowej części budynku do zimniejszej północnej. Druga strategia – naturalnego wspomagania chłodzenia, ma za zadanie ograniczenie zysków ciepła w okresie chłodzenia budynku i preferowanie dyssypacji energii w warunkach dużych obciążeń cieplnych, poza okresem ogrzewczym. Wymaga ona pozbycia się nadmiaru ciepła z obiektu wskutek m.in. właściwej dystrybucji powietrza wentylacyjnego. Naturalne strategie energetyczne posiadają często odmienne cele, przez co zachodzi ryzyko konfliktu, któremu należy przeciwdziałać przez dobór odpowiednich rozwiązań, najlepiej na najwcześniejszym etapie projektowania [10].

Rys. 2 Fragment ankiety preferencji decydenta – opracowanie własne

Wewnętrzne instalacje sanitarne

Instalacja zapewnienia komfortu klimatycznego powinna być dostosowana indywidualnie dla każdego budynku mieszkalnego, zgodnie z preferencjami inwestora i jego użytkowników, a w przypadku BP również w myśl określonych wytycznych. Na etapie koncepcji obiektu należy określić i zdefiniować wymagania stron realizujących proces budowlany. Najczęściej preferencje określone zostają na podstawie dialogu inwestora z deweloperem lub architektem. Jest to metoda często subiektywna i mało wiarygodna. Inną procedurą może być stworzenie ankiety wyboru, którą podmiot wypełnia indywidualnie i samodzielnie (rys. 2).

Projektant proponuje kilka wariantów rozwiązań, które kolejno przedstawia decydentom. Postępowanie zgodne z powyższą metodą prowadzi do wyboru korzystnego dla danego przypadku rozwiązania, np. w kwestii wyboru systemu zapewnienia komfortu.

Tabl. 4 Optymalne parametry środowiska wewnętrznego

Instalacja grzewcza (IG)

Rolą systemu ogrzewczego budynku jest zapewnienie w jego przestrzeni komfortu cieplnego. Komfort cieplny to taki stan otoczenia, w którym zachowana jest równowaga cieplna organizmu człowieka przy minimalnym obciążeniu jego układu termoregulacyjnego. Optymalne parametry środowiska wewnętrznego pozwalające zachować komfort cieplny, przy ustalonym wydatku energetycznym organizmu i rodzaju odzieży, dla poszczególnych pór roku powinny być przyjmowane z zakresu podanego w tabl. 4 [9]. Podstawą wymiarowania źródła ciepła w Polsce są obliczenia obciążeń cieplnych dla ogrzewanych pomieszczeń zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 12831 [8, 9]. Moc grzewcza źródła ciepła w danym obiekcie związana jest z jego potrzebami na cele ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Zapotrzebowanie na moc cieplną obliczoną zgodnie z [8] dla II strefy klimatycznej oraz dla określonego typu budownictwa zestawiono w tabl. 5.

Rys. 3 Zależność sprawności kotłów kondensacyjnych od stopnia obciążenia dla różnych parametrów wody grzewczej [9]

Rys. 4 Zależność efektywności pomp ciepła powietrznych od temperatury powietrza na wlocie dla różnych temperatur zasilania wody grzewczej [9]

Rys. 5 Zależność efektywności pomp ciepła solanka/woda od temperatury solanki na wlocie dla różnych temperatur zasilania wody grzewczej [9]

Należy zwrócić uwagę, że obowiązująca norma PN-EN 12831 [8] w obliczeniach cieplnych obciążenia grzewczego dla budynków mieszkalnych nie uwzględnia potencjalnie występujących wewnętrznych oraz zewnętrznych zysków ciepła, które w przypadku budownictwa pasywnego odgrywają znaczącą rolę. Przykładowo obliczeniowa temperatura powietrza zewnętrznego w okresie zimowym dla II strefy klimatycznej wynosi -18°C, natomiast dla miasta Poznania zgodnie z 30-letnimi danymi klimatycznymi spada maksymalnie do -15,6°C. Tak niskim temperaturom zewnętrznym, występującym podczas wyżów atmosferycznych, najczęściej towarzyszą duże ilości promieniowania słonecznego będące naturalnym źródłem ciepła BP Okresem szczytowych obciążeń grzewczych dla budynków tego typu ze względu na ich znaczną pojemność cieplną oraz dużą bezwładność termiczną są kilkudniowe i pochmurne okresy z temperaturami sięgającymi poniżej -10°C przy niewielkiej ilości promieniowania słonecznego. Z przeprowadzonych symulacji oraz z doświadczenia autora wynika, że źródła ciepła dla BP zwymiarowane zgodnie z normą PN-EN 12831 mogą być niekiedy znacznie przewymiarowane. W celu optymalizacji mocy źródła ciepła przeprowadza się obliczenia numeryczne, co jest uzasadnione pod względem ekonomicznym i ekologicznym w przypadku wielkokubaturowych BP Budynki pasywne w polskich warunkach klimatycznych charakteryzują się zapotrzebowaniem jednostkowym na moc grzewczą dla warunków obliczeniowych rzędu 15-25 W/m² dla obiektów jednorodzinnych oraz 10-15 W/m² dla wielorodzinnych (nie uwzględniając potencjalnych zysków ciepła) [9]. Tak znikoma ilość energii może zostać dostarczona przez zastosowanie źródeł odnawialnych, jest to możliwe dzięki temu, że mniejsze gęstości strumienia ciepła można dystrybuować za pomocą czynnika grzewczego o niskiej temperaturze zasilania schodzącej często poniżej 30°C. Dla tradycyjnych źródeł ciepła, jak kocioł gazowy, olejowy czy piec na paliwo stałe, obniżenie temperatury zasilania nie wpływa znacząco na wzrost ich sprawności przetwarzania energii (rys. 3), a w skrajnych przypadkach prowadzić może do problemów eksploatacyjnych, spowodowanych m.in. brakiem możliwości odbioru nadmiaru ciepła. Przy zastosowaniu pomp ciepła spadek temperatury zasilania o 1°C implikuje wzrost efektywności o około 2,5% (rys. 4, rys. 5) [9].

mgr inż. doktorant Bartosz Radomski

Politechnika Poznańska

Uwaga: Artykuł został pierwotnie przedstawiony w materiałach pokonferencyjnych Ogólnopolskiej Studenckiej Konferencji Budowlanej Budmika'16, Poznań, 2016.

Bibliografia

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.

2. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2013 r. poz. 926).

3. http://www.passiv.de/

4. Kriterien fur den Passivhaus-, Ener- PHit- und PHI-Energiesparhaus-Standard, Passivehaus Institut, 2015.

5. J. Jaskulska, B. Radomski, I. Rzeźnik, A. Figielek, Analiza parametrów budynku dostosowanego do standardu pasywnego według kryteriów Passive House institute, „Rynek instalacyjny” nr 1-2/2016.

6. Passive House Planning Package, Energy balance and Passive House Design Tool for quaiity approved Passie Houses and EnerPHit retrofits,PHI,

2016.

7. J. Figaszewski, J. Biedrońska, Graficzna prezentacja strategii pasywnego ogrzewania i chłodzenia budynku, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 45/1, 2014.

8. PN-EN 12831 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego, 2006.

9. B. Radomski, J. Jaskulska, Integracja systemów wentylacyjnych i grzewczo-chłodzących w budynkach pasywnych, II Ogólnopolska Studencka Konferencja Budowlana – Budmika 2015, Poznań.

10. B. Radomski, J. Jaskulska, Wykorzystanie naturalnych strategii wspomagania ogrzewania i chłodzenia budynku pasywnego, II Ogólnopolska Studencka Konferencja Budowlana – Budmika 2015, Poznań.