Jak zaprojektować budynek niskoenergetyczny w Polsce

Współczesny budynek mieszkalny, zwłaszcza w budownictwie jednorodzinnym, zarówno na etapie marzeń, jak i podczas jego projektowania, a potem eksploatacji  powinien spełniać wiele ważnych wymagań. Estetyka, wygoda, komfort użytkowy to niektóre z kryteriów, jakimi zarówno inwestor-użytkownik, jak i projektant kierują się podczas tworzenia myśli i rozwiązań budowlanych. Dodatkowe oczekiwania – niskie zużycie energii oraz minimalne straty energii albo wręcz samowystarczalność eksploatacyjna – to wyzwania, jakich obecnie nie każdy inwestor czy projektant się podejmie.

Fot. 1 Dom pasywny zrealizowany w Smolcu pod Wrocławiem w 2007 r. (Lipińscy Domy)

Wymagania prawne stawiane budynkom

Śledząc przeobrażenia technologiczno-materiałowe na przestrzeni ostatnich 50 lat, można przedstawić wartości wskaźników energooszczędności na następującym poziomie:

Stosując rozwiązania spełniające podstawowe założenia współczesnego energooszczędnego budownictwa, należy dokładnie prześledzić metody i dostępne,   coraz doskonalsze rozwiązania na rynku materiałów i technologii budownictwa. Współczesne tendencje projektowe zmierzają do opracowywania rozwiązań dla budynków energooszczędnych, pasywnych i niskoenergetycznych.

– Budynek energooszczędny – ogólnie można powiedzieć, że każdy budynek zużywający mniej energii niż dom normatywny można nazwać energooszczędnym. Powszechnie przyjmuje się, że dom można tak nazwać dopiero wtedy, gdy zużywa nie więcej niż 70% energii w porównaniu z domem standardowym (wybudowanym zgodnie z obowiązującymi przepisami). Przy tym zakłada się, że do pokrycia części potrzeb energetycznych wykorzystywane są odnawialne źródła energii.

– Budynek niskoenergetyczny – ciągły postęp w zakresie oszczędzania energii oraz projektowania budynków coraz cieplejszych i bardziej samowystarczalnych pod względem energetycznym doprowadził do wyodrębnienia tej nowej kategorii budynków. Ogólnie można przyjąć, że to domy, których utrzymanie wymaga zużycia najwyżej 45% energii niezbędnej dla budynków standardowych. Komfort życia mieszkańców (zwłaszcza cieplny zapewniony przez odpowiednią temperaturę i wentylację powietrza) pozostaje na bardzo wysokim  poziomie i jest lepszy niż w domach standardowych.

– Budynek pasywny – dążenie do zaprojektowania i zrealizowania domów w ogóle pozbawionych tradycyjnych systemów grzewczych zaowocowało wypracowaniem nowych standardów. Powstały tzw. domy pasywne, czyli budynki o ekstremalnie niskim zapotrzebowaniu na energię – maksymalnie 30% w stosunku do standardowych. Konstrukcje te wyznaczają nowe granice, do których należy dążyć.

Fot. 2 Centrum Transferu Technologii NUVARRO. Budynek niskoenergetyczny w Posadzie (gmina Kazimierz Biskupi) wykorzystujący OZE

Według wdrażanych w Polsce przepisów  wskaźnik sezonowego zapotrzebowania na energię do ogrzewania (E) nie powinien przekraczać  30–38 kWh/m³.
Projektowanie budynków sprowadza się zatem do zachowania kryteriów pozwalających na osiągnięcie założonych parametrów, co prowadzi do optymalizacji kosztów budowy i eksploatacji w odniesieniu do możliwości opłacalności inwestowania kapitału. Współczesny budynek jest – podobnie jak inne trwałe, solidne, estetyczne i wygodne dobra (np. samochód) – najczęściej oceniany pod względem standardu jakości oraz multiwyposażenia w nowe technologie obsługi użytkowej. Poziom zapotrzebowania na tego typu budownictwo nie wiąże się z barierą techniczną, z dostępnością finansową.

Państwo powinno wprowadzać programy wspomagające dostępność obywateli do ciągle rozwijającego się rynku nowoczesnych technik budowlanych.

Normy i Prawo budowlane są coraz bardziej restrykcyjne. Dostrzegając zalety zielonego budownictwa, rządy poszczególnych krajów oraz Unia Europejska (Dyrektywy EPBD z 2002 r. i 2010 r.) wprowadziły surowsze standardy z zakresu efektywności energetycznej dla nowych i modernizowanych budynków. Same mechanizmy rynkowe wydają się niewystarczające do uzyskania odpowiedniego poziomu efektywności energetycznej i oszczędnego korzystania z zasobów energetycznych w najbliższych latach, gdyż często nie uwzględniają negatywnych skutków emisji CO₂. Skutki te często prowadzą do rozdźwięku między tzw. kosztami prywatnymi ponoszonymi przez poszczególne osoby i kosztami społecznymi ponoszonymi przez całe społeczeństwo. Na całym świecie poszukuje się sposobów zachęcania do zwiększania efektywności energetycznej i bardziej racjonalnego korzystania z zasobów poprzez działania o charakterze politycznym, takie jak ulgi podatkowe i dotowanie inwestycji w odnawialne źródła energii.

Fot. 3 Współczesny budynek niskoenergetyczny z zielonym dachem

(Fot. archiwum autora)

Pomoc państwa dla inwestorów w Europie i na świecie

Wiele rządów państw w Europie dotuje wykorzystanie odnawialnych źródeł energii i wspiera działania służące poprawie izolacji cieplnej. Większość państw europejskich zaostrzyła także przepisy dotyczące ochrony środowiska, mające zastosowanie do nowych budynków i modernizacji istniejących. Budynki spełniające standardy wysokiej efektywności energetycznej i inne normy środowiskowe przyczyniają się do obniżenia poziomu emisji CO₂ i często nazywane są „budynkami zielonymi”.

W swoim cyklu życia budynki są źródłem istotnej części globalnej emisji gazów cieplarnianych. Według raportu Komisji Europejskiej budynki odpowiadają za największą część zużycia energii w UE (42%) i za ok. 35% emisji gazów cieplarnianych. Budynki energooszczędne oraz modernizacja budynków mająca na celu zmniejszenie zużycia energii mogą być źródłem istotnych oszczędności.

Różne mechanizmy rynkowe w połączeniu z prawnymi zachętami i nakazami wpływają na właścicieli i administratorów nieruchomości, aby podejmowali działania zwiększajace energooszczędność obiektów, choć główny nacisk kładzie się teraz często na bardziej efektywną eksploatację istniejących nieruchomości niż na nowe inwestycje lub kosztowne remonty. Wspomniane mechanizmy rynkowe to m.in. popyt wśród najemców na lokale w bardziej ekologicznych budynkach oraz wzrost zapotrzebowania na inwestycje realizowane z uwzględnieniem odpowiedzialności za dobro wspólne. Ponadto wahania cen energii w ostatnich kilku latach sprawiły, że inwestycje ekologiczne stają się coraz bardziej atrakcyjne finansowo, zwłaszcza dzięki wprowadzeniu tańszych ekologicznych technologii wpływających na skalę wydatków na energię na przestrzeni kilku–kilkunastu lat użytkowania budynków.

Fot. 4 Współczesne budynki energooszczędne o tradycyjnych kształtach (Fot. archiwum autora)

Wymagania użytkowe stawiane współczesnym budynkom

Aby współczesne konstrukcje budowlane mogły sprostać wymaganiom  określonym w przepisach techniczno-budowlanych, powinny być – zarówno w fazie koncepcji projektowych, jak i w analizach rozwiązań techniczno-materiałowych – rozpatrywane przez autorów (inwestora i projektanta) według kryteriów użytkowych oraz konsekwencji technologiczno-realizacyjnej. Dość często zastosowanie rozwiązań projektowych, jakie obserwujemy od kilkunastu lat, bez szeroko rozumianych konsekwencji użytkowych skutkuje wieloma zagrożeniami, takimi jak pogorszenie klimatu użytkowego, wzrost zachorowalności mieszkańców, a nawet (efekt kondensacji wilgoci w elementach konstrukcyjno-budowlanych) awarii konstrukcji stropodachów w poddaszach użytkowych. Pojawiające się na ścianach i sufitach wykwity pleśni na skutek źle wentylowanych pomieszczeń (problem  dotyczy w szczególności kuchni, aneksów kuchennych  i łazienek) są wynikiem zastosowania szczelnej stolarki okiennej w nowym budownictwie i w remontowanych obiektach.

W celu ograniczenia „wypływu ciepła z pomieszczeń”, bez dobrania właściwych rozwiązań napływu świeżego powietrza, użytkownicy lokali zaślepiają wloty kratek wentylacyjnych, bez zastanowienia się, jakie będą tego następstwa.

Dostrzegając zalety zielonego budownictwa, rządy poszczególnych krajów oraz UE wprowadziły surowsze standardy z zakresu efektywności energetycznej dla nowych  i modernizowanych budynków.
Na przykład Kopenhaga jest pierwszym skandynawskim miastem, w którym wszystkie nowe budynki z nachyleniem połaci dachowej mniejszym niż 30 stopni mają posiadać zielone dachy. Ta zasada, wprowadzona w życie w 2010 r., jest jednym z etapów realizacji celu, jakim jest osiągnięcie neutralności emisji dwutlenku węgla do 2025 r.  W Niemczech obowiązują przepisy zachęcające do wykonywania zielonych dachów. W wielu miejscowościach ich właściciele uzyskują obniżkę opłat z tytułu odprowadzania wody opadowej, co wynika z możliwości retencji wody przez zielony dach i odciążenia instalacji burzowej podczas gwałtownych opadów.

Projektanci i producenci wpływają na świadomość swoich klientów, proponując estetyczne i nowoczesne rozwiązania budowlane. Często są to domy z elementów prefabrykowanych.

Fot. 5 Siedziba Schüco International Polska, Siestrzeń koło Warszawy

Fot. FORMO 3 ARCHITEKCI

Zgodnie z opinią dr. inż. A. Węglarza  z Krajowej Agencji Poszanowania Energii: Optymalizacja rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych uwzględniająca life cycle cost analysis (analizę kosztów cyklu życia budynków) będzie podstawą projektowania. Dotychczas architekt projektował przede wszystkim zgodnie z gustem inwestora, np. dewelopera. Inwestor będzie miał nadal decydujący wpływ, ale projektant zmuszony będzie dążyć do tego, by budynek spełniał znacznie ostrzejsze wymagania pod kątem standardów energetycznych. Oznacza to np. uwzględnianie orientacji względem słońca, lokowanie okien od strony południowej i ograniczenie ich liczby od północnej, gdzie znajdować się będą głównie pomieszczenia techniczne, czy zapewnianie odpowiedniej izolacji. I tu pojawiają się problemy. Jeśli byśmy mieli korzystać z tradycyjnych izolacji, ich grubość sięgałaby 30–40 cm.

Zatem nowoczesne rozwiązania materiałowe, szczególnie z grupy tzw. materiałów izolacji termicznych, będą w centrum uwagi producentów tych technologii. Wielobranżowe, powstające obecnie projekty budowlane zwykle proponują łatwo dostępne i niedrogie w montażu rozwiązania instalacji grzewczych, wentylacji (najczęściej grawitacyjnej) oraz przeszkleń, dość swobodnie spełniające kryteria obowiązujących norm projektowych. Jednak w najbliższej przyszłości projektanci będą sięgać nie po rozwiązania dość tanie podczas nabycia, ale stosunkowo drogie w eksploatacji, lecz raczej po te droższe podczas zakupu i montażu, ale zapewniające tańszą eksploatację obiektu.

Warto zauważyć, że współczesny budynek mieszkalny jest obiektem użytkowanym przez przeciętną rodzinę często niemal „sezonowo”, a co najmniej cyklicznie. Dla przykładu scenariusz użytkowania trzech typów rodzinnych budynków przedstawia się następująco:

Fot. 6 Wykorzystanie zieleni w przestrzeni półpublicznej; zagospodarowanie dachu nad garażem wspólnym dla kilku budynków mieszkalnych  na osiedlu strzeżonym

Fot. archiwum Optigruen

Model I. Rodzina wielopokoleniowa

Mieszkańcy to rodzice z dziećmi oraz przynajmniej rodzice jednego z rodziców (dziadkowie).W okresie pierwszych ok. 15–18  lat zamieszkują wspólnie trzy pokolenia, a ich czas użytkowania budynku jest w ciągu doby niemal jednakowy pod względem zapotrzebowania na energię cieplną i elektryczną, z pewnym spadkiem w okresie pory nocnej (ok. 1/4) doby. Niekiedy także spotyka się czwarte pokolenie (rodzic jednego z dziadków) i wówczas użytkowanie budynku z wyższym zapotrzebowaniem na energię cieplną wzrasta. Łączny czas zwiększonego zapotrzebowania energetycznego będzie wówczas wynosił ok. 80% doby.

Model II. Rodzina dwupokoleniowa

składająca się z rodziców i małych dzieci. Plan dnia zamieszkiwania budynku sprowadza się do wyjścia z domu w godzinach porannych i powrotu do niego w godzinach późnopopołudniowych. Ponad 1/3 doby budynek nie jest zamieszkiwany, a jego intensywne użytkowanie oraz zapotrzebowanie na energię trwa do 6 godzin na dobę w okresie popołudniowo-wieczornym. Całkowity procentowy czas na zwiększone zapotrzebowanie energii dochodzić może w tym przypadku do ok. 55–60% doby.

Model III. Jednopokoleniowy

Młode małżeństwo przez kilka lat decyduje się mieszkać bez powiększania rodziny, a jeśli przyjdzie na świat dziecko lub dzieci – wiele czasu spędza w żłobkach i przedszkolach. Zatem zapotrzebowanie na energię w okresie przebywania mieszkańców dotyczy przeważnie popołudniowo-wieczornych godzin, z niewielkim spadkiem w porze nocnej, zatem można przyjąć, że na ok. 40% doby  przypada mniejsze zużycie energii.

W każdym z przytoczonych modeli należy zatem inaczej regulować zużycie energii. Zainstalowane w budynku mieszkalnym źródła ciepła powinny się składać z dość precyzyjnego zespołu urządzeń sterujących zarówno zużyciem, jak i wytworzeniem w określonym czasie ciepła. Materiały, z których jest zbudowany dom, powinny  kumulować energię w taki sposób, aby sprostać wymaganiom w okresie, gdy zapotrzebowanie na energię cieplną jest mniejsze. Jednoznacznie można stwierdzić, iż współcześnie projektowany nowy budynek powinien być wyposażony w wiele urządzeń technicznych umożliwiających ich chwilowe wykorzystanie, a mikroklimat  i komfort życia mieszkańców wspomagać będzie regulacja urządzeń technicznych stosownie do modelu życia mieszkańców. Podobnie jak nowoczesne auta naszpikowane elektroniką, tak współczesne budynki mieszkalne, a także domy przyszłości wyposażone w wiele wspomagających użytkowych systemów instalacji sterowanych zdalnie lub miejscowo, nie będą tanie w nabyciu, ale ich długoletnia eksploatacja doprowadzi do pozytywnych ekonomicznych bilansów.

Postulaty projektowe

Projektując nowy budynek lub modernizując istniejący obiekt kubaturowy, należy przed podjęciem decyzji o wydatkach przeprowadzić rzetelną kalkulację kosztów. Podejmując takie decyzje, warto pamiętać, że ciepło „ucieka” z domu najczęściej przez:

– dach – od 15% do 25%,

– ściany – od 20% do 35%,

– wentylację – od 10% do 40%,

– okna – od 15% do 25%,

– podłogę – od 5% do 10%.

W projektowaniu domów często wykorzystuje się ekologiczne i energooszczędne kotły grzewcze, których praca obniża rachunki za ogrzewanie i sprzyja ochronie środowiska. Kocioł grzewczy musi być wspierany rozwiązaniami  konstrukcyjnymi. Projektanci domów energooszczędnych stawiają na izolację przegród zewnętrznych, eliminującą mostki termiczne.

W istniejących budynkach oprócz wymiany stolarki okiennej należy dokonać docieplenia ścian zewnętrznych. Ponad 30% traconego w budynku ciepła przenika przez ściany, które nie są docieplone. Warto pamiętać, że ściana jednowarstwowa nawet o najlepszych parametrach termicznych ma nawet sześć razy gorsze właściwości termoizolacyjne od najlepszych na rynku materiałów termoizolacyjnych. Badania wykazują, że przez izolację termiczną z wełny mineralnej lub styropianu przenika ok. 20 razy mniej ciepła niż przez warstwy z betonu. Dlatego warto ocieplać stare ściany mające nawet takie rozwiązania, jak „pustka powietrzna” w kanałach przemurowywanych co kilka warstw ze względów konstrukcyjnych. Istotny jest też fakt, że jest to sposób na podniesienie walorów estetycznych nieruchomości.

Istotnym elementem współodpowiedzialnym za zużycie energii  jest zaprojektowanie otoczenia budynków mieszkalnych zwłaszcza w zespołach obiektów wolno stojących,  mających wspólną przestrzeń „półpubliczną” w postaci np. placów zabaw, placów rekreacyjnych lub miejsc określanych jako budynki garażowe zlokalizowane poniżej poziomu terenu. Zagospodarowane dachy urządzoną zielenią tworzą swoisty klimat środowiskowy, a zarazem  ich eksploatacja związana jest z zapewnieniem podlewania wodą deszczową zgromadzoną w specjalnie do tego celu zaprojektowanych zbiornikach.

Ważne znaczenie dla właściwego gospodarowania ciepłem mają okna – ich wielkość, a szczególnie izolacyjność, pomijając umieszczenie w bryle budynku. Przez nieszczelne lub zbyt duże okna „pozbywamy się” nawet 30% ciepła. W istniejących budynkach należy zatem stosować uszczelnienie okien lub wymienić je na nowoczesne (szczelne), co  jest właściwie niezbędne podczas ocieplania budynku. Straty ciepła można również ograniczyć przez zamontowanie okiennic i rolet zewnętrznych, zamykanych na noc. Warto pamiętać też, że im więcej okien znajduje się w pomieszczeniu, tym większe jest jego zapotrzebowanie na ciepło. Okna dachowe we współczesnych rozwiązaniach pozwalają na osiąganie dobrych współczynników izolacyjności, zatem ich stosowanie w budownictwie energooszczędnym staje się powszechną praktyką. Istotą lokalizacji tych okien jest ich odpowiednie sytuowanie względem siebie, aby eliminować mostki termiczne na połączeniu pojedynczych okien w duże wieloelementowe powierzchnie.

Instalacje centralnego ogrzewania w starych domach jednorodzinnych są często rozregulowane, a rury zarośnięte osadami. Instalacje bez zaworów termostatycznych nie dają możliwości regulowania temperatur w poszczególnych pomieszczeniach budynku. Cała instalacja pracuje jednakowo, w niezamieszkanych pomieszczeniach temperatura jest zbyt wysoka i nie dostosowuje się do zmieniających się warunków pogodowych. Modernizując instalację centralnego ogrzewania, warto zacząć od wymiany rur – najczęściej nieobudowanych i zarośniętych wewnątrz kamieniem kotłowym i innymi osadami  – rozprowadzających energię po domu. Następnym krokiem jest instalacja grzejników odpowiednich do zapotrzebowania na ciepło, które należy wyposażyć w zawory termostatyczne, a za każdym grzejnikiem zainstalować matę ekranową.

Jednym z przykładów automatyki we współczesnych domach indywidualnych i wielorodzinnych mającej na celu oszczędzanie energii  jest stosowanie regulatora pogodowego (tzw. automatyka pogodowa), który reguluje dostarczanie ciepła do całego budynku. Regulator pogodowy ogranicza ilość ciepła dostarczanego do całego budynku, sterując dostawą ciepła do budynku w zależności od temperatury zewnętrznej. Gdy temperatura zewnętrzna wzrasta, urządzenie automatycznie ogranicza dopływ ciepła do budynku. W okresach przejściowych (np. wiosną) automatyka pogodowa może nawet wyłączać ogrzewanie w budynku w dzień, kiedy temperatura jest wysoka, a włączać w nocy, gdy temperatura zewnętrzna spada. Taka regulacja zapewnia mieszkańcom komfort, zapobiega wychładzaniu i nadmiernemu zawilgoceniu obiektu, a jednocześnie pozwala uniknąć przegrzania i niepotrzebnych kosztów.

Przy stosowaniu automatyki pogodowej wskazany jest również montaż zaworów termostatycznych. W tym przypadku zawory termostatyczne służą do ograniczania zużycia ciepła w poszczególnych pomieszczeniach.

Wnioski

Sektor budownictwa został zidentyfikowany przez Unię Europejską jako jeden z rynków o największym potencjale, jeśli chodzi o ograniczanie zużycia energii. Ekologiczne technologie przyczyniają się do stosunkowo dużego ograniczenia wykorzystania zasobów energii przy relatywnie małych kosztach redukcji emisji CO₂. Technologie te czynią wyższymi początkowe koszty (budowy) zielonych budynków, są jednak opłacalne z punktu widzenia całego cyklu życia budynku.

Upodobania lub zwyczaje dotąd dominujące w zakresie korzystania ze źródeł energii się zmieniają. Czasem ludzie nie potrzebują wielkich zachęt albo restrykcyjnych przepisów, by zmienić swoje zachowania. Richard Thaler i Cass Sunstein, dwaj profesorowie posługujący się wynikami ekonomii behawioralnej, powiedzieliby pewnie „wystarczy szturchnięcie”. W przypadku zielonych budynków wymóg podawania do wiadomości publicznej informacji o efektywności energetycznej budynku, jak np. w Wielkiej Brytanii w odniesieniu do budynków użyteczności publicznej, może zmienić zachowanie ludzi w większym stopniu niż jakiekolwiek przepisy, a użytkowników budynków zachęcić do ekonomicznej ich eksploatacji.

Przepisy UE prawdopodobnie wprowadzą wymóg budowania od 2021 r. wyłącznie budynków wysoce energooszczędnych oraz wyższe normy efektywności energetycznej dla budynków już istniejących. Rolą ośrodków nauki będzie edukowanie w kierunku poznania, popularyzacji oraz rozwoju technik i technologii niskoenergetycznych, a kształcenie specjalistów branży budowlanej będzie ukierunkowane na tworzenie modelu zintegrowanego projektowania energetycznego. Inżynier budownictwa w przyszłości będzie to „specjalista zintegrowany”.

Roman Pilch

mgr inż. architekt, mgr inż. budownictwa

Bibliografia

1. J. Adamczyk, Rola terenów zielonych w łagodzeniu niekorzystnych skutków procesu urbanizacyjnego, praca zbiorowa pod red. J. Słodczyka, Przemiany struktury przestrzennej miast w sferze funkcjonalnej i społecznej, Wyd. Uniwersytetu Opolskiego, 2004.

2. J. Adamowski, Dom energooszczędny czy pasywny? Analiza opłacalności, „Izolacje”, nr 11/12, 2007.

3. Mały rocznik statystyczny Polski. Zakład Wydawnictw Statystycznych, Warszawa 2009.

4. S. Pietruszko, Odnawialne źródła energii krajów Unii Europejskiej i USA, Akademia Górniczo-Hutnicza, materiały dydaktyczne dla studiów podyplomowych Odnawialne Zasoby i Źródła Energii, Kraków 2004.

5. W. Sarosiek, Eksploatacja jednorodzinnego budynku energooszczędnego położonego w północno-wschodniej Polsce, Akademia Górniczo-Hutnicza, materiały dydaktyczne dla studiów podyplomowych Odnawialne Zasoby i Źródła Energii, Kraków 2009.

6. E. Szczechowiak, Podejście zintegrowane w projektowaniu budynków współczesnych, Inżynieria Środowiska 2009.

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