Typowe problemy z zakresu budownictwa, a szczególnie fizyki budowli stają się przedmiotem szerokiego społecznego zainteresowania. Przy tej okazji powstają obiegowe opinie dotyczące poszczególnych technologii czy materiałów, rozchodzą się informacje o realnych lub urojonych zagrożeniach czy ukrytych wadach.
Nowinki techniczne, chętnie propagowane przez popularne czasopisma, łatwo trafiają do wyobraźni czytelników i mogą czasem zastępować realny osąd sytuacji. Dużą rolę w kształtowaniu społecznej świadomości może także odgrywać nachalny negatywny marketing, do którego sięgają niektórzy producenci materiałów budowlanych. Powstały w ten sposób obraz funkcjonowania budynku bywa więc czasem skrzywiony, pełen stereotypów, półprawd albo wręcz bezpodstawnych mitów.
Fot. 1. Skuteczna forma ochrony okna południowego przed promieniowaniem (fot. autor)
Jakie okna
Architektura tradycyjna opierała się na doświadczeniach i rozwiązaniach testowanych i doskonalonych przez setki lat. Taka powolna procedura doświadczalna pozwalała na eliminację wszystkich błędów, zanim uległy one powieleniu na większą skalę. Do tradycyjnych zasad poprawnego budowania można zaliczyć np.:
– lokowanie budynku w miejscu naturalnie osłoniętym od wiatru, ale z dobrym dostępem do słońca,
– otulenie strefy mieszkalnej pomieszczeniami pomocniczymi i inwentarskimi,
– stosunkowo niewielka powierzchnia okien, ale powiększona powierzchnia okien w ścianie południowej,
– pomieszczenia mieszkalne zlokalizowane w południowej części budynku,
– przewiewne strychy nad izolowanym termicznie stropem itd.
Zasady te pozostały w dużej mierze aktualne. Często można obserwować mniej lub bardziej udane próby wracania do nich we współczesnych budynkach energooszczędnych. Niektóre tradycyjne obserwacje zostały jednak zarzucone lub przekręcone i w ten sposób funkcjonują obecnie w świadomości społecznej. To stwierdzenie dotyczy m.in. preferowanej orientacji okien. Okna południowe są bowiem traktowane jako główna przyczyna przegrzewania wnętrz.
Rys. 1. Miesięczne sumy energii słonecznej dla płaszczyzny poziomej i płaszczyzn pionowych o różnych orientacjach [1]
Na rys. 1 pokazano wykresy ilości energii słonecznej, jaka w poszczególnych miesiącach roku dociera w naszej szerokości geograficznej do różnie zorientowanych przegród budynku. W przypadku orientacji wschodniej i zachodniej (a także północnej) maksimum energii słonecznej przypada na okres letni, kiedy ochrona przed przegrzaniem wnętrza jest zadaniem najważniejszym (strzałka czerwona). W tym samym okresie ilość energii słonecznej docierającej do płaszczyzny zorientowanej na południe jest wyraźnie mniejsza. Natomiast w zimie płaszczyzna okien zorientowanych na południe jest nasłoneczniona najobficiej (strzałka niebieska) i może być dla pomieszczenia źródłem istotnych i pożądanych w tym okresie zysków cieplnych. Niezależnie jednak od orientacji wielkość okien i związane z tym zyski cieplne muszą być przedmiotem rozważnego projektowania, pozwalającego na minimalizację zapotrzebowania na ogrzewanie i ochronę wnętrza przed przegrzewaniem.
Dodatkową zaletą okien zorientowanych na południe jest możliwość ich prostej i skutecznej ochrony przed nadmiernym nasłonecznieniem poprzez osłony zacieniające. Stała osłona pozioma dobrze chroni płaszczyznę okna przed padającym pod dużym kątem promieniowaniem w szczycie wiosennego czy letniego dnia, a nie ogranicza dostępu promieniowania słonecznego do okna w trakcie zimy (fot. 1). Ta sam osłona zastosowana nad oknem wschodnim czy zachodnim będzie niemal zupełnie bezużyteczna.
Rys. 2. Struktura bilansu cieplnego energooszczędnych budynków IEA [2]
Struktura bilansu cieplnego budynków energooszczędnych
Podwyższanie izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych budynku, a także znaczne ograniczanie strat wentylacyjnych sprawia, że proporcje poszczególnych składników bilansu cieplnego budynków energooszczędnych różnią się w istotny sposób od tych, które miały miejsce w przypadku budynków tradycyjnych.
Na rys. 2 pokazano uśrednioną strukturę bilansu cieplnego dla 15 doświadczalnych budynków, zrealizowanych na całym świecie, w ramach programu badawczego International Energy Agency (IEA) [3].
Budynki znacznie różniły się między sobą pod względem szczegółowych rozwiązań technicznych. Zdecydowanie różne były też warunki klimatyczne ich lokalizacji. Mimo to łatwo zauważyć można mały udział w bilansie cieplnym ogrzewania konwencjonalnego oraz dominujący udział energii słonecznej i bytowych zysków wewnętrznych. W jednym z dwóch budynków niemieckich ogrzewanie konwencjonalne pokrywa 25% całkowitego zapotrzebowania, a 43% udziału w bilansie ma biernie pozyskiwana energia słoneczna. W przypadku bardzo niekorzystnych warunków temperaturowych i słonecznych w Hamar, w środkowej Norwegii (powyżej 60oN), w świetnie izolowanym segmencie budynku szeregowego dostawa energii z zewnątrz pokrywa 11% zapotrzebowania, odzysk ciepła z powietrza wentylacyjnego 56%, zyski od ludzi i urządzeń 15%, a zyski słoneczne 10%. Podane wartości średnie oraz wybrane przykłady, mimo różnic ze względu na poziom izolacyjności termicznej i warunki otoczenia, dobrze ilustrują znaczenie dla bilansu cieplnego budynku zysków, które dotąd miały znaczenie marginalne, oraz wskazują kierunki dalszego rozwoju budownictwa energooszczędnego.
Dzięki znacznemu obniżeniu strat cieplnych z budynku poprzez konsekwentne izolowanie powłoki zewnętrznej i odzysk ciepła z powietrza wentylacyjnego zapotrzebowanie na ogrzewanie może być w znacznej mierze pokrywane przez bytowe zyski cieplne oraz zyski od biernie pozyskanego promieniowania słonecznego.
Fot. 2. Socjalne budynki pasywne w zabudowie szeregowej, Wuppertal, Niemcy (fot. autor)
Komfort cieplny w budynkach pasywnych
W ramach programu europejskiego, którego realizacje rozpoczęto w 1998 r., powstało już w Europie kilka tysięcy tzw. budynków pasywnych. Większość z nich wzniesiono w Niemczech, zaledwie kilka znajduje się w Polsce. Budynki tego typu stanowią dziś ważny element strategii tzw. zrównoważonego rozwoju i ochrony środowiska.
Dom pasywny zapewnia wymagany komfort termiczny we wnętrzu tylko przy tzw. uzupełniającym systemie ogrzewania konwencjonalnego, używanym jedynie w najchłodniejszych okresach roku. Jest to możliwe m.in. poprzez:
– radykalne ograniczenie strat cieplnych na drodze przenikania przez przegrody nieprzezroczyste i przezroczyste,
– odzysk ciepła z powietrza wentylacyjnego,
– możliwie efektywne wykorzystanie pasywnych (biernych) zysków słonecznych.
Zalecany współczynnik przenikania ciepła dla przegród nieprzezroczystych powinien spełniać warunek U≤0,1 W/(m2K). Z tego warunku wynikają warstwy efektywnej izolacji termicznej o grubościach rzędu 30–40 cm. Zapotrzebowanie na konwencjonalną energię ogrzewania w budynkach pasywnych nie powinno przekraczać 15 kWh/(m2rok).
Rys. 3. Zapotrzebowania na energię do ogrzewania budynku w zależności od powierzchni okna południowego i pojemności cieplnej wnętrza; standard izolacyjny budynku pasywnego, oszklenie niskoemisyjne [4]
Niezwykle wysokie wymagania dotyczą izolacyjności termicznej każdego elementu budynku pasywnego. Z tą kwestią związane są dwa kolejne mity. Drewno jest traktowane jako materiał o niezwykle korzystnych właściwościach izolacyjnych i wilgotnościowych. W rzeczywistości elementy drewniane ścian lub okien muszą być wspomagane efektywną izolacją termiczną, aby spełnić obecne wymagania.
Dodatkowy koszt inwestycyjny pogrubionej izolacji termicznej, lepszych okien, wymienników ciepła ma być według założeń szybko kompensowany oszczędnościami inwestycyjnymi, wynikającymi z rezygnacji z konwencjonalnej instalacji grzewczej oraz znacznymi oszczędnościami przy eksploatacji w trakcie całego życia technicznego budynku. Jednak ocena opłacalności budownictwa pasywnego nie jest już tak jednoznaczna i łatwa. Duże znaczenie w łącznej ocenie energetyczno-ekonomicznej będzie miał również rodzaj zabudowy oraz standard budynku. W przypadku bardzo rozpowszechnionego w Niemczech budownictwa szeregowego względnie niska cena segmentu mieszkalnego jest związana z małą powierzchnią działki, małą powierzchnią i prostotą budynku, bez obniżenia standardu
technicznego i energetycznego. Przykładem jest socjalne budownictwo pasywne wznoszone przez władze miejskie Wuppertalu.
technicznego i energetycznego. Przykładem jest socjalne budownictwo pasywne wznoszone przez władze miejskie Wuppertalu.
Charakterystyczną cechą budownictwa o standardzie energetycznym budynku pasywnego jest komfort cieplny we wnętrzu. Jest on wynikiem bardzo zbliżonej temperatury powietrza i tzw. temperatury promieniowania otoczenia, czyli średniej temperatury przegród tworzących wnętrze. Łączne oddziaływanie temperatury powietrza i przegród jest określane przy użyciu tzw. temperatury operatywnej, opisanej w sposób następujący [1]:
|
Toperatywna
|
=
|
Tpowietrza + Totoczenia
|
|
2
|
Jak wynika z tej zależności, dla prawidłowej oceny warunków cieplnych w pomieszczeniu równie ważna jak temperatura powietrza jest także temperatura wszystkich przegród tworzących pomieszczenie. W budynkach słabo izolowanych jest ona niska i w efekcie temperatura operatywna (odczuwalna) jest również obniżona, wywołując dyskomfort użytkowania.
Wpływ powierzchni przeszklenia na zapotrzebowanie na energię ogrzewania
Jak wspomniano, proces przepuszczania promieniowania przez szyby, a następnie absorpcji i akumulacji energii słonecznej w przegrodach budynku jest skomplikowany i zależny od wielu parametrów, a więc poprawne projektowanie biernych systemów powinno te wszystkie parametry uwzględniać. Nie ma jednak użytecznych i relatywnie prostych narzędzi projektowych, do których mógłby sięgnąć projektant tzw. architektury słonecznej. Projektanci nie znają zwykle skomplikowanych dynamicznych procesów pozyskiwania i akumulowania energii w przegrodach. Często więc projektowanie architektury słonecznej kończy się dotkliwą porażką nie tylko projektanta, ale przede wszystkim użytkowników budynku. Energia słoneczna ma szczególne znaczenie dla bilansu cieplnego modnych obecnie tzw. budynków pasywnych, ale także i tu brak jest narzędzi wspomagających proces projektowania takich obiektów. Powiększanie powierzchni przeszklonych otworów, a więc uważane za skuteczne maksymalizowanie zysków może tu być bardzo zawodne.
Analizy prezentowane w artykule są oparte na długookresowych obliczeniach symulacyjnych przeprowadzonych w programie EnergyPlus. Ich przedmiotem jest wydzielona termicznie, południowo-zachodnia część budynku jednorodzinnego o powierzchni 25 m2, zlokalizowanego w Krakowie. W obliczeniach dokonywano zmian pola powierzchni południowego okna, a także pojemności cieplnej przegród, nie zmieniając ich izolacyjności termicznej. W tab. 1 przedstawiono analizowane warianty pojemności cieplnej obudowy przypadającej na jednostkowe pole powierzchni podłogi.
|
Wariant
|
Pojemność
cieplna Ca/f |
Klasyfikacja
obudowy |
|
|
kJ/m2·K
|
|
|
I
|
79.31
|
obudowa lekka
|
|
II
|
105.86
|
obudowa lekka
|
|
III
|
258.73
|
obudowa średnio masywna
|
|
IV
|
624.62
|
obudowa masywna
|
|
|
|
|
|
V
|
834.62
|
obudowa masywna
|
|
VI
|
960.62
|
obudowa masywna
|
|
VII
|
1919.40
|
obudowa bardzo masywna
|
Tab. 1. Warianty pojemności cieplnej obudowy
Wyniki obliczeń symulacyjnych dla fragmentu jednorodzinnego budynku o standardzie izolacyjnym domu pasywnego i ze standardowym oszkleniem niskoemisyjnym przedstawiono na wykresie rys. 3 [4].
Ogólne wnioski wynikające z kształtu i wzajemnego ułożenia krzywych na wykresie:
– możliwość akumulacji ciepła w masywnych przegrodach tworzących pomieszczenie pozwala znacznie skuteczniej wykorzystywać energię promieniowania słonecznego, niż jest to możliwe w przypadku budynku lekkiego;
– powiększanie powierzchni okien południowych i związanych z nimi zysków słonecznych ma sens jedynie do pewnego ściśle zależnego od pojemności cieplnej pomieszczenia momentu, jego przekroczenie wiąże się z ponownym wzrostem zapotrzebowania na ogrzewanie i znacznie nasilonym przegrzewaniem wnętrza;
– znaczne przewymiarowanie okna zamiast dużych oszczędności energetycznych prowadzi do dużego wzrostu zapotrzebowania na energię zarówno w okresie zimowym, jak i letnim.
Ta ostatnia obserwacja ma kapitalne znaczenie dla podkreślenia znaczenia precyzyjnego narzędzia projektowego dla budynków o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię. Budynki pasywne wzięły swą nazwę i kojarzą się potocznie z biernym systemami słonecznymi, tzw. architekturą słoneczną, i wreszcie z dużymi płaszczyznami przeszkleń. Jak pokazano jednak, bardzo duże połacie okien południowych o wysokiej izolacyjności termicznej nie powinny być stosowane w budynkach nowego standardu. Powiększone ponad poziom oświetleniowy powierzchnie okien, a więc przewymiarowane w stosunku do wartości optymalnych, prowadzą jednocześnie do istotnego wzrostu zapotrzebowania na energię do ogrzewania i chłodzenia wnętrza.
W Polsce brakuje aktualnych i precyzyjnych zasad projektowania powierzchni przeszklenia. W przepisach spotkać można nieco archaiczny już dziś zalecany wskaźnik przeszklenia wynikający z potrzeb oświetlenia naturalnego. Jak pokazano wcześniej, duże powierzchnie przeszklenia mogą mieć decydujący wpływ zarówno na zapotrzebowanie energetyczne budynków, jak też na warunki użytkowe. Budynki nadmiernie i nieracjonalnie przeszklone wznoszone były w okresie socjalistycznym jako symbol nowoczesności (fot. 3).
Bezsensowne z punktu widzenia zapotrzebowania na ogrzewanie, chłodzenie i komfort użytkowania budynki wznosi się jednak także i dziś.
Fot. 3. Fragment przeszklonej w całości wschodniej ściany budynku dydaktycznego z lat 70.
Szczelność przegród a „oddychanie”
Dyfuzja pary wodnej przez przegrody budowlane jest często błędnie określana jako zdolność „oddychania pomieszczenia”. Niemal każdy producent materiałów budowlanych uważa za swój obowiązek podkreślić, że oferowany materiał „oddycha”. Niestety, wielu doświadczonych projektantów chce projektować „oddychające” budynki.
W rzeczywistości dyfuzja pary wodnej jest to proces bardzo powolnego wyrównywania cząstkowych ciśnień pary wodnej pomiędzy dwoma środowiskami, które rozdziela przegroda. Przepływ pary wodnej odbywa się od środowiska o wyższej koncentracji pary do środowiska o koncentracji niższej. W zimie mamy więc zawsze w budynkach mieszkalnych do czynienia z dyfuzją pary wodnej z wnętrza pomieszczenia na zewnątrz. O tym, jaka ilość pary wodnej przenika przez obudowę budynku, decyduje nie tylko jej opór dyfuzyjny (paroszczelność), ale także różnica ciśnień pary wodnej po obydwu stronach, zależna od temperatury i wilgotności powietrza. Zadaniem projektanta budynku jest poprawny dobór i układ materiałów w obudowie. Ma on zapewnić niezakłócony przebieg dyfuzji pary wodnej przez przegrodę, a tym samym ochronić ją przed zawilgoceniem i destrukcją. Specyficzne funkcje i rozwiązania przegród zewnętrznych w budynkach sprawiają, że niektóre z nich mogą mieć niewielkie opory dyfuzyjne (np. ściany z betonu komórkowego), a inne są zazwyczaj bardzo szczelne (stropodachy z paroizolacją i hydroizolacją).
W przypadku sprzyjającym najbardziej intensywnej dyfuzji pary, a więc przegrody o wysokiej paroprzepuszczalności (np. ceramika poryzowana bez tynków, o grubości 40 cm, współczynnik oporu dyfuzyjnego μ = 5) i dużej różnicy temperatury w zimie (20 K) gęstość strumienia dyfundującej przez jednostkową powierzchnię przegrody pary wodnej może wynosić zaledwie 0,25 g/m2.
Nie ma to jednak żadnego związku z mikroklimatem wilgotnościowym wnętrza budynku. W użytkowanym przez ludzi wnętrzu budynku mamy zawsze do czynienia z emisją wilgoci, związaną z wydychaniem pary wodnej, parowaniem z powierzchni skóry oraz używaniem wody. Ilość wytwarzanej w ten sposób pary wodnej jest ściśle zależna od sposobu eksploatacji budynku czy nawyków jego użytkowników. Szacuje się, że np. w mieszkaniu 4-osobowej rodziny mamy do czynienia ze stałą średnią emisją pary na poziomie 300 g/h [5]. Utrzymanie oczekiwanej wilgotności powietrza w pomieszczeniu wymaga więc również stałego usuwania pary wodnej z wnętrza budynku. Gdyby jedynie tzw. oddychanie przegród miało zapewnić utrzymanie poprawnych, stabilnych warunków wilgotnościowych wewnątrz budynku, to powierzchnia paroprzepuszczalnych przegród zewnętrznych mieszkania 4-osobowej rodziny musiałaby wynosić aż 1200 m2. W warunkach rzeczywistych jedynym sposobem usuwania nadmiaru pary wodnej z wnętrza budynku jest właściwa wentylacja. Udział dyfuzji pary wodnej w bilansie wilgoci poprawnie funkcjonującego budynku zawiera się w granicach 1–3% całkowitej emisji pary wodnej [5], a więc jest pomijalnie mały.
Powłoka zewnętrzna budynku powinna charakteryzować się także wysoką szczelnością na przenikanie powietrza. W świadomości społecznej budynek szczelny jest negatywnie utożsamiany z termosem.
Ma to swoje źródła prawdopodobnie w błędnych realizacjach budynków z naturalną wentylacją. Jednak dzięki wysokiej szczelności obudowy uzyskuje się możliwość sterowania wymianą powietrza i ograniczenie w ten sposób do niezbędnego minimum wentylacyjnych strat ciepła, bez uszczerbku dla warunków cieplno-wilgotnościowych we wnętrzu i komfortu cieplnego. Wymiana powietrza przy standardowym badaniu różnicą ciśnień 50 Pa powinna wynosić w budynkach pasywnych mniej niż 0,6 1/h, podczas gdy według obecnych polskich wymagań technicznych nie powinna przekraczać wartości 1,5 1/h w przypadku budynków z wentylacją mechaniczną i 3,0 1/h przy wentylacji grawitacyjnej. Tak wysoka szczelność wymaga zastosowania specjalnych rozwiązań i materiałów, a także musi być przedmiotem badań kontrolnych szczelności obudowy w fazie wykończeniowej budynku.
Ma to swoje źródła prawdopodobnie w błędnych realizacjach budynków z naturalną wentylacją. Jednak dzięki wysokiej szczelności obudowy uzyskuje się możliwość sterowania wymianą powietrza i ograniczenie w ten sposób do niezbędnego minimum wentylacyjnych strat ciepła, bez uszczerbku dla warunków cieplno-wilgotnościowych we wnętrzu i komfortu cieplnego. Wymiana powietrza przy standardowym badaniu różnicą ciśnień 50 Pa powinna wynosić w budynkach pasywnych mniej niż 0,6 1/h, podczas gdy według obecnych polskich wymagań technicznych nie powinna przekraczać wartości 1,5 1/h w przypadku budynków z wentylacją mechaniczną i 3,0 1/h przy wentylacji grawitacyjnej. Tak wysoka szczelność wymaga zastosowania specjalnych rozwiązań i materiałów, a także musi być przedmiotem badań kontrolnych szczelności obudowy w fazie wykończeniowej budynku.
dr Tomasz Kisilewicz
Politechnika Krakowska
Tekst oparty na referacie wygłoszonym podczas seminarium szkoleniowego ITB „Termomodernizacja i co dalej” (15 czerwca 2009 r.)
Literatura
1. E. Mazria, The Passive Solar Energy Book, Rodale Press Emaus 1979.
2. T. Kisielewicz, Wpływ izolacyjnych, dynamicznych i spektralnych właściwości przegród na bilans cieplny budynków energooszczędnych, Monografia nr 364, Seria Inżynieria Lądowa, wydawnictwo PK, Kraków 2008.
3. Solar Low Energy Houses of IEA Task 13, Solar Heating & Cooling Programme IEA, red. Robert Hastings, James & James, London 1995.
4. T. Kisilewicz, Computer Simulation in Solar Architecture Design, Architectural Engineering and Design Management, vol. 3/2007.5. J.A. Pogorzelski, Zagadnienia cieplno-wilgotnościowe przegród budowlanych, Budownictwo pgólne, tom 2, Fizyka budowli, pod redakcją prof. dr. hab. inż. Piotra Klemma, Arkady 2005.
