Ten serwis używa cookies do prawidłowego funkcjonowania

Informujemy, iż w celu optymalizacji treści dostępnych w naszym serwisie, dostosowania ich do Państwa indywidualnych potrzeb korzystamy z informacji zapisanych za pomocą plików cookies na urządzeniach końcowych użytkowników. Pliki cookies użytkownik może kontrolować za pomocą ustawień swojej przeglądarki internetowej. Dalsze korzystanie z naszego serwisu internetowego, bez zmiany ustawień przeglądarki internetowej oznacza, iż użytkownik akceptuje stosowanie plików cookies. Czytaj więcej…

Zrozumiałem

 2.5. Określenie wytycznych dotyczących posadowienia budynku, zasad kształtowania powierzchni (biorąc pod uwagę ich funkcje użytkowe), usytuowania przeszkleń, stref buforowych, przejściowych i nieogrzewanych w budynkach

2.5.1. Bryła budynku 

Zwartość bryły jest jedną z głównych cech budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię [15].

Określa się ją za pomocą: 

  • stosunku powierzchni obudowy budynku do kubatury ogrzewanej (współczynnika kształtu), A/V m2/m3 lub
  • stosunku powierzchni obudowy budynku do powierzchni ogrzewanej, A/A m2/m2.

Im bardziej zwarta bryła budynku, tym mniejsza powierzchnia przegród w stosunku do kubatury ogrzewanej powoduje straty ciepła przez przenikanie. Zwarta bryła oznacza mniejszą powierzchnię przegród, które muszą być zaizolowane i utrzymane w przyszłości. Prosta bryła budynku bez dużej ilości lukarn, wykuszy, balkonów to mniejsza liczba mostków cieplnych i nieszczelności. To również łatwiejszy etap wykonawczy i mniejsze koszty budowy.

Jak wykazały obliczenia, osiągnięcie przez budynki jednorodzinne standardu NF40, w przypadku gdy współczynnik kształtu A/V > 0,7, będzie wymagało zastosowania grubszych warstw izolacji, lepszych okien lub wyższej sprawności odzysku ciepła iż podane w tabelach. Osiągnięcie standardu NF15 przez budynek o A/V > 0,7 może się okazać niemożliwe przy wykorzystaniu dostępnych na rynku technologii.

W przypadku budynków wielorodzinnych osiągnięcie standardu NF40 i NF15 będzie łatwiejsze gdy powierzchnia lokali mieszkalnych będzie większa od 50 m2. Małe mieszkania będą charakteryzowały się dużą krotnością wymian powietrza, trudno będzie wygospodarować miejsce pod centralę wentylacyjną i kanały oraz zagwarantować odpowiedni poziom hałasu. Już na etapie wstępnego projektu budynku mieszkalnego wielorodzinnego należy ustalić jak będą przebiegały przewody wentylacyjne i czy wysokość pomieszczeń będzie wystarczająca.

2.5.2. Miejsce budowy i lokalizacja okien

Jeżeli to możliwe budynki mieszkalne powinny być lokalizowane na słonecznych południowych stokach w celu wykorzystania energii promieniowania słonecznego w sposób pasywny i aktywny. Drzewa liściaste 1 nasadzenia przed budynkiem mogą pomóc w ograniczeniu ryzyka przegrzewania w lecie. Ważne jest zoptymalizowanie odległości miedzy budynkami w taki sposób, aby nie zacieniały siebie nawzajem.

Główne okna powinny być zorientowane na kierunki od południowo-wschodniego do południowo- zachodniego w celu wykorzystania zysków ciepła od słońca w okresie zimy. Rodzaj zastosowanych okien zależy od standardu i lokalizacji budynku. Wielkość zysków zależy od udziału szyby w całkowitej powierzchni okna i współczynnika g przepuszczalności energii promieniowania słonecznego.

Duże okna skierowane na południe, wschód, zachód zwiększają ryzyko przegrzewania, dlatego muszą być wyposażone w elementy zacieniające. Rolę stałych elementów zacieniających mogą pełnić okapy, balkony i elementy dachu. Duże okna mogą powodować uczucie dyskomfortu w okresie zimy, jeżeli w ich pobliżu nie będzie grzejnika, który zbilansuje wymianę ciepła na drodze promieniowania. Ryzyko takie występuje zwłaszcza w budynkach NF15 ogrzewanych jedynie powietrzem. Maksymalna powierzchnia pojedynczej szyby potrójnej nie powinna przekraczać około 2,5 m2 z uwagi na duży ciężar szyby i utrzymywanie wymaganych parametrów cieplno-wytrzymałościowych.

2.5.3. Ochrona przed przegrzewaniem w lecie

Wprowadzane w budynkach mieszkalnych zmiany mające na celu ograniczenie zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji mogą zwiększyć ryzyko przegrzewania budynków w lecie. Ryzyko to nie zwiększy się, jeżeli budynki zostaną poprawnie zaprojektowane i wykonane. W ciągu kilku upalnych dni, budynki w standardzie NF40 i NF15 mogą mieć problemy z utrzymaniem temperatury w strefie komfortu, bo szczelne i dobrze izolowane przegrody zewnętrzne nie będą oddawać ciepła tak szybko jak jest to konieczne. Taka sama sytuacja wystąpi w przypadku budynków tradycyjnych, w których temperatura wewnętrzna jest w większym stopniu zależna od temperatury zewnętrznej. Budynki NF15 i NF40 będą lepiej chroniły przez przedostawaniem się ciepła do wewnątrz, dzięki bardzo dobrze zaizolowanym przegrodom zewnętrznym. Należy jednak pamiętać, że efekt ten działa i w drugą stronę, dlatego projektując budynki należy przewidzieć rozwiązania, które po pierwsze ograniczą ilość zysków ciepła w okresie lata pod drugie pozwolą na ich szybkie usunięcie.

Istnieją cztery główne przyczyny przegrzewania się budynków:

  • brak elementów zacieniających,
  • niewłaściwa regulacja i eksploatacja systemu wentylacji mechanicznej i centralnego ogrzewania,
  • brak otwieranych okien lub otworów wentylacyjnych umożliwiających wykorzystanie przewietrzania nocnego,
  • wyeksponowanie zbyt dużej masy akumulacyjnej na działanie promieniowania słonecznego.

Pierwsza przyczyna przegrzewania to brak elementów zacieniających na oknach skierowanych na wschód, zachód i południe. Wnikające do środka budynku promienie słoneczne dostarczają zysków ciepła w zimie. Jednak w lecie zyski ciepła są często niepożądane i zwiększają ryzyko przegrzewania budynku. Aby zagwarantować odpowiednią jakość środowiska wewnętrznego w okresie lata należy stosować osłony przeciwsłoneczne. Zastosowanie osłon nie powoduje pogorszenia jakości energetycznej budynku i dodatkowego zużycia energii elektrycznej o ile zostały one odpowiednio zaprojektowane - nie ograniczają dostępu energii promieniowania słonecznego w okresie zimy. Skuteczność osłon przeciwsłonecznych zależy od ich lokalizacji - osłony zamontowane od zewnątrz są dwa razy bardziej skuteczne niż zamontowane od wewnątrz.

Istnieją różne formy osłon przeciwsłonecznych:

  • stałe elementy architektoniczne (na przykład wysunięte poza obrys budynku okapy, balkony, daszki), elementy te nie powinny ograniczać dostępu promieniowania słonecznego w zimie i powodować powstania mostków cieplnych,
  • łamacze światła w postaci nadwieszonych nad nadprożem rusztów będą skuteczne tylko na elewacjach południowych
  • zewnętrzne osłony przeciwsłoneczne, np. żaluzje, okiennice, markizy,
  • wewnętrzne osłony przeciwsłoneczne, np. żaluzje (elementy takie jak wertikale, zasłony są nieskuteczne),
  • elementy zacieniające w przestrzeni międzyszybowej, np. żaluzje
  • odpowiednio zaprojektowana roślinność, drzewa i pnącza okresowo zielone nasadzone od strony południowej.

Zastosowanie osłon przeciwsłonecznych nie zapewni odpowiednich warunków, jeżeli mieszkańcy nie będą widzieli jak regulować i użytkować system ogrzewania/wentylacji oraz jak wpływa on na temperaturę wewnętrzną. Brak regulacji miejscowej w instalacji C.O. lub duża bezwładność cieplna mogą powodować przegrzewanie pomieszczeń w okresach przejściowych. Natomiast ciągła praca centrali wentylacyjnej z odzyskiem ciepła również w okresie letnim spowoduje niepotrzebne podgrzewanie powietrza nawiewanego. W takiej sytuacji budynek nie będzie mógł się wychłodzić w okresie nocy, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest zazwyczaj o kilka stopni niższa od temperatury powietrza w wewnętrznego.

Proponowany schemat pracy centrali wentylacyjnej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła w okresie lata zapobiegający przegrzewaniu budynku:

  • w przypadku gdy temperatura powietrza usuwanego z budynku przed centralą jest wyższa od 22°C i jednocześnie wyższa od temperatury powietrza zewnętrznego, sprawność odzysku ciepła wynosi 0% (powietrze nawiewane do budynku płynie przez baypass) a strumień objętościowy powietrza nawiewanego i usuwanego z budynku zostaje zwiększony o 150%,
  • w pozostałych przypadkach (temperatura powietrza zewnętrznego wyższa od temperatury powietrza usuwanego) system wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej działa z odzyskiem ciepła a wielkość strumienia powietrza nawiewanego i usuwanego jest zmniejszona do 60%.

Skuteczność wychładzania budynku w okresie nocnym można zwiększyć stosując przewietrzanie nocne. Przepływ powierza po budynku jest wywołany w sposób naturalny i zależy od różnicy temperatur, prędkości wiatru oraz wielkości otworów wentylacyjnych. Nie da się skorzystać z przewietrzania nocnego, jeżeli w budynku zastosuje się okna nieotwieralne lub liczba okien otwieranych/uchylnych będzie zbyt mała, a ich lokalizacja niewłaściwa. Okna otwierane/uchylane lub otwory wentylacyjne powinny być zlokalizowane w taki sposób, aby umożliwiały przewietrzanie całego budynku i powodowały powstanie ciągu wentylacyjnego. Przewietrzanie nocne nie powinno powodować lokalnych przeciągów a wymagana powierzchnia otworów to około 3% powierzchni podłogi.

Kolejną przyczyną przegrzewania budynków jest ryzyko wyeksponowania zbyt dużej masy akumulacyjnej na działanie promieniowania słonecznego. Szybkie nagrzewanie się masy akumulacyjnej spowoduje, że nie będzie można wykorzystać jej do stabilizacji temperatury w okresie lata. Zakumulowane ciepło będzie oddawane do pomieszczeń, co w połączeniu z małą wydajnością systemu wentylacji może prowadzić do długotrwałego przegrzewania budynku i powstania problemów z jego wychładzaniem.

Uniknięcie ryzyka przegrzewania wymaga zastosowania odpowiednich rozwiązań na etapie projektowania budynków w standardzie NF40 i NF15. Jednocześnie należy pamiętać, że nie tylko projekt, ale i regulacja instalacji oraz zachowanie użytkowników ma wpływ na wysokość temperatur wewnętrznych. Jeżeli wszystkie te elementy działają prawidłowo problem przegrzewania nie występuje.

Do chłodzenia powietrza nawiewanego do budynku można wykorzystać gruntowe wymienniki ciepła lub pasywny system chłodzenia. Rozwiązania takie nie przyczynią się do znacznego wzrostu zużycia energii, a mogą poprawić komfort w okresie lata. Zastosowanie pasywnego systemu chłodzenia polega na wykorzystaniu pionowych kolektorów gruntowych pompy ciepła. Roztwór glikolu krążący w kolektorach może oddawać ciepło do gruntu. Schłodzony czynnik będzie służył do chłodzenia powietrza nawiewanego do budynku lub powierzchni w przypadku zastosowania ogrzewania podłogowego, ściennego. Systemy chodzenia pasywnego charakteryzują się wysoką efektywnością (COP około 30), co znacznie zmniejsza koszty produkcji chłodu oraz podnosi sprawność pracy pompy ciepła.

2.5.4. Strefowanie temperaturowe

Projektując układ pomieszczeń w budynku o niskim zapotrzebowaniu na energię należy dążyć do tego aby:

  • pokoje dzienne, jadalnie, sypialnie, pokoje pracy były zlokalizowane od strony południowej,
  • kuchnie, pomieszczenia gospodarcze, ciągi komunikacyjne, garderoby, przedpokoje znajdowały się od strony północnej,
  • łazienki, WC powinny znajdować się możliwie centralnie,
  • pomieszczenia takie jak kuchnie, WC, łazienki, pralnie, kotłowanie znajdowały się blisko siebie, były zblokowane w celu ograniczenia długości instalacji i zmniejszenia strat na dystrybucji,
  • garaże powinny być nieogrzewane i oddzielone termicznie od ogrzewanej części budynku.

2.6. Określenie wymagań w zakresie granicznych wartości współczynnika A/V

Przeprowadzone analizy pokazują, że wzrost wskaźnika A/V powoduje znaczne pogorszenie standardu energetycznego budynku z uwagi na zwiększenie powierzchni przegród, przez które następują straty ciepła.

Wykonane w ramach niniejszej pracy analizy i symulacje pokazały, że:

  • w przypadku budynków jednorodzinnych wymagania dotyczące standardu energetycznego NF15 i NF40 przy zastosowaniu racjonalnych rozwiązań technicznych i racjonalnych nakładach inwestycyjnych są możliwe do spełnienia dla wskaźnika A/V < 0,70,
  • spełnienie wymagań standardu energetycznego NF15 i NF40 jest możliwe dla budynków wielorodzinnych, z uwagi na to, że budynki te charakteryzują się naturalnie niskim A/V, najczęściej A/V < 0,50.

Z uwagi na powyższe proponuje się wprowadzenie zalecania dla wielkości wskaźnika A/V wyłącznie w odniesieniu do budynków jednorodzinnych.

Zalecenie to ma następującą postać:

A/V < 0,70 dla wszystkich budynków jednorodzinnych.

Odstępstwo od tego zalecenia może następować w przypadkach konieczności dostosowania wyglądu i kształtu budynku do otaczającej zabudowy i w przypadku, kiedy konieczność taka wynikałaby z zapisów Miejscowych Planów Zagospodarowania Przestrzennego lub innych przepisów prawa obowiązujących na terenie, na którym budowany byłby budynek. W przypadkach takich projektant zobowiązany byłby do użycia innych/dodatkowych środków technicznych zapewniających możliwość spełnienia wymagań określonych dla standardów NF15 lub NF40. Sytuacja taka występowała będzie jednak bardzo rzadko.

2.7.   Określenie ewentualnych innych wymagań, istotnych dla zapewnienia wymaganych standardów

2.7.1. Metodyka określania powierzchni ogrzewanej

Roczne jednostkowe zapotrzebowanie energii użytkowej do ogrzewania i wentylacji w kWh/m2rok jest określane na podstawie powierzchni odniesienia podanej w m2. Precyzyjne obliczenie powierzchni doniesienia jest kluczowe dla prawidłowego wyznaczenia zapotrzebowania jednostkowego. Obowiązujące „Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej” nie precyzuje tej kwestii szczegółowo. Na potrzeby proponowanych standardów NF40 i NF15 konieczne jest uszczegółowienie tej kwestii.

Powierzchnią odniesienia powinno być:

Pole powierzchni podłogi przestrzeni ogrzewanej budynku liczone po wymiarach wewnętrznych, po poziomie podłogi w stanie całkowicie wykończonym z wyłączeniem nieogrzewanych piwnic, garaży lub innych nie użytkowanych części przestrzeni, z uwzględnieniem powierzchni podłogi na wszystkich kondygnacjach, jeśli jest ich więcej niż jedna. W przypadku kondygnacji ze skośnym sufitem do powierzchni ogrzewanej należy doliczyć jedynie część powierzchni podłogi dla której wysokość w świetle jest równa 1,90 m i więcej. Dla budynków o powierzchni całkowitej użytkowej poniżej 120 m2, do powierzchni ogrzewanej można wliczać 100% powierzchni o wysokości pomieszczeń równej 1,40 m i więcej.

2.7.2. Ograniczenie zużycia energii wbudowanej

Zastosowane do wznoszenia budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię materiały budowlane oraz technologie powinny być przyjazne dla środowiska naturalnego. Należy dążyć do ograniczenia zużycia energii nie tylko na etapie użytkowania budynku, ale i podczas wznoszenia i rozbiórki. Zastosowane materiały powinny prowadzić do jak najmniejszego zużycia nieodnawialnej energii pierwotnej i uszczuplenia zasobów mineralnych oraz poddawać się recyklingowi.

2.7.3. Podwyższenie szczelności powietrznej budynku

Niska szczelność powietrzna obudowy budynku prowadzi do niekontrolowanego przepływu powietrza przez szczeliny i pęknięcia w przegrodach. Przenikanie ciepłego, wilgotnego powietrza (na zewnątrz) przez konstrukcję budynku może prowadzić do międzywarstwowej kondensacji pary wodnej, spowodować pogorszenie izolacyjności cieplnej i trwałości przegrody. Niekontrolowane przenikanie powietrza do wewnątrz obniża, jakość środowiska wewnętrznego powodując lokalne przeciągi i zwiększa straty ciepła na podgrzanie powietrza infiltrującego. Dodatkowe straty ciepła mają znaczący wpływ na charakterystykę energetyczną budynków [13]. Jeszcze większego znaczenia nabierają w budynkach o niskim zapotrzebowaniu na energię, gdzie wszystkie rodzaje strat ciepła powinny być ograniczone do minimum. W niektórych sytuacjach osiągnięcie oczekiwanego standardu energetycznego bez szczelnej obudowy jest niemożliwe, pomimo że budynek jest wyposażony w system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła.

Zgodnie z obowiązującymi wymaganiami podanymi w WT 2008 „W budynku mieszkalnym, zamieszkania zbiorowego, budynku użyteczności publicznej, a także w budynku produkcyjnym przegrody zewnętrzne nieprzezroczyste, złącza miedzy przegrodami i częściami przegród oraz połączenia okien z ościeżami należy projektować i wykonywać pod kątem osiągnięcia ich całkowitej szczelności na przenikanie powietrza.” Szczelne muszą być otwierane okna i drzwi balkonowe, dla których współczynnik infiltracji powietrza powinien wynosić nie więcej niż 0,3 m3/(m •h •daPa2/3). Podane w WT 2008 wymagane krotności, wymiana powietrza n50 < 3,0 1/h dla wentylacji grawitacyjnej i n50 < 15 1/h dla wentylacji mechanicznej są niewystarczające dla budynków w standardzie NF40 i NF15. W przypadku budynków NF40 należy zagwarantować szczelność na poziomie n50 < 1,0 1/h a dla NF15 n50 < 0,6 1/h [14].

Tabela 33. Wymagane wielkość wymian powietrza n50 w warunkach różnicy ciśnienia 50 Pa dla standardu NF40 i NF15

Standard 

Wielkość wymian powietrza n50 

NF40

n50 < 1,0 h 1/h

NF15

n50 < 0,60 h 1/h

Uzyskanie tak niskich wartości n50 nie jest łatwe i wymaga poprawnego rozwiązania detali konstrukcyjnych na etapie projektowym i ich starannego wykonania na etapie budowy. Projektując przebieg i rozwiązanie szczelnych powłok w budynku należy pamiętać, że powinny one w sposób ciągły i nieprzerwany otaczać całą część ogrzewaną budynku. Szczególnie istotne są połączenia poszczególnych powłok ze sobą, np. na styku ściany zewnętrznej i dachu skośnego. W tych miejscach trzeba zastosować rozwiązania gwarantujące trwałe szczelne połączenia, które są jednocześnie proste do wykonania i niedrogie. Najlepsze efekty uzyskuje się stosując połączenia klejone z dociskiem mechanicznym, np. taśma dwustronna rozprężna z łatą dociskową. W każdej przegrodzie powinna być tylko jedna powłoka odpowiadająca z szczelność powietrzną. Nieszczelności nie wolno eliminować przez dodanie kolejnej warstwy szczelnej przed lub za warstwą właściwą, np. układnie na niedokładnie poklejonej folii paroszczelnej płyt gipsowo kartonowych. Ustalając lokalizację powłoki szczelnej w przegrodzie należy pamiętać, że opór dyfuzyjny powinien być największy do strony wewnętrznej i maleć w kierunku zewnętrznym. Powłoka szczelna powietrznie zazwyczaj pełni jednocześnie rolę warstwy paroszczelnej, dlatego musi znajdować się od strony wewnętrznej, przed warstwą izolacji. Oprócz powłok szczelnych i ich połączeń bardzo ważne jest uszczelnienie wszelkiego rodzaju przyłączy, otworów, gniazdek elektrycznych i innych miejsc pokazanych na poniższym rysunku.

Miejsca wystepowania glownych nieszczelnosci w budynku.jpg

Rysunek 16. Miejsca występowania głównych nieszczelności w budynku: 1 - nawiewniki i wywiewniki systemu wentylacji mechanicznej, 2 - gniazdka i włączniki elektryczne, 3 - przyłącza wodne i kanalizacyjne, instalacja C.O., 4 - elementy konstrukcyjne przechodzące przez powłoki szczelne, np. belki drewniane, 5 - kominy i ich przejścia przez dach, 6 - przyłącza energetyczne i teletechniczne, 7 - połączenia stropów i dachów ze ścianami wewnętrznymi, 8 - połączenia ścian zewnętrznych z dachem lub stropem poddasza, 9 - połączenia ścian zewnętrznych z podłogą na gruncie lub stropem nad nieogrzewaną piwnicą, 10 - połączenia stropów nad nieogrzewaną piwnicą ze ścianami wewnętrznymi, 11 - otwory okienne i drzwiowe (źródło: www.puuinfo.fi)

Szczelność powietrzną budynków w standardzie NF40 i NF15 należy sprawdzić na etapie budowy, po wykonaniu wszystkich powłok szczelnych i przechodzących przez nie instalacji za pomocą testu szczelności. Wykonanie tego testu służy zidentyfikowaniu i usunięciu ewentualnych wad, błędów i usterek w robotach budowlanych. Test wykonuje się zgodnie z normą PN-EN 13829:2002 „Właściwości cieplne budynków. Określanie przepuszczalności powietrznej budynków. Metoda pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora” przy użyciu drzwi nawiewnych (Blower Door). Badanie należy wykonać przy nadciśnieniu i podciśnieniu, metodą B, w budynku niezamieszkałym.. Wykonanie testu po zakończeniu robót budowlanych utrudni istotnie możliwość usunięcia usterek. Weryfikator musi uzyskać od inwestora protokół z wykonania testów szczelności potwierdzający osiągnięcie wymaganej szczelności powietrznej.

2.8. Zdefiniowanie zasad i zakresu dopuszczalnych odstępstw od wytycznych wyłącznie z uwagi na ograniczenia terenowe i możliwości usytuowania budynku na działce budowlanej

W opracowaniu określono wytyczne i zasady oraz minimalne wymagania dotyczące standardów ochrony cieplnej, jakości układów grzewczych i wentylacyjnych, które mają na celu spełnienie przez budynki standardu, warunkującego uzyskanie dofinansowania.

Przeprowadzone analizy wykazały, że z uwagi na konieczność spełnienia analizowanych standardów NF15 i NF40, wymagania dotyczące parametrów fizycznych i jakościowych użytych materiałów oraz ich grubości, jak również analogiczne wymagania dotyczące instalacji są stosunkowo ściśle określone i opisane w rozdziale 2.

Spełnienie tych wymagań jednocześnie gwarantuje uzyskanie oczekiwanych standardów energetycznych.

Istotne jest również spełnienie wymagań dotyczących minimalnych parametrów sprawności instalacji grzewczych i instalacji przygotowania ciepłej wody oraz wykorzystania w zasilaniu tych instalacji w maksymalnym stopniu odnawialnych źródeł energii.

Jednym z podstawowych warunków uzyskania wysokiego standardu energetycznego budynku jest efektywne wykorzystania wewnętrznych zysków ciepła w budynku, w tym przede wszystkim zysków energii słonecznej, co wiąże się zarówno z właściwym zaplanowaniem rozkładu pomieszczeń wewnętrznych, jak również właściwym sytuowaniu tych pomieszczeń (budynku) względem stron świata z uwzględnieniem wpływu przeszkód i obiektów sąsiadujących z budynkiem mających wpływ na wielkość zysków słonecznych.

Często istotne ograniczenia w tym względzie stwarza naturalny konflikt pomiędzy potrzebą jak najefektywniejszego wykorzystania powierzchni działki z uwagi na wielkość i powierzchnię budynku mieszkalnego, jaki może być na tej działce zlokalizowany.

Prawidłowe kształtowanie bryły budynku o niskim zapotrzebowaniu na energię wymaga usytuowania przestrzeni usługowych, gospodarczych, komunikacyjnych, garaży itp. (tzw. przestrzeni buforowych) od strony północnej, tak aby pozostałe pomieszczenia mieszkalne w jak największym stopniu korzystały z energii odnawialnej w postaci ciepła słonecznego wykorzystanego w sposób bierny w postaci zysków ciepła.

Zadanie spełnienia wszystkich wymogów w tym zakresie i optymalne zaprojektowanie przestrzeni budynku pod względem funkcjonalnym jest nie zawsze możliwe, co powoduje pogorszenie wykorzystania zysków słonecznych. Nie zawsze również istnieje możliwość eliminacji zewnętrznych przeszkód w postaci sąsiadujących budynków, małej architektury, otaczającej zieleni itp. umożliwiających efektywne wykorzystanie potencjału zysków słonecznych.

W związku z tym, że zyski słoneczne w przypadku budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię stanowią istotny składnik bilansu energetycznego, dochodzący do 40% zapotrzebowania na ciepło, w przypadkach, kiedy od strony południowej, zachodniej i wschodniej, określony na podstawie normy PN EN 13790:2009 średni ważony współczynnik zacienienia Z jest mniejszy od 0,60 i standard NF 15 nie jest spełniony, proponuje się dopuścić dofinansowanie jak dla budynku o standardzie NF15 pod warunkiem, że byłby on spełniony obliczeniowo przy założeniu braku zewnętrznych elementów zacieniających budynek.

2.9. Określenie możliwości zastosowania w budynku Infrastruktury Sieci Domowych (Home Area  Network) - zestawu urządzeń, wzajemnie komunikujących się ze sobą, służących między innymi do zarządzania zużyciem energii i przydomowej produkcji energii.

Budynek energooszczędny zarówno w standardzie NF40 i jak i NF15 można zrealizować bez dodatkowego zestawu urządzeń wzajemnie komunikujących się ze sobą służących między innymi do zarządzania zużyciem energii i przydomowej produkcji energii (IEM), ale ich zastosowanie może spowodować dodatkowe oszczędności energii dochodzące do 25% oraz poprzez produkcję energii we własnym zakresie zmniejszyć koszty jej zakupu. Zastosowanie tych urządzeń może pozwolić również na łatwiejsze uzyskanie w praktyce standardu budynku NF40 i jak i NF15.

Inteligentne systemy zarządzania użytkowaniem energii (Inteligent Energy Management IEM ) obejmują dwa następujące, powiązane za sobą podsystemy:

  • Inteligentne systemy zarządzania energią (cieplną i elektryczną) w budynkach, kojarzone z pojęciem budynku inteligentnego, oraz
  • Inteligentne systemy energetyczne ( sieci elektroenergetyczne, ciepłownicze, ewentualnie sieci gazowe).

Inteligentny budynek - to określenie wysoko zaawansowanego technicznie budynku, który posiada system czujników i detektorów oraz jeden, zintegrowany system zarządzania wszystkimi znajdującymi się w nim instalacjami.

Inteligentne budynki muszą spełniać wiele wymagań zarówno pod względem zaawansowania technologii urządzeń automatyki sterowania, jak również pod względem organizacji pracy układów automatyki. Zintegrowany system zarządzania obejmuje wiele autonomicznie pracujących układów automatyki i awaria któregokolwiek z nich nie może dezorganizować pracy pozostałych.

System powinien być typu "otwartego", tzn. powinien mieć możliwość rozbudowy istniejącej instalacji automatyki. Ponadto powinien pozwalać na łączenie ze sobą różnych urządzeń (różnych firm) oraz powinien umożliwiać dodawanie nowych stacji operatorskich i interfejsów komunikacyjnych, spełniających określone standardy komunikacyjne. Sieć systemu zarządzania powinna w pewnym sensie przypominać sieć telefoniczną, do której można dodawać (podłączać) tysiące nowych aparatów różnych producentów. W tym celu sieć systemu zarządzania ma charakter tzw. sieci rozproszonej, a poszczególne urządzenia automatyki, sterowane za pomocą odpowiednich układów elektronicznych, instalowanych w węzłach sieci, realizują określone zadania automatyki budynku. Dla zapewnienia pełnej kontroli układy te muszą prowadzić ciągłą wymianę informacji w całej sieci systemu zarządzania, tj. muszą wybierać adres odbiorcy informacji, wysyłać wiadomości (sygnały kontrolno-sterujące, tzw. telegramy) oraz przyjmować informacje, które są do nich wysyłane.

Zasadnicze znaczenie dla użytkownika stosowanych układów, urządzeń i podzespołów systemu ma ich niezawodność działania, wysoka jakość wykonania i łatwość obsługi, pozwalająca na konfigurowanie systemu i programowanie jego zadań według własnych potrzeb w możliwie prosty sposób. „Inteligencja” budynków jest zaprogramowana i „zaszyta” w pamięciach sterowników i komputerach układów automatyki w instalacjach inteligentnych budynków.

Inteligentny budynek jest wysoko zaawansowanym technicznie obiektem z automatycznym, bardzo elastycznym systemem zarządzania jego użytkowaniem. Inteligentny Budynek posiada czujniki i detektory oraz jeden, zintegrowany podsystem zarządzania wszystkimi znajdującymi się w tym budynku instalacjami. Dzięki informacjom pochodzącym z różnych elementów systemu, możliwa jest reakcja na zmiany środowiska wewnątrz i na zewnątrz budynku, maksymalizacja funkcjonalności, komfortu i bezpieczeństwa oraz minimalizacja kosztów eksploatacji Należy także dodać, iż system Inteligentnego Budynku nie może wpływać negatywnie na ludzi znajdujących się w jego środowisku np. poprzez sterowanie parametrami klimatu wewnętrznego pomieszczeń tak, że część użytkowników odczuwa znaczny dyskomfort lub pojawiają się choroby np. astma.

Z punktu widzenia oszczędzania energii w Budynkach Inteligentnych najbardziej istotne są systemy sterowania oświetleniem, ogrzewaniem oraz klimatyzacją i wentylacją.

Sterowanie Oświetleniem

System sterowania oświetleniem umożliwia dostosowanie poziomu oświetlenia do obecności użytkowników poprzez czujniki obecności oraz możliwość zaprogramowania nawet kilku scen oświetleniowych („sceny”- patrz niżej) w jednym pomieszczeniu. Światło samoczynnie gaśnie za każdym razem, gdy czujniki nie wykrywają obecności użytkownika, ściemniacze natomiast dostosowują poziom natężenia do wymagań. W pomieszczeniach dużych lub reprezentacyjnych warto zaprogramować kilka scen (nastrojów) oświetleniowych. Innego oświetlenia potrzebujemy przy romantycznej kolacji, innego, gdy odwiedzą nas znajomi, jeszcze innego, gdy czytamy lub oglądamy telewizję. Scena oświetleniowa to kilka lamp włączonych równocześnie, każda z indywidualną mocą. Teraz można jednym przyciskiem zmienić "nastrój" z np. romantycznego na ogólny. W jednej chwili zapalamy wtedy kilka lamp, a gasimy inne. Wszystko po naciśnięciu jednego przycisku. W skład każdej sceny mogą wchodzić także rolety, ogrzewanie i inne urządzenia, co znacznie zwiększa możliwości szybkiej zmiany nastroju. W ogrodzie, w którym zainstalowane są lampy również można stworzyć kilka scen oświetleniowych zależnie od okazji. Ich włączanie oraz sterowanie poszczególnymi lampami można wykonywać za pomocą pilota radiowego noszonego w kieszeni, bez konieczności wchodzenia do domu.

Sterowanie Ogrzewaniem

Tradycyjne systemy grzewcze utrzymują stałą temperaturę, nie uwzględniając funkcji pomieszczeń oraz czasu i pory użytkowania. Tymczasem inteligentny system zarządzania energią w budynkach wykonuje pomiary temperatury w poszczególnych pomieszczeniach, utrzymując ją na pożądanym poziomie. W trybie czuwania tj. po zarejestrowaniu wyjścia użytkowników z budynku obniża temperaturę o kilka stopni, a w trybie nocnym obniża tę temperaturę do wartości odpowiadającej mieszkańcom. Z kolei tryb komfort powoduje przejście do optymalnej temperatury przed powrotem domowników z pracy o ustalonej godzinie. Wydaje się, że to tak niewiele, jednak w wyniku sterowania ogrzewaniem, dzięki niezależnej regulacji temperatury w każdym pomieszczeniu, można zaoszczędzić ponad 30 proc. energii.

Sterowanie klimatyzacją i wentylacją

System sterowania w Inteligentnym Domu zapobiega także nieracjonalnemu zużyciu energii w procesie wentylacji i klimatyzacji. Instalacje te często przysparzają dodatkowych kosztów, pracując w niewykorzystywanych w danym momencie pomieszczeniach. Zastosowanie czujników obecności pozwala na przekazanie informacji do systemu o zaistnieniu konieczności dostarczenia komfortowych warunków klimatycznych w danej strefie.

Koszt instalacji urządzeń inteligentnego budynku to około 1-2% kosztu jego budowy, ale urządzenia te maja wpływ na obniżenie 75% kosztów eksploatacji budynku. Warto więc je zastosować, choć nie powinny one być obowiązkowymi wymaganiami stawianymi dla inwestorów i projektantów budynków w standardzie NF40 i NF15.

Pod pojęciem: Smart Grids - inteligentne systemy elektroenergetyczne, należy rozumieć rozwiązania techniczno-organizacyjne, które umożliwiają komunikację między wszystkimi uczestnikami rynku energii, mającą na celu dostarczanie usług energetycznych przy zapewnieniu obniżenia kosztów, zwiększenia efektywności oraz zintegrowania rozproszonych źródeł energii, w tym także energii odnawialnej.

Inteligentne sieci energetyczne (Smart Grid) to kompleksowe rozwiązania energetyczne, pozwalające na łączenie, wzajemną komunikację i optymalne sterowanie rozproszonymi elementami sieci energetycznych - po stronie producentów jak i odbiorców energii, służące ograniczeniu zapotrzebowania na energię. Sieci te wyposażone są w nowoczesną infrastrukturę (m.in. liczniki, wyłączniki, przełączniki, rejestratory), która umożliwia wzajemną wymianę i analizę informacji, a w efekcie - optymalizowanie zużycia energii (cieplnej, elektrycznej) lub np. dystrybucji gazu.

Inteligentne sieci energetyczne mają duże znaczenie z punktu widzenia ochrony środowiska. Po pierwsze, racjonalizując zużycie energii przyczyniają się do jej możliwie efektywnego wykorzystania. Po drugie, umożliwiają włączenie do systemu elektroenergetycznego niewielkich elektrowni, np. wiatrowych czy słonecznych, zainstalowanych w gospodarstwie domowym. Kiedy podaż energii przekracza zapotrzebowanie użytkownika może on jej nadmiar wprowadzić do systemu. Inteligentne sieci energetyczne zapewniają więc nie tylko oszczędność, ale także możliwość odbierania energii np. z lokalnego źródła w budynku i przekazania do sieci. Dzięki temu obok efektywności energetycznej będą rozwijane odnawialne źródła energii.

2.10. Określenie możliwości wykorzystania OZE w budynku dla celów produkcji energii cieplnej i elektrycznej

2.10.1. Wstęp

Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii (OŹE) jest koniecznym warunkiem realizacji budownictwa energooszczędnego, pasywnego oraz niemal zero-energetycznego w szczególności, a urządzenia i systemy OŹE znajdują zastosowanie we wszystkich obszarach zużycia energii w budynku.

W odniesieniu do źródeł energii odnawialnej bezpośrednio związanych z budynkiem należy w warunkach polskich rozważać wykorzystanie:

  • energii promieniowania słonecznego:

  • poprzez zastosowanie rozwiązań architektury słonecznej, z włączeniem systemów pasywnych i oświetlenia światłem dziennym;
  • w aktywnych systemach grzewczych;
  • w instalacjach elektrycznych z ogniwami fotowoltaicznymi (PV);
  • energii otoczenia budynku, zawartej w jego naturalnym środowisku (np. grunt, powietrze, wody gruntowe lub powierzchniowe) poprzez zastosowanie pomp ciepła;
  • energii biomasy: w instalacjach z nowoczesnymi kotłami spalającymi paliwa drzewne;
  • energii wiatru: za pomocą turbin wiatrowych,
  • energii odpadowej poprzez rekuperację ciepła z układów wentylacyjnych, ścieków i innych.

Możliwe są inne rozwiązania niekonwencjonalne związane również z wykorzystaniem OZE, dotyczące pozyskiwania, magazynowania i utylizacji energii i odpadów, w tym:

  • sezonowe magazynowanie energii cieplnej w gruncie;
  • magazynowanie ciepła przy wykorzystaniu zjawiska zmiany stanu skupienia różnych materiałów;
  • wstępne podgrzewanie lub chłodzenie powietrza wentylacyjnego w elementach rurowych pod ziemią;
  • wykorzystanie naturalnej oczyszczalni ścieków;
  • wykorzystanie wody deszczowej;
  • zastosowanie ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej i ciepła.

Technicznie w coraz większym stopniu realizowane są układy zintegrowane (pokrywające różne rodzaje potrzeb) oraz hybrydowe (wykorzystujące różne źródła odnawialne lub konwencjonalne wraz z odnawialnymi). Systemy energetyki wykorzystujące OŹE powinny być szczególnie starannie dobierane w zależności od potrzeb obiektu i jego charakterystyk. Wszystkie dostępne na rynku, a zastosowane w budynku, urządzenia wykorzystujące OZE powinny mieć stosowne certyfikaty jakości.

2.10.2. Architektura słoneczna

Koncepcja i zaprojektowanie budynku, pod kątem maksymalnego wykorzystania energii promieniowania słonecznego do ogrzewania i oświetlenia, nazwane są architekturą słoneczną. Szczególnie istotnymi elementami, w zakresie projektu architektoniczno-budowlanego, przy zastosowaniu niekonwencjonalnych rozwiązań, związanych w sposób bezpośredni lub pośredni z wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego, są m.in.:

  • orientacja i kształt budynku;
  • oświetlenie światłem dziennym;
  • właściwe rozplanowanie pomieszczeń mieszkalnych i użytkowych;
  • struktura, rodzaj i umiejscowienie następujących elementów budynku:
  • przegród zewnętrznych,
  • izolacji cieplnej,
  • okien;
  • systemy pasywne, m.in. przestrzenie buforowe, podwójne fasady.

Istotne elementy architektury słonecznej to m.in. „otwartość” budynku od strony południowej. Budynek powinien być „otwarty” na oddziaływanie promieniowania słonecznego, poprzez zwiększone powierzchnie okien, dla uzyskania możliwie największych zysków cieplnych. O ile jest to możliwe, fasada południowa powinna być też największa. Aby zapobiec przegrzewaniu się pomieszczeń w lecie można stosować żaluzje, markizy, lamele lub okapy nad oknami. Budynek powinien być od strony północnej „szczelnie” oddzielony od otoczenia, co oznacza stosowanie tzw. „super” izolacji. Jednocześnie powinien być w sposób naturalny jak najbardziej osłonięty od negatywnych oddziaływań pogodowych. Ważny jest odpowiedni projekt zieleni z zasadzeniem od strony południowej drzew liściastych, a iglastych od północnej. W architekturze słonecznej zwraca się także uwagę na właściwe zlokalizowanie różnych pomieszczeń. Od strony południowej powinny znajdować się pokoje dzienne. Sypialnie mogą być umieszczone od strony wschodniej lub zachodniej. Od strony północnej (dobrze izolowanej, z ograniczoną liczbą oraz powierzchnią otworów okiennych) powinny znajdować się łazienki, pomieszczenia pomocnicze i zaplecze gospodarcze.

Należy zwrócić uwagę, że zmniejszenie zapotrzebowania na energię do oświetlenia można uzyskać poprzez systemy, czy właściwe zaplanowanie oświetlenia światłem dziennym (daylighting).

2.10.3. Pasywne systemy słoneczne

Zmniejszenie zużycia energii do ogrzewania pomieszczeń można osiągnąć dzięki stosowaniu pasywnych słonecznych systemów. Systemy takie stanowią elementy budynków, które odpowiednio zaprojektowane pochłaniają promieniowanie słoneczne, przepuszczają je, lub magazynują.

W odróżnieniu od systemów czynnych, w systemach biernych (pasywnych) nie występują układy, w których w sposób mechanicznie wymuszony (np. pompą) cyrkuluje medium pośredniczące w transporcie i przekazywaniu ciepła.

System zysków bezpośrednich to najprostszy pasywny system grzewczy. Okna w południowej ścianie umożliwiają bezpośrednią penetrację promieniowania słonecznego do wnętrza, gdzie jest ono pochłaniane i magazynowane w ścianach i podłodze, a także w znajdujących się w pomieszczeniu przedmiotach. Zmagazynowana energia jest następnie częściowo przekazywana do powietrza wewnątrz obiektu podnosząc jego temperaturę. Warstwy ścian wewnętrznych mogą być specjalnie przystosowane do pochłaniania promieniowania słonecznego zmniejszając negatywne dobowe wahania temperatury. Najlepszym sposobem jest budowa przeciwległej do okna ściany z elementów akumulujących ciepło (np. klinkier).

Fluktuacje temperatury pomieszczenia, charakteryzujące system zysków bezpośrednich, są zazwyczaj większe niż tolerowane przez człowieka w zakresie odczuwalnego komfortu cieplnego. Efektywnym sposobem zmniejszenia tych wahań, z jednoczesną możliwością uzyskania przesunięcia okresu dostarczania energii do pomieszczenia na późniejsze godziny doby, jest odizolowanie wnętrza budynku od bezpośredniego promieniowania słonecznego za pomocą układu magazynującego (system pośredni). Konstrukcja taka, znana pod nazwą ściany Trombe'a, gromadzi energię słoneczną przenikającą przez osłony przezroczyste i pod wpływem występującej różnicy temperatury przewodzi ją do swej wewnętrznej powierzchni, skąd jest następnie oddawana do pomieszczenia na drodze konwekcji i promieniowania.

System tzw. mieszany stanowi np. układ z całkowicie oszkloną werandą. Ogrzewane pomieszczenie od strony południowej posiada masywną ścianę magazynującą odizolowaną od otoczenia oszkloną przestrzenią. Obszar werandy ogrzewany jest w sposób bezpośredni i charakteryzuje się dużymi wahaniami temperatury, podczas gdy przestrzeń mieszkalna uzyskuje energię słoneczną w sposób pośredni. System ten jest rekomendowany w polskich warunkach klimatycznych, przy konstrukcyjnym zabezpieczeniu oszklonej werandy przed nadmiernymi zyskami słonecznymi w okresie letnim oraz przy zapewnieniu wtedy odpowiedniej wentylacji dla uniknięcia jej, a pośrednio i pomieszczenia, przegrzewania.

System zysków bezpośrednich i pośrednich

System mieszany z oszklona weranda.jpg

Rysunek 17. Systemy pasywne wykorzystania energii promieniowania słonecznego

Metody ogrzewania pasywnego mogą być skuteczne jedynie w budownictwie o małym jednostkowym zapotrzebowaniu na energię do celów ogrzewczych i wymagają zastosowania systemu ogrzewania tradycyjnego o małej bezwładności. Stąd szczególne nimi zainteresowanie budownictwa pasywnego. 

2.10.4. Aktywne słoneczne systemy grzewcze

Cieplne kolektory słoneczne (płaskie, rurowo-próżniowe) są najbardziej rozpowszechnionymi w budownictwie urządzeniami do konwersji fototermicznej promieniowania słonecznego.

Kolektory słoneczne sytuuje się pochylając je pod pewnym kątem do płaszczyzny poziomej, co zwiększa jego napromieniowanie. Czynnikiem istotnym dla doboru kąta pochylenia kolektorów jest czas eksploatacji systemu słonecznego. Kolektor słoneczny skierowany na południe ma największą wydajność energetyczną , ale odchylenie do kilkunastu stopni w kierunku zachodnim lub wschodnim, skutkuje niewielkim jej obniżeniem. W sytuacji, gdy połać dachowa zachowuje odpowiedni kąt i pochylenie, kolektory słoneczne można montować nad powierzchnią dachu bez względu na jego pokrycie lub w połaci dachu z kołnierzem osłonowym. W zależności od materiału pokrycia powierzchni dachu należy stosować odpowiednie elementy mocujące kolektorów ze szczególnym uwzględnieniem szczelności wodnej. Możliwe jest ustawienie kolektorów na płaskim dachu lub też pochylonym, balkonie lub gruncie, na odpowiednim stelażu zapewniającym właściwe pochylenie oraz kierunek kolektorów. Nie należy umieszczać kolektorów tuż nad ziemią, zapewniając pewną minimalną wysokość dla uniknięcia zawilgocenia absorbera.

Zespoły lub pojedyncze moduły płaskich kolektorów słonecznych są najczęściej wykorzystywane w słonecznych instalacjach przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Zyski energetyczne wynikające z zastosowania systemu słonecznego zależą bardzo od rodzaju instalacji, w której wykorzystuje się kolektory, od wymaganych temperatur pracy układu i od warunków klimatycznych, a w szczególności - nasłonecznienia i temperatury zewnętrznej. W planowaniu słonecznej instalacji podgrzewania ciepłej wody użytkowej, którego podstawowym elementem jest dobór powierzchni kolektorów słonecznych, należy odnieść się do zapotrzebowania uwarunkowanego ilością osób i przypadającym na osobę zużyciem ciepłej wody użytkowej, do dobowego, miesięcznego i rocznego rozkładu jej odbioru oraz do ilości energii docierającej w danym rejonie i lokalizacji do kolektora.

Dokładne przyjęcie wielkości powierzchni kolektorów słonecznych wymaga przeprowadzenia stosownych obliczeń. Najdokładniejsze są symulacje numeryczne uwzględniające warunki klimatyczne i pełne charakterystyki elementów instalacji. Do projektowania systemów słonecznych mogą być również wykorzystywane metody korelacyjne, w postaci graficznej lub funkcyjnej (np. F-Chart) podające zależności między zmiennymi bezwymiarowymi, określonymi przez parametry instalacji i warunki jej pracy. Metody te opracowywane są na podstawie wyników wielu szczegółowych obliczeń symulacyjnych oraz danych eksperymentalnych.

Przy doborze wielkości powierzchni kolektorów promieniowania słonecznego możliwe jest bazowanie na pewnych przyjętych standardach (np. często producenci sugerują dobór powierzchni kolektora o wielkości 1,5 m2 na osobę, co jest w standardowej instalacji poprawne).

Powkolslon.jpg 

Rysunek 18. Stopień pokrycia zapotrzebowania 4 osobowej rodziny na ciepłą wodę użytkową

w zależności od powierzchni kolektorów systemu słonecznego

W przypadku słonecznych systemów przygotowania ciepłej wody użytkowej zalecane jest planowanie instalacji tak, aby pokryła ona 60 - 70% (średnio 65%) rocznego zapotrzebowania, 90 - 100% latem, na ciepłą wodę użytkową.

Możliwe jest uzyskanie ok. 350 - 550 kWh rocznie z 1 m2 typowego płaskiego kolektora (450-600 kWh/m2 w przypadku kolektora próżniowego) w instalacji słonecznego podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Duże znaczenie dla zwiększenia zysków energetycznych instalacji ma nie tylko sprawność kolektora słonecznego wynikająca z jego typu, ale właściwy dla każdego rodzaju instalacji dobór zbiornika magazynującego, wymiennika ciepła, długości połączeń rurowych, odpowiedniej izolacji cieplnej elementów systemu.

Systemy słoneczne z kolektorami mogą być wykorzystane do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz dla potrzeb centralnego ogrzewania (system słoneczny nazywany „kombi”). W związku z coraz bardziej powszechnym stosowaniem niskotemperaturowych systemów ogrzewania pomieszczeń (ogrzewanie podłogowe, ścienne) zwiększa się możliwość efektywnej pracy systemu słonecznego do celów ogrzewania pomieszczeń. Źródło energii jest niestety niekoherentne z zapotrzebowaniem na ciepło do ogrzewania. Stąd istotne wspomaganie systemu ogrzewania kolektorami słonecznymi (bez sezonowego magazynowania energii) może następować w okresie wiosennym. Ze względu na poziom temperatury, systemy słoneczne są nawet bardziej wskazane do ogrzewania niż do podgrzewu wody użytkowej. Przy niskotemperaturowych systemach grzewczych czynnik roboczy w obiegu ogrzewczego może mieć temperaturę na poziomie 40oC, natomiast w systemie ciepłej wody użytkowej, temperatura ciepłej wody jest wymagana na poziomie minimum 45-50°C. Wykorzystanie systemu słonecznego do ogrzewania pomieszczeń wymaga znacznie większych powierzchni kolektorów słonecznych (od kilkunastu metrów kwadratowych), niż w przypadku instalacji jedynie do podgrzewania ciepłej wody. System ogrzewania z kolektorami słonecznymi, mający charakter uzupełniającego w stosunku do konwencjonalnej instalacji grzewczej, jest też bardziej skomplikowany i w konsekwencji wymaga znacznie większych nakładów inwestycyjnych. W okresie letnim należy również zagospodarować nadmiar energii pozyskanej w kolektorach, w stosunku do potrzeb podgrzewania ciepłej wody użytkowej, np. do ogrzania wody w basenie.

Instalacje z kolorami słonecznymi mogą być wykorzystane w systemach klimatyzacji i do produkcji chłodu (tzw. systemy słoneczne kombi plus).

2.10.5. Systemy konwersji fotoelektrycznej promieniowania słonecznego (panele fotowoltaiczne)

Konwersja fotowoltaiczna, czyli bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, odbywa się dzięki wykorzystaniu tzw. efektu fotowoltaicznego polegającego na powstawaniu siły elektromotorycznej w materiałach o niejednorodnej strukturze, podczas ich ekspozycji na promieniowanie elektromagnetyczne. Zainteresowanie systemami fotowoltaicznymi (PV) szybko wzrasta, a ich ceny znacząco maleją.

Stosowane są głównie ogniwa wykonane z krzemu monokrystalicznego, w zastosowaniach praktycznych o sprawności kilkanaście procent, polikrystalicznego o sprawności 14-16%, amorficznego o sprawności ok. 20% i inne. Maksymalne sprawności uzyskiwanych w produkcji krzemowych ogniw fotowoltaicznych zbliżają się do 23%.

Ogniwa słoneczne łączy się ze sobą w układy zwane modułami fotowoltaicznymi, o mocy kilkuset W, a te z kolei służą do budowy systemów fotowoltaicznych. Systemy fotowoltaiczne można podzielić na systemy podłączone do sieci trójfazowej elektroenergetycznej poprzez specjalne urządzenie zwane falownikiem oraz na systemy autonomiczne zasilające bezpośrednio urządzenia prądu stałego, zazwyczaj z wykorzystaniem okresowego magazynowania energii w akumulatorach elektrochemicznych.

Nowoczesne systemy fotowoltaiczne mogą stanowić elementy okładzin ściennych, w tym również z chłodzeniem wewnętrznej powierzchni modułów ogniw i wykorzystaniem pozyskanego ciepła do celów ogrzewczych. Wykorzystując ogniwa PV do celów energetycznych, należy ponieść koszty inwestycyjne na baterie akumulatorów, układy sterowania i ewentualnie falowniki prądu, gdyż zarówno ogniwa, jak i akumulatory generują prąd stały.

2.10.6. Pompy ciepła

Pompa ciepła odbiera energię ze źródła o niskiej temperaturze (źródło dolne) i przenosi ją do źródła o wyższej temperaturze (źródło górne), gdzie zostaje wykorzystana do ogrzewania pomieszczeń lub podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Pompy ciepła mają zastosowanie zarówno w powietrznych jak i wodnych systemach ogrzewania.

Dolne, odnawialne źródła pompy ciepła mogą stanowić:

  • powietrze zewnętrzne,
  • grunt,
  • wody powierzchniowe (rzeki, jeziora, stawy),
  • wody gruntowe,
  • wody geotermalne,
  • promieniowanie słoneczne.

Pompa ciepła

Rysunek 19. Możliwe źródła ciepła przy wykorzystaniu pompy ciepła do ogrzewania pomieszczeń

lub podgrzewania ciepłej wody użytkowej

Do funkcjonowania najczęściej stosowanej sprężarkowej pompy ciepła niezbędne jest dostarczenie energii elektrycznej do napędu silnika sprężarki. Stosunek pomiędzy mocą grzewczą pompy ciepła a niezbędną do napędu sprężarki mocą elektryczną wyrażany jest właśnie przez współczynnik wydajności cieplnej (COP) pompy ciepła. Z termodynamicznych podstaw pomp ciepła wynika, że ich efektywność energetyczna zależy przede wszystkim od różnicy temperatur miedzy źródłami. Przyjmując, że wykorzystujemy źródła ciepła o temperaturze otoczenia, efektywność pompy ciepła będzie tym większa, im niższa będzie temperatura źródła górnego.

Średni sezonowy współczynnik wydajności grzejnej dla pomp ciepła w polskich warunkach klimatycznych zawiera się w przedziale od 2,5 do 6,0 i jego wartość zależy od rodzaju zastosowanego zewnętrznego wymiennika ciepła i typu instalacji grzewczej.

Średnie wartości COP współczesnych pomp ciepła są na poziomie:

COP = 5,5 dla wód gruntowych jako dolnego źródła ciepła,

COP = 4,4 dla gruntu jako dolnego źródła ciepła,

COP = 3,2 dla powietrza jako dolnego źródła ciepła.

W odniesieniu do systemu z pompą ciepła należy określić współczynnik SPF (Seasonal Performance Factor), uwzględniający również wszelką energię zużywaną przez system np. energię zasilającą urządzenia pomocnicze systemu. Dzięki zmniejszaniu zużycia napędowej energii elektrycznej „na potrzeby własne pompy ciepła” oraz na potrzeby pomp do przetłaczania czynników w dolnym źródle, a także niskotemperaturowemu ogrzewaniu pomieszczeń, osiągane są wartości SPF na poziomie 6. Znacznie wyższe mogą być wartości COP (a co za tym idzie także SPF) dla instalacji chłodniczych, w których niewielkie są różnice temperatury między dolnym i górnym źródłem.

Ze względu na czynniki stanowiące dolne i górne źródło ciepła, można rozróżnić, następujące pompy ciepła najczęściej wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania ciepłej wody użytkowej:

  • pompa ciepła powietrze/powietrze (P-P): pompa odbiera ciepło od powietrza i do powietrza je przekazuje
  • pompa ciepła powietrze/woda (P-W)
  • pompa ciepła woda/woda (W-W)
  • pompa ciepła grunt/woda
  • pompa ciepła woda/powietrze
  • pompa ciepła grunt/solanka/woda, gdzie ze względu na duże powierzchnie wymienników ciepła, nie stosuje się w absorberach bezpośredniego odparowania, lecz włącza się solankę jako pośredni nośnik ciepła

Wyróżnia się dwa podstawowe układy współpracy pompy ciepła z instalacją ogrzewania:

  • Układ monowalentny z pompą ciepła jako jedynym źródłem zasilania instalacji ogrzewania. Będąc jedynym urządzeniem zaspakajającym zapotrzebowanie na energię, pompa ciepła musi posiadać takie charakterystyki, aby sama mogła zaspokoić średnie i szczytowe obciążenia. Wymagany jest dobór odpowiedniego źródła dolnego (np. grunt, woda gruntowa), które powinno mieć stałą temperaturę w ciągu sezonu grzewczego. Szczególnym rozwiązaniem monowalentnego układu sprężarkowej pompy ciepła jest układ z wodnym zasobnikiem ciepła wyposażonym w dodatkowe grzałki elektryczne. Wprawdzie grzałki te spełniają rolę źródła szczytowego, lecz pojęcie układ monowalentny można odnieść do rodzaju nośnika energii dostarczonej do systemu ogrzewania. W tym przypadku doprowadzona jest jedynie energia elektryczna, układ taki nazywa się też monoenergetycznym. Ten szczególny układ z grzałkami elektrycznymi jest wysoce niekorzystny w przypadku niskich temperatur zewnętrznych oraz dużego zapotrzebowania na CWU. Nie polecam tego rozwiązania!!!
  • Układ biwalentny z pompą ciepła jako układem podstawowym oraz dodatkowym (szczytowym) źródłem ciepła, którym może być podgrzewacz elektryczny, kocioł gazowy lub olejowy. Systemy biwalentne wykorzystują dwa wzajemnie uzupełniające się źródła ciepła.

 

2.10.7. Biomasa

Nowoczesne systemy ogrzewania drewnem działają równie sprawnie, jak konwencjonalne systemy olejowe lub gazowe. Jest to bardzo ważne gdyż biomasa, a przede wszystkim paliwa drzewne, to cenny surowiec, który należy jak najbardziej efektywnie wykorzystywać, w tym również w energetycznych zastosowaniach. Pozytywne aspekty ekologiczne spalania biomasy wiążą się z faktem, że w procesie spalania biopaliwa emisja dwutlenku węgla równa jest pochłanianiu CO2 na drodze fotosyntezy w procesie odnawiania tych paliw. Dlatego przyjmuje się, że w procesie spalania biomasy emisja CO2 jest zerowa. Do paliw drzewnych zaliczamy pelety, brykiety i zrębki. Podstawowym surowcem do produkcji brykietów i peletów są trociny tartaczne. Proces brykietowania ma na celu zagęszczenie i zmniejszenie objętości trocin. Oprócz trocin, jako surowca używa się także korę i pozostałości po wycince lasów, wióry i rozdrobnione odpady suchego drewna.

3.   LITERATURA

  1. Instrukcja ITB nr 334/2002 Bezspoinowy system ocieplenia ścian zewnętrznych budynków, Warszawa 2002,
  2. Firląg Sz., Idczak M., Okna w budynkach pasywnych - funkcje, wymagania, bilans energetyczny, komfort cieplny, Świat Szkła nr 7-8/206(99).
  3. Mijakowski M., Sowa J., Narowski P., Sprawność temperaturowa odzysku ciepła a średniosezonowe ograniczenie zużycia ciepła w systemie wentylacji - wpływ strategii odzysku ciepła z powietrza usuwanego, Czasopismo Techniczne, 2-B/2010 Zeszyt 4 Rok 107,
  4. Panek A., Firląg Sz.: Wentylacja w budynkach pasywnych, materiały konferencyjne VII Ogólnopolskiej Konferencji Energodom 2004.
  5. Firląg Sz., Rucińska J.: Simplified method of designing an air-ground heat exchanger, materiały konferencyjne CESB 07 Prague Conference Central Europe towards Sustainable Building 2007.Firląg Sz.: System grzewczy w budynku pasywnym - podstawy projektowe, Rynek Instalacyjny nr 6/2006 str. 66 - 68,
  6. Kędzierski P., Wybrane aspekty modernizacji instalacji ogrzewania, Materiały budowlane nr 11/2008
  7. Nowoczesne węzły cieplne, Rynek Instalacyjny, nr 06/2009,Feist W., Einführung zur Passivhaus - Versorgungstechnik, Protokollband Nr. 20, Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser Phase II, Passivhaus - Versorgungstechnik, 1999 str. 1 - 9.
  8. Stempniak A., Kompleksowa modernizacja centralnych instalacji C.W.U., Rynek Instalacyjny, nr 12/2002,Peuhkuri R., Tschui A., Pedersen S., Application of the local criteria/standards and their differences for very low-energy and low energy houses in the participating countries, NORTHPASS European project, raport, 12.03.2010,
  9. Prusakiewicz M., Katalog mostków cieplnych - budynki niskoenergetyczne i pasywne, praca inżynierska WIL PW, 2012,
  10. Emmerich S. J., Mcdowell T. P., Anis W., Simulation of the impact of commercial building envelope airtightness on building energy utilization. (Report), ASHRAE Transactions, 01.07.2007,Feist W., Kah O., Klimaneutrale Passivhaus-Reihenhaussiedlung Hannover-Kronsberg, CEPHEUS- Projektinformation Nr. 18, Passivhaus Institut, Darmstadt 2001.
  11. Definicje budynków niskoenergetycznych w krajach Północnoeuropejskich, NORTHPASS European project, raport D17, 2012,