15 lip BIERNACKA: Budownictwo niskoenergetyczne i pasywne. Wprowadzenie
Budownictwo niskoenergetyczne jest odpowiedzią sektora budowlanego na wyzwania zrównoważonego rozwoju, którego wagę dostrzega już Konstytucja Rzeczypospolitej Polskiej: „Rzeczypospolita Polska strzeże niepodległości nienaruszalności swojego terytorium, zapewnia wolności i prawa człowieka i obywatela oraz bezpieczeństwo obywateli, strzeże dziedzictwa narodowego oraz zapewnia ochronę środowiska, kierując się zasadą zrównoważonego rozwoju.” (Rozdział I. Art.5)
Zrównoważony rozwój definiuje się jako taki rozwój, w którym potrzeby obecnego pokolenia mogą być zaspokojone bez umniejszania szans przyszłych pokoleń na ich zaspokojenie (Raport Światowej Komisji ds. Środowiska i Rozwoju „Nasza Wspólna Przyszłość” 1987 r.)
Pierwszą globalnie rozważaną refleksją dotyczącą negatywnego wpływu działalności człowieka na stan środowiska naturalnego był raport Sekretarza Generalnego ONZ U Thanta „Człowiek i jego środowisko” z 1969 roku. Od tego czasu, czyli od blisko 50 lat, rozwija się współpraca międzynarodowa, prowadząca do globalnych ustaleń i konwencji na rzecz poprawy stanu środowiska naturalnego Ziemi. Unia Europejska reguluje te kwestie wyznaczając cele środowiskowe i egzekwując je za pomocą dyrektyw, które zobowiązują państwa członkowskie do wprowadzenia zmian na poziomie ustawodawstwa krajowego.
Budownictwo jest działem gospodarki mającym znaczący wpływ na zużycie energii i emisję dwutlenku węgla do atmosfery. Budynki w krajach Unii Europejskiej pochłaniają blisko 40% produkowanej energii końcowej oraz są znaczącym emitentem dwutlenku węgla. W 2007 roku Unia Europejska wyznaczyła cele strategiczne zobowiązujące państwa członkowskie do redukcji zużycia energii i redukcji emisji CO2 przez budynki o 20% do końca 2020 roku oraz zwiększenie efektywności na każdym etapie łańcucha energetycznego, zaczynając od dostaw energii, a kończąc na jej zużyciu przez indywidualnych odbiorców. W odniesieniu do budownictwa szczególne znaczenie mają dyrektywy:
– Dyrektywa o Efektywności Energetycznej Budynków (Directive on the Energy Performance of Buildings EPBD) z 2002 roku oraz
– Przyjęta w 2014 roku tzw. „nowa” dyrektywa o efektywności energetycznej (Energy Efficiency Directive, EED) zastępująca dyrektywy z 2004, 2006 i 2010 roku. Konsekwencją wdrożenia dyrektywy EED była w 2013 r. zmiana Rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie w zakresie efektywności energetycznej. Wprowadzono „schodkowy” model osiągnięcia poziomu budownictwa blisko zero energetycznego, w którym co 3 lata (w 2014, 2017 i 2021 roku) zaostrzają się wymogi dotyczące parametrów energooszczędności budynku.
Powyższy rysunek pokazuje zestawienie współczynników przenikania ciepła obowiązujących w 2002 roku (na szaro) oraz docelowych, które będą obowiązywały od 2021 roku (na czarno).
Tradycyjnie zasilane budynki czerpią energię cieplną z ciepłowni, elektrociepłowni lub produkcji przydomowej, a energię elektryczną z elektrowni. Najpopularniejszymi paliwami do uzyskania energii cieplnej i elektrycznej są węgiel, gaz, olej opałowy oraz w niewielkim stopniu odnawialne źródła energii (OZE), takie jak wiatr, słońce, geotermia, spadek rzek, fale, prądy i pływy morskie, oraz energia z biomasy i biogazu.
Terminy:
– energia pierwotna to jest ta energia zawarta w pierwotnym źródle, które wykorzystujemy;
– energia końcowa to jest energia, którą musimy zakupić na potrzeby budynku;
– energia użytkowa to jest ta, którą w budynku zużywamy bezpośrednio na ogrzewanie, oświetlenie i funkcjonowanie urządzeń.
Wartości zużycia energii pierwotnej, końcowej i użytkowej są różne ze względu na straty pojawiające się pomiędzy punktami produkcji, odbioru i zużycia energii.
Straty energii pojawiają się również w samym budynku. Ciepło przenika i ucieka przez przegrody (okna, drzwi, ściany, stropy, dach, kominy i piony wentylacyjne, przebicia i nieszczelności). Skala tych strat jest zależna od wieku budynku, materiałów, technologii, sposobu użytkowania, jakości projektu i jego wykonania. W dużym uproszczeniu można przyjąć, że starsze budynki są narażone na dużo większe straty ciepła, niż te budowane w ostatnich latach.
Jeśli chodzi o zapotrzebowanie standardowego domu jednorodzinnego na energię cieplną i elektryczną, to pokazuje je poniższy wykres w podziale procentowym:
Roczne zapotrzebowanie energetyczne na ciepło tradycyjnego domu jednorodzinnego wynosi co najmniej 120 kWh (czyli ok 12 litrów oleju opałowego) na metr kwadratowy rocznie. Te 120 kWh/m2r jest wartością minimalną, gdyż zdecydowana większość wybudowanych w Polsce budynków jednorodzinnych zużywa tej energii o wiele więcej.
Idea budownictwa pasywnego kształtowała się już w latach 70 ubiegłego stulecia, natomiast jej rozkwit zawdzięczamy dwóm naukowcom: Wolfgang Feist i Bo Adamson w 1988 roku opracowali ideę domu pasywnego, rozumianego jako budynek, który dzięki zastosowanym rozwiązaniom i wykorzystaniu procesów naturalnych, nie wymaga ogrzewania, nie emituje zanieczyszczeń i jednocześnie zapewnia wysoki komfort życia jego mieszkańcom.
Z czasem, w założonym przez nich Passive House Institute w Darmstadt wypracowano kryteria budynku pasywnego, dzięki którym budynki można poddać certyfikacji. Kryteria te są uznawane na całym świecie jako doskonałe odniesienie do projektowania budynków niskoenergetycznych i sprowadzają się do 6 głównych kwestii:
1) Orientacja i konstrukcja bryły budynku
Zwarta bryła budynku wpływa na minimalizację zużycia energii. Im więcej załamań bryły, tym więcej ścian zewnętrznych i tym więcej powierzchni, przez które przenika ciepło. Budynek rozrzeźbiony będzie potrzebował więcej energii do ogrzania wnętrza niż budynek o zwartej bryle.
Orientacja. Budynki pasywne ustawia się w takiej relacji do słońca, aby ich przeszklone fasady były skierowane na południe, co pozwala na darmowe wykorzystanie energii cieplnej słońca. Z zasady, od północy nie umieszcza się żadnych (lub niewiele) przeszkleń i otworów, gdyż mogą generować straty ciepła przez przebicia elewacji budynku. W budynku pasywnym większość okien (65%) powinno być zlokalizowanych od strony południowej, dzięki czemu wpadające światło słoneczne generuje darmowe ciepło. Przed przegrzewaniem w letnie dni chronić mogą zewnętrzne osłony zacieniające oraz roślinność liściasta (w zimie, kiedy nie ma liści, promienie słońca docierają do wnętrza budynku).
2) Izolacja termiczna budynku
Izolacja termiczna budynku ma kluczowe znaczenie dla zużycia energii cieplnej. W domach standardowych jeszcze do niedawna wykonywało się izolację np. ze styropianu lub wełny mineralnej o grubości 5-10-20 cm, podczas gdy w domach pasywnych warstwa izolacji termicznej jest znacząco grubsza, ma 30-40 cm i jest wykonana z materiałów o dużo lepszych parametrach na przenikanie ciepła.
Redukcja mostków termicznych. Mostki termiczne to takie miejsca w budynku, w których stykają się rożne elementy budowlane i ze względu na ich geometrię, różnice materiałowe, czy montaż trudno jest odpowiednio ocieplić. Przykładem mostka cieplnego może być miejsce styku płyty balkonowej ze ścianą budynku. Na poniższym rysunku widzimy rozkład temperatur w przegrodzie standardowej i pasywnej. W przegrodzie standardowej widać, ze chłód (na rysunku oznaczony na niebiesko) przenika do środka pomieszczenia, co przyczynia się do oziębienia i zawilgocenia przegrody oraz rozwoju pleśni wewnątrz. W przegrodzie pasywnej stosuje się łączniki balkonowe, które punktowo mocują płytę balkonową do ściany, pozostawiając miejsce na ocieplenie o niezmienionej grubości na całej elewacji. Na rysunku widać, że chłód pozostaje w strefie izolacji termicznej i nie przenika do konstrukcji budynku.
3) Okna
Inżynierowie specjalizujący się w budownictwie pasywnym prześcigają się w ulepszaniu konstrukcji okien, tak aby osiągnąć jak najlepsze parametry przenikania ciepła. Zgodnie z obecnie obowiązującymi przepisami współczynnik przenikania ciepła U dla okien powinien wynosić maksymalnie 1,3 W/m2K podczas gdy dla okien w budynku pasywnym powinien wynosić najwyżej 0,8 W/m2K.
W konstrukcji okna istotne są szyby – w oknach pasywnych co najmniej izolowane 3-szybowe – osadzone w odpowiednio ocieplonej ramie z uszczelnionym i ocieplonym stykiem szyby z ramą okienną. Podstawową różnicą pomiędzy oknami w domach standardowych a pasywnych jest ich zamocowanie. W budownictwie tradycyjnym okna montowane są bezpośrednio w otworze ściany, natomiast w budownictwie pasywnym zamontowane są na wspornikach, które wysuwają ramę okienną tak, aby znajdowała się w warstwie ocieplenia, co zapobiega powstawaniu mostków cieplnych.
4) Szczelność
Budynek pasywny jest absolutnie szczelny, nie ma szpar i szczelin, przez które powietrze czy wilgoć mogłoby się przedostać. Uzyskanie takiego efektu wymaga wiedzy i ogromnej precyzji wykonawczej. Przy wznoszeniu budynku należy zapewnić ciągłość szczelnej powłoki, prawidłową obróbkę przebić instalacyjnych, precyzyjne uszczelnienie styków elementów i materiałów budowlanych. Dla potwierdzenia prawidłowego wykonania budynku przeprowadza się test szczelności, tzw. blower door test, którego wynik na poziomie n50<0,6 1/h jest wymagany dla uzyskania certyfikatu budynku pasywnego.
5) Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła
Odzyskiwanie ciepła z użytego powietrza jest kolejną metodą na oszczędność energii w budynku pasywnym. Szacuje się, że około 30% energii cieplnej traci się wraz z ogrzanym powietrzem ulatującym kanałami wentylacyjnymi. Rekuperator jest urządzeniem pozwalającym na wymianę powietrza zużytego na świeże przy jednoczesnym ogrzaniu świeżego powietrza ciepłem powietrza zużytego. W efekcie możemy zapewnić stały dopływ świeżego i ciepłego powietrza do domu wykorzystując ogrzane wcześniej powietrze.
6) Odnawialne źródła energii
Dodatkowe oszczędności w zużyciu energii można wprowadzić dzięki pasywnemu wykorzystaniu odnawialnych zasobów naturalnych. Naturalne ciepło gruntu wykorzystuje się w tzw. gruntowym wymienniku ciepła. Jego zadaniem jest wstępne podgrzanie lub ochłodzenie powietrza zewnętrznego, będące efektem przepuszczenia powietrza przez instalację z rur ułożoną poniżej granicy przemarzania. Około 2 metry pod ziemią temperatura utrzymuje się na stałym poziomie około +8 oC. Powietrze, które wpływa do instalacji wstępnie ogrzewa się zimą, a latem wstępnie chłodzi, co oznacza, że do budynku wpływa odpowiednio o kilka do kilkunastu stopni cieplejsze zimą lub chłodniejsze latem. Jeśli zimą temperatura zewnętrzna wynosi -20 oC, a oczekiwana w domu +21 oC, to do pokonania jest różnica ponad 40 stopni. Dzięki zastosowaniu gruntowego wymiennika ciepła kilkanaście stopni zostaje ogrzane „siłami” natury.
Innym urządzeniem wykorzystującym temperaturę zewnętrzną do ogrzewania lub chłodzenia budynku jest pompa ciepła. Pompa ciepła, dzięki wykorzystaniu szczególnych właściwości substancji chemicznych (np. glikolu), pozyskuje ciepło i chłód z gruntu, wody lub powietrza, nawet przy ujemnych temperaturach zewnętrznych. Gruntowa pompa ciepła wykorzystuje ciepło uzyskane za pomocą sond umiejscowionych w kanałach wierconych do 100 metrów w głąb ziemi. Na takiej głębokości substancja znajdująca się w sondach nagrzewa się i wraca na górę jako nośnik ciepła, wspierający ogrzewanie budynku. Tego typu instalacje wykorzystuje się nie tylko w domach jednorodzinnych, ale także w obiektach wielkokubaturowych.
Kolejnym odnawialnym źródłem energii jest słońce. Oprócz bezpośredniego ogrzania budynku poprzez lokalizację okien i jego orientację (o czym wspomniano wcześniej), stosuje się urządzenia pozyskujące ze słońca energię cieplną i elektryczną.
Kolektory słoneczne, zwane potocznie „solarami” wykorzystują ciepło słoneczne do podgrzewania wody. Panele fotowoltaiczne (czasami mylone z kolektorami) produkują prąd z energii słonecznej. Jedne i drugie można zainstalować w budynku jako wsparcie zasilania w ciepło i prąd.
Prąd można również pozyskać z pomocą małych turbin wiatrowych, lokalizowanych na dachu lub w sąsiedztwie budynków.
Przy zastosowaniu powyższych rozwiązań zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania typowego budynku jednorodzinnego spada do poziomu poniżej 15 kWh/m2a lub 1,5 litra oleju cieplnego na rok, czyli potrzeba go 10 krotnie mniej niż w budynku tradycyjnym.
Przykłady pierwszych budynków pasywnych
– Pierwszy na świecie budynek pasywny powstał w Darmstadt – Kranichstein w 1991 roku jako budynek modelowy.
– Pierwszym budynkiem pasywnym w Polsce był dom jednorodzinny w Smolcu zaprojektowany jako budynek pokazowy przez biuro projektowe Lipińscy w 2007 roku.
Kolejne dwa projekty domów pochodzą z pracowni DJiO, obydwa te budynki spełniły kryteria zarówno certyfikatu PassiveHouse jak i wymagania dla programu NF15
Pierwszym pasywnym budynkiem wielorodzinnym w Polsce jest budynek VillaNOVA Ediffcio przeznaczony dla 6 rodzin, zrealizowany w 2015 roku w Warszawie, zaprojektowany przez architekta Tomasza Bala z biura architektonicznego Innebo.
Justyna Biernacka – architektka, trenerka, działaczka społeczna. Ma blisko 15 lat doświadczenia w zakresie architektury, zielonego budownictwa i zrównoważonego rozwoju. Tworzyła strategie zrównoważonego rozwoju oraz wdrażała innowacyjne rozwiązania z zakresu zielonego budownictwa w projektach nieruchomości mieszkaniowych i komercyjnych. W latach 2010-2015 związana z firmą Skanska, gdzie zajmowała się kwestiami efektywności energetycznej budynków i emisji CO2, oszczędnością zużycia wody i zasobów naturalnych, wykorzystania zrównoważonych materiałów budowlanych i gospodarki odpadami oraz strategią tworzenia przyjaznych i dostępnych przestrzeni publicznych towarzyszących realizacji nowych inwestycji deweloperskich. Posiada certyfikaty LEED AP BD+C Green Building Council oraz Passive House Ceritified Designer Passivhaus Institut Darmstadt. Należy do Izby Architektów RP i Stowarzyszenia Architektów Polskich (zespół ekspercki ds Warszawskich Centrów Lokalnych). Autorka (razem z Patrycją Dołowy) cyklu warsztatowego i publikacji „Miasto Oczami Kobiet” zrealizowanego w Fundacji MaMa w 2012 r. Współzałożycielka Stowarzyszenia Moja Narbutta, działającego na rzecz społeczności Starego Mokotowa w Warszawie. Członkini Rady Programowej Fundacji Blisko.
Nagranie wykładu na kanale YouTube Fundacji Blisko.