Budynki niskoenergetyczne i pasywne w Polsce i krajach Unii Europejskiej

Dalszy postęp w tej dziedzinie zmierzał do stworzenia budynków w jak największym stopniu samowystarczalnych energetycznie, mających niewielki wpływ na środowisko naturalne i zapewniających swoim użytkownikom wysoki komfort użytkowania.

Kategorią budynków, które dobrze wpisały się w te założenia, są tzw. budynki pasywne, których rozwój zaczął się na początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku. Obecnie budynki te zyskują coraz większą popularność w Europie i na Świecie a poszczególne kraje oraz organizacje międzynarodowe podejmują działania sprzyjające ich dalszemu rozwojowi (projekt CEPHEUS).

Idea budownictwa pasywnego Koncepcja budynku pasywnego została opracowana przez dr Wolfganga Feista i prof. Bo Adamsona z Uniwersytetu w Lund. W roku 1988 stwierdzili oni, że możliwe jest wybudowanie domu, który dzięki znacznemu ograniczeniu strat ciepła będzie się mógł obejść bez tradycyjnego systemu grzewczego. W roku 1991 w miejscowości Darmstadt w Niemczech powstał pierwszy czterorodzinny dom pasywny. Przeprowadzone w nim badania potwierdziły, że zużywa on o 90% mniej ciepła na cele grzewcze w porównaniu do nowych budynków wznoszonych zgodnie z obowiązującymi wtedy standardami. Wymagane normami warunki mikroklimatu wewnętrznego zostały osiągnięte bez zastosowania tradycyjnego systemu grzewczego. W chwili obecnej liczba wybudowanych budynków pasywnych jest szacowana na 6000, a budownictwo pasywne przeżywa obecnie okres dynamicznego rozwoju w całej Europie. Obiekty tego typu powstają i w Polsce, czego przykładem jest ukończony w 2007 roku pierwszy certyfikowany dom pasywny we Wrocławiu. Analogiczny obiekt zbudowany został na terenie Politechniki Poznańskiej. W standardzie tym wznoszone są nie tylko domy jedno — i wielorodzinne, ale i szkoły, przedszkola, biura, fabryki czy takie obiekty jak wysokogórskie schroniska, a przedsięwzięcia w zakresie budownictwa pasywnego mają miejsce również w krajach pozaeuropejskich takich jak Chiny, USA czy Rosja.

Projekt CEPHEUS Projekt CEPHEUS był realizowany w latach 1998-2001 w ramach programu Komisji Europejskiej THERMIE. Calem projektu była budowa 258 mieszkań w niedrogich domach pasywnych na terenie pięciu krajów europejskich – Francji, Szwajcarii, Niemiec, Austrii i Szwecji. Budynki pasywne miały zapewnić mieszkańcom komfortowe warunki klimatu wewnętrznego w zimie i lecie bez konieczności zastosowania tradycyjnego systemu grzewczego. Aby było to możliwe, sezonowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania bez uwzględnienia sprawności systemu grzewczego nie powinno przekraczać 15 kWh/m²a. Tak niewielka ilość ciepła może być dostarczona przez niezbędny i tak system wentylacji mechanicznej. Budynki pasywne zużywają zatem około 80% mniej energii na cele grzewcze niż budynki wznoszone w Europie zgodnie z obowiązującymi wtedy przepisami.

Ostatnim elementem projektu CEPHEUS było przeprowadzenie szczegółowych badań w oddanych do użytkowania domach pasywnych. Ich celem była możliwość wykonywania systematycznych pomiarów faktycznego zużycia energii, jakości środowiska wewnętrznego oraz zachowań i odczuć komfortu mieszkańców we wszystkich 32 domach. Wyniki badań miały pozwolić na zweryfikowanie założeń teoretycznych oraz dokonanie oceny wpływu budynków na środowisko. Aby było to możliwe, pomiarami objęto wszystkie domy pasywne a dla każdego z nich określono możliwie pełny bilans energetyczny. Podstawą do jego wyznaczenia było zużycie energii cieplnej na cele grzewcze i przygotowania c.w.u., zużycie energii elektrycznej oraz zużycie wody. Pomiary obejmowały również temperaturę powietrza wewnątrz pomieszczeń. Przeprowadzone w okresie od października 1999 roku do kwietnia 2001 roku badania potwierdziły bardzo niskie zużycie energii przez budynki. W pierwszym roku eksploatacji sezonowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania bez uwzględnienia sprawności systemu wynosiło 16 kWh/m²a i odbiegało tylko nieznacznie od przyjętych założeń. Zapotrzebowanie na energię końcową (na cele grzewcze i przygotowania c.w.u. oraz na energię elektryczną) wynosiło 58,0 kWh/m²a i było nieco wyższe od wartości granicznej przyjętej w projekcie CEPHEUS.

Pierwszy certyfikowany dom pasywny w Polsce Dom pasywny wzniesiony w Smolcu koło Wrocławia jako pierwszy, nie tylko z Polski, ale i całej Europy Środkowo-Wschodniej otrzymał oficjalny certyfikat Passivhaus Institut w Darmstadt. Sukces ten był efektem współpracy Instytutu Budynków Pasywnych przy NAPE i biura projektowego Lipińscy Domy, której celem było opracowanie autorskiego projektu jak też zbudowanie na jego podstawie modelowego domu pasywnego.

Zaproponowana przez biuro projektowe Lipińscy Domy architektura domu pasywnego nawiązuje do archetypu domu jednorodzinnego, przy czym doskonale wpisuje się w polski krajobraz zurbanizowany. Projekt domu i jego konstrukcja zapewnia maksymalne ograniczenie strat ciepła, przy jednoczesnym pozyskaniu jak największej ilości zysków ciepła od słońca. Kompaktowy charakter budynku potwierdza współczynnik AV wynoszący 0,75 a dostawiony od strony zachodniej garaż o niezależnej konstrukcji pełni rolę dodatkowego bufora ciepła. Maksymalizację solarnych zysków ciepła osiągnięto dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu okien na fasadach domu. Największą ilość promieniowania słonecznego przypada na kierunek południowy, dlatego dom pasywny ma dużą przeszkloną fasadę od strony południowej. Sytuacja jest odwrotna, jeśli chodzi o fasadę północną. Ponieważ ilość promieniowania słonecznego przypadająca na ten kierunek jest niewielka, to umieszczenie okien na północnej elewacji powoduje tylko dodatkowe straty ciepła. W domu pasywnym zrezygnowano jednak z tak zwanego „zamknięcia” fasady północnej. Doprowadziłoby to znacznego pogorszenia architektury domu i zmniejszenia jego atrakcyjności.

Podczas prac projektowych okazało się jednak, że aby dom pod Wrocławiem osiągnął standard pasywny, średni współczynnik U przegród zewnętrznych musi wynosi około 0,1 W/m²K. Osiągnięcie tak niskiego współczynnika wymusiło konieczność zastosowanie warstw izolacji o grubości 30-44 cm i najlepszych materiałów izolacyjnych.

W pierwszym etapie prac budowlanych wykonano fundamenty i płytę żelbetonową posadzki. Dom pasywny nie jest podpiwniczony, co znacznie uprościło konstrukcję budynku. Posadzkę zaizolowano od spodu warstwą 30 cm styropianu odpornego na działanie wody, charakteryzującego współczynnikiem przewodzenia ciepła l = 0,035 W/mK. Pozwoliło to na uzyskanie przez posadzkę na gruncie współczynnika U = 0,11 W/m²K.

Więźbę dachową domu Pasywny 1 wykonano w sposób tradycyjny. Jedyna różnica polega na zastosowaniu trójwarstwowego systemu izolacji. Pierwszy z jej elementów stanowią styropianowe panele dachowe o średniej grubości 14 cm. Drugą warstwą izolacyjną jest szary styropian przeznaczony do izolacji dachu, wypełniający przestrzeń między krokwiami. Grubość styropianu wynosi 20 cm natomiast jego współczynnik przewodzenia ciepła l = 0,033 W/mK. Ostatnią warstwę izolacji stanowią płyty z szarego styropianu o grubości 10 cm dobite pod krokwiami. Dzięki zastosowaniu trójwarstwowego systemu izolacji współczynnik przenikania ciepła dachu osiągnął wartość U = 0,08 W/m2K, co ma szczególne znaczenie, gdyż straty ciepła przez dach mają znaczny a nierzadko decydujący udział w bilansie energetycznym budynków.

Problem mostków cieplnych został rozwiązany w domu pasywnym już na etapie projektowym. Mostki konstrukcyjne udało się ograniczyć do minimum, między innymi poprzez termiczne oddzielenie garażu od bryły domu. Niezależna konstrukcja nośna umożliwiła wykonanie nieprzerwanej warstwy izolacji pomiędzy obydwoma częściami budynku.

Bardzo istotne jest również zachowanie ciągłości warstwy izolacyjnej w przegrodach zewnętrznych a szczególnie w ich połączeniach. W domu pasywnym udało się to zrealizować w niemal wszystkich przypadkach. Jedynym miejscem gdzie nie dało się zapewnić ciągłości warstwy izolacji są ściany fundamentowe, ale negatywne skutki zostały częściowo zniwelowane poprzez zastosowanie przekładki termicznej z cokołowych pustaków izolacyjnych.

Dzięki zastosowaniu kompleksowych rozwiązań obliczona strata ciepła przez mostki cieplne dla domu Pasywny 1 wynosi – 128 kWh/rok. Ujemna strata ciepła wynika z faktu przeprowadzenia obliczeń w odniesieniu do wymiarów zewnętrznych. Przy takich założeniach wartość geometrycznego mostka ciepła, dla idealnie zaizolowanego narożnika wynosi – 0,054 W/mK. Można więc stwierdzić, że uzyskanie ujemnej wartości start ciepła jest możliwe, kiedy usunięte zostaną wszystkie mostki cieplne.

Ponadto dom pasywny wyposażony jest w mechaniczną wentylację nawiewnowywiewną z systemem odzysku ciepła. Powietrze zewnętrzne dostaje się do pomieszczeń za pośrednictwem kratek nawiewnych a nie poprzez nieszczelne okna. Fakt ten a zarazem konieczność ograniczenia strat ciepła na wentylację sprawia, że dąży się do maksymalnego ograniczenia niekontrolowanej infiltracji powietrza zewnętrznego. Skuteczność wszystkich zastosowanych w domu pasywnym rozwiązań zmierzających do ograniczenia niekontrolowanej infiltracji powietrza zewnętrznego została sprawdzona za pomocą testu ciśnieniowego. Przeprowadzono go zgodnie z metodyką B opisaną w normie PN-EN 13829 „Właściwości cieplne budynków. Określanie przepuszczalności powietrznej budynków. Metoda pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora”. Badanie zostało wykonane przy użyciu drzwi nawiewnych – Blower Door Model 3. Służą one do wytworzeniu w domu warunków pod- lub nadciśnienia oraz pomiaru strumienia powietrza, który jest nawiewany bądź wywiewany z budynku. W wyniku badania określa się wielkość niekontrolowanej infiltracji powietrza zewnętrznego przez nieszczelność budynku. Zgodnie z wymaganiami stawianymi budynkom pasywnym strumień infiltrującego powietrza przy różnicy ciśnień 50 Pa musi być mniejszy niż 0,6 kubatury budynku na godzinę (n50 ≤ 0,6 1/h). Dom pasywny dzięki zastosowaniu kompleksowych rozwiązań w odniesieniu do szczelność konstrukcji osiągnął wartość n50 = 0,3 1/h, czyli znacznie poniżej stawianych wymagań. Przekroczenie wartość n50 = 0,6 1/h powoduje, że budynek nie może być oficjalnie uznany za pasywny.

W domu pasywnym zdecydowano się na zastosowanie ram z tworzyw sztucznych. Profil okienny szerokości 120 mm posiada pięć komór z dodatkowymi wkładkami z izolacji termicznej. Wartość współczynnika przenikania ciepła Uf samej ramy wynosi jedynie 0,71 W/m2K. Wartość współczynnika przenikania ciepła dla zastosowanego trójwarstwowego zestawu szklarskiego wynosi 0,6 W/m2K. Osiągnięcie tak dobrych parametrów termicznych było możliwe dzięki naniesieniu powłok ni-skoemisyjnych i wypełnieniu przestrzeni między szybowych argonem. Współczynnik g całkowitej przepuszczalności promieniowania słonecznego jest równy 0,52. Zastosowanie tak nowoczesnej stolarki okiennej pozwoliło na uzyskanie średniego współczynnika U dla wszystkich okien wynoszącego 0,72 W/m2K. Obliczono go na podstawie normy PN-EN 10077 „Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła” z dodatkowym uwzględnieniem mostków cieplnych powstałych w wyniku montażu okien. Zastosowane w domu drzwi wejściowe mają współczynnik U = 0,8 W/m2K.

Istnieje wiele sposobów realizacji systemu grzewczo-wentylacyjnego w budynkach pasywnych. W domu Pasywny 1 zdecydowano się na zastosowanie kompaktowego urządzenia grzewczego. Odpowiada ono za wentylację, ogrzewanie i przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Sercem urządzenia jest niewielka sprężarkowa pompa ciepła wykorzystująca jako dolne źródło ciepła energię cieplną odzyskiwaną z powietrza usuwanego z budynku oraz z powietrza zewnętrznego. Moc grzewcza pompy wynosi 1,5 kW co wystarcza do przygotowania c.w.u. oraz ogrzania zewnętrznego powietrza wentylacyjnego.

Do kompaktowego urządzenia grzewczego podłączono dodatkowo instalację solarną, wspomagającą podgrzew c.w.u. Wykonano ją w oparciu o kolektor próżniowy umieszczony na południowej połaci dachowej. Pozyskiwane przez niego ciepło służy do podgrzewu c.w.u. w zintegrowanym zasobniku o pojemności 250 l.Zastosowanie kompleksowych rozwiązań w odniesieniu do architektury i konstrukcji domu Pasywny 1 pozwoliło na radykalne zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło budynku. Potwierdziły to obliczenia wykonane przez Instytut Budynków Pasywnych przy NAPE za pomocą programu PHPP (Passivhaus Projektierungspaket). Otrzymana w ich wyniku charakterystyka energetyczna domu jest następująca:

Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania domu w standardowym sezonie grzewczym wynosi 15 kWh/m²a. Ten sam obiekt wybudowany zgodnie z obowiązującymi obecnie w Polsce normami będzie zużywał 123 kWh/m²a czyli ponad ośmiokrotnie więcej.• Maksymalne zapotrzebowanie na moc grzewczą, jakie może wystąpić dla warunków obliczeniowych wynosi 11,2 W/m². Jest to wartość większa niż przyjmowana dla domów pasywnych jednakże około sześciokrotnie mniejsza niż dla domu standardowego. Łączne zapotrzebowanie na moc grzewczą domu Pasywny 1 wynosi 1,52 kW i jest w pełni pokryte przez zastosowaną kompaktowy zespół z pompą ciepła. Możliwa jest, zatem rezygnacja z tradycyjnej instalacji grzewczej. Jej rolę przejmuje system wentylacji, który przy strumieniu powietrza wynoszącym 135 m³/h jest w stanie dostarczyć wymaganą ilość ciepła do budynku.• Zapotrzebowanie na ciepło do podgrzewu c.w.u. wynosi 26 kWh/m²a i jest identyczne jak dla domu standardowego. Zapotrzebowanie to jest jednak większe niż zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania domu Pasywny 1. Dlatego podgrzew c.w.u. powinien się odbywać przy udziale odnawialnych źródeł energii pochodzącej np. z kolektorów słonecznych.• Dom pasywny charakteryzuje się również bardzo niskim zapotrzebowaniem na energię pierwotną wynoszącym 105 kWh/m²a.

Modernizacja budynku wielorodzinnego z wykorzystaniem komponentów pasywnych – SOLANOWA

Projekt SOLANOWA – „ Wspomagana energią słoneczną, ekologiczna modernizacja dużych budynków mieszkalnych i systemów zaopatrzenia w ciepło” rozpoczął się w styczniu 2003 roku i dotyczył gruntownej modernizacji dużych istniejących budynków. Jest on przykładem praktycznego wdrożenia Europejskiej Dyrektywy w sprawie charakterystyki energetycznej budynków. Duże budynki mieszalne są często modernizowane. Remonty nie zapewniają jednak znaczącej poprawy standardu budynku, dlatego też podkreślono znaczenie trzech aspektów:- projektowania, uwzględniającego potrzeby mieszkańców;- optymalizacji wszystkich elementów budynku;- optymalizacji pozyskiwania i wykorzystania energii słonecznej.W roku 2005 na Węgrzech w miejscowości Dunaújváros, jako pierwszy w Europie, został zmodernizowany siedmiopiętrowy budynek mieszkalny, zbudowany w technologii wielkiej płyty, do standardu budynku pasywnego. Zdjęcia budynku przed i po modernizacji przedstawiono na rysunkach 5 i 6. Modernizacja obejmowała ocieplenie budynku, wymianę okien i drzwi, zainstalowanie kolektorów słonecznych na daszku zacieniającym nad parterem, zastosowanie wentylacji z odzyskiem ciepła w każdym mieszkaniu i na klatkach schodowych. Rzeczywisty współczynnik przenikania ciepła ścian zewnętrznych wynosił przed modernizacją od 1,3-2,6 W/(m²·K). Natomiast okien przy uwzględnieniu mostków termicznych wokół ramy 3,2 W/(m²·K) a po modernizacji 1,1 W/(m²·K). Dodatkowo, ponieważ budynek nie posiada balkonów, wykonano na dachu pokrycie umożliwiające mieszkańcom korzystanie z niego.

Przed modernizacją w budynku zainstalowany był jednorurowy system ogrzewania bez sterowania oraz bez regulacji miejscowej. Został on zamienionyna dwururowy system ogrzewania, w którym zainstalowano termostaty. Zmieniono paramenty instalacji z 90/70ºC na 60/45ºC oraz zaizolowano przewody rozprowadzające ciepłą wodę użytkową i wodę grzejną.

System wentylacji składał się z kanałów wywiewnych w kuchni, łazienki oraz WC. Ruch powietrza wymuszany był przez zainstalowane na dachu wentylatory o niskiej sprawności. Dodatkowo, na skutek nieszczelności ścian zewnętrznych w budynku występowała niepożądana, infiltracyjna wymiana powietrza. Ponadto w sezonie ogrzewczym, to zjawisko powodowało dużo niższą wilgotność względną powietrza < 20% od zalecanej ze względów zdrowotnych (45÷55%). Rozpatrywano różne koncepcje modernizacji systemu wentylacji m.in.:– zainstalowanie dwóch dużych central wentylacyjnych na dachu budynku współpracujących z instalacją wodną centralnego ogrzewania;– zainstalowanie małych jednostek wentylacyjnych dla każdego lokalu mieszkalnego z wbudowanym wymiennikiem do odzysku ciepła współpracujących z instalacją wodną centralnego ogrzewania;– zainstalowanie małych jednostek wentylacyjnych dla każdego lokalu mieszkalnego z wbudowanym wymiennikiem do odzysku ciepła recyrkulacją powietrza i ogrzewaniem powietrznym.

Ostatecznie zdecydowano się na realizację drugiego wariantu. 20% energii na cele ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej pozyskiwana jest w ciągu roku za pośrednictwem kolektorów słonecznych. Wynika to głównie ze znacznego zmniejszenia zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania. Przed renowacją zapotrzebowanie na moc grzewczą budynku wynosiło 373 kW (odpowiednio 136 W/m²). Zużycie energii sięgało 220 kWh/(m²·rok), natomiast po modernizacji zmierzone zużycie energii na ogrzewanie wyniosło w sezonie grzewczym 2005/2006 – 40 kWh/m²·rok (zmniejszenie zapotrzebowania o ponad 80%) a sezonie grzewczym 2006/2007 – 20 kWh/m²·rok (zmniejszenie zapotrzebowania o ponad 90%). Wyznaczona na podstawie dokładnych pomiarów (jeden lub więcej czujników w każdym pomieszczeniu) średnia temperatura wewnątrz ogrzewanych pomieszczeń w ciągu trzech miesięcy (styczeń – marzec 2006) wyniosła 24,9ºC.

Literatura:1. Feist W., Kah O.: Klimaneutrale Passivhaus-Reihenhaussiedlung Hannover-Kronsberg, CEPHEUS-Projektinformation Nr. 18, Passivhaus Institut, Darmstadt 2001.2. Feist W.: Passive Houses in Central Europe, Thesis, University of Kassel, 1993.3. Firląg Sz.: Pierwszy certyfikowany dom pasywny w Polsce, Energia i Budynek nr 5/2007.4. Juchniewicz-Lipińska L., Firląg Sz.:, Certified Passive Building in Poland, materiały konferencyjne 11. Internationale Passivhaustagung Bregenz 2007.5. Krapmeier H. Droessler E.: CEPHEUS – Wohnkomfort ohne Heizung, Springer Wein New York 2001.6. Panek A., Rucińska J.: Dostosowanie istniejącego budynku wielorodzinnego do standardów budynku pasywnego – przykład inwestycji Dunaújváros (Węgry), Materiały Budowlane nr 1/2008.

Autor: Szymon FIRLĄGMgr inż. Szymon FIRLĄG - Instytut Budynków Pasywnych przy Narodowej Agencji Poszanowania Energi S.A. (NAPE); www.ibp.com.pl