TermoDom.pl

Newsletter

Najnowszy katalog

Po informacjach, które na kilka miesięcy zmroziły rynek nieruchomości, nadchodzi... więcej

Podstawowe cechy...

Porównanie podstawowych cech energooszczędnych materiałów izolacyjnych - wełny mineralnej,... więcej

Jak uzyskać kredyt...

Warto pamiętać, że Ustawa o Wspieraniu Przedsięwzięć Termomodernizacyjnych (Dz. U. Nr... więcej

EPBD Energooszczędność Uwarunkowania budownictwa energooszczędnego

Uwarunkowania budownictwa energooszczędnego

Standardy energooszczędności budynków znacznie zmieniały się w ostatnich dekadach i prawdopodobnie będą dalej ewoluowały. W projektowaniu budynków energooszczędnych istotną rolę odgrywają lokalne warunki klimatyczne. Rośnie przy tym znaczenie projektanta, którego zadaniem jest wskazanie optymalnych rozwiązań architektonicznych, konstrukcyjnych, materiałowych i instalacyjnych do zastosowania w konkretnym budynku. Ich indywidualny charakter wynika ze specyfiki lokalnych warunków klimatycznych i dostępu do źródeł energii odnawialnej.

We współczesnych budynkach energooszczędnych na ogół stosuje się rozwiązania techniczne:
- umożliwiające w sposób pasywny lub aktywny pozyskanie energii ze środowiska,
- uzyskanie wysokiej jakości energetycznej przegród budynku oraz poprawy sprawności instalacji w celu znacznego ograniczenia strat energii.

Rośnie przy tym znaczenie projektanta, którego zadaniem jest wskazanie optymalnych rozwiązań architektonicznych, konstrukcyjnych, materiałowych i instalacyjnych do zastosowania w konkretnym budynku. Ich indywidualny charakter wynika ze specyfiki lokalnych warunków klimatycznych i dostępu do źródeł energii odnawialnej.

Koszty energooszczędnych rozwiązań technicznych i wyrobów budowlanych stosowanych w obudowie nie są relatywnie wysokie i są w związku z tym dostępne dla większości inwestorów budowlanych. Większych nakładów mogą wymagać najnowsze rozwiązania instalacyjne wykorzystujące energię ze źródeł odnawialnych, stąd w krajach aktywnie promujących ich stosowanie i rozwój działają systemy wspierania finansowego tego typu inwestycji – w Polsce niestety wciąż niewystarczające w porównaniu do potrzeb.

Standardy energooszczędności budynków znacznie zmieniały się w ostatnich dekadach i prawdopodobnie będą dalej ewoluowały. Zapotrzebowanie budynku na energię obejmuje:
- ciepło do ogrzewania pomieszczeń i podgrzania wody,
- energię elektryczną niezbędną do zapewnienia wentylacji, oświetlenia pomieszczeń oraz zużywaną przez instalację ogrzewania i ewentualnego chłodzenia.

Wyróżnić można następujące kategorie budynków „energooszczędnych”:
1) charakteryzujące się bardzo niskim zapotrzebowaniem na ciepło do ogrzewania, zużywającym energię elektryczną uzyskaną ze źródeł nieodnawialnych,
2) pokrywające ze źródeł odnawialnych zapotrzebowanie budynku,
3) produkujące energię ponad zapotrzebowanie budynku.
Budynki określane mianem pasywnych można zaliczyć do pierwszej z ww kategorii. Kolejne wymagają określonej „aktywności energetycznej”.

Ponieważ największym składnikiem charakterystyki energetycznej większości budynków w Polsce i w krajach o zbliżonych warunkach klimatycznych jest energia zużywana do ogrzewania pomieszczeń podstawowym parametrem energooszczędności jest wskaźnik sezonowego zapotrzebowania na ciepło. W budynkach energooszczędnych udziały poszczególnych składników są bardziej wyrównane, w związku z czym bardziej miarodajnym jest wskaźnik całkowitego zapotrzebowanie na energię dostarczaną do budynku na ogrzewanie, ewentualne chłodzenie, wentylację i oświetlenie pomieszczeń.

Budynki z tradycyjnymi rozwiązaniami technicznymi obudowy i instalacji, w przeciętnych polskich warunkach klimatycznych, mogą osiągać sezonowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania około 40-50 kWh/(m2*rok). Budynki pasywne, wg kryterium Passivhaus Institut Darmstadt, nie mogą przekraczać granicznego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania równego 15 kWh/(m2*rok), przy całkowitym zapotrzebowaniu na energię około 120 kWh/(m2*rok).

W projektowaniu budynków energooszczędnych istotną rolę odgrywają lokalne warunki klimatyczne, a zwłaszcza:
- surowość sezonów ogrzewania i chłodzenia, wpływ środowiska na budynek,
- dostępne zasoby energii (nasłonecznienie, wietrzność).


Uwarunkowania klimatyczne

Bez względu na to, czy w rzeczywistości następuje ocieplenie, czy oziębienie klimatu oraz czy jest to wywołane przyczynami naturalnymi, czy działalnością ludzi, wg przeważających opinii należy liczyć się ze zmianami warunków środowiskowych w czasie i częstszym występowaniem zjawisk ekstremalnych. W praktyce oznacza to rosnące potrzeby energetyczne w czasie eksploatacji budynków. Z uwagi na zagadnienia ich energochłonności istotne są następujące parametry klimatu:

1) Temperatura powietrza, w zakresie:
- wartości średnich i amplitud dobowych,
- średnich wartości miesięcznych,
- sumy „stopniodni” okresu ogrzewania i chłodzenia, określających intensywność zimy i lata (dni w miesiącach pomnożone przez różnicę projektowej temperatury powietrza, w zależności od przeznaczenia pomieszczenia w budynku, z uśrednioną wartością temperatury powietrza zewnętrznego),
- temperatur obliczeniowych, czyli umownych wartości używanych w obliczeniach szczytowego zapotrzebowania na ciepło;

2) Nasłonecznienie, w zakresie:
- rozkładów dobowych,
- sum miesięcznych promieniowania słonecznego bezpośredniego i rozproszonego,
- liczby godzin słonecznych,
- zachmurzenia;

3) Temperatura gruntu - wartość średnia i amplituda roczna;

4) Wiatr - rozkłady kierunku i prędkości;

5) Wilgotność powietrza oraz charakterystyka opadów atmosferycznych.


Wg informacji podanych w [1] [2] klimat Polski ma charakter przejściowy między morskim i kontynentalnym i jest kształtowany przez napływy powietrza polarnego, morskiego, kontynentalnego oraz arktycznego i zwrotnikowego o określonej temperaturze i wilgotności. Pogoda w Polsce charakteryzuje się w związku z tym znaczną zmiennością, zarówno jeśli porównuje się kolejne lata jak i kolejne dni. W ciągu roku można wyróżnić nawet do sześciu pór (dodatkowe to przedwiośnie i przedzimie).

O krótkookresowych warunkach temperaturowych decyduje kierunek napływu powietrza. Przeciętne warunki różnią się w zależności od położenia geograficznego i wysokości nad poziomem morza, przy czym generalnie przeciętne temperatury w kraju obniżają się z zachodu na wschód. Występują znaczne wahania dobowe w okresie letnim, na ogół nieznaczne w okresie zimowym.
Wg danych za ostatnie 40 lat XX wieku warunki okresu zimowego można scharakteryzować w następujący sposób:
- liczba dni ze średnią dobową poniżej 0ºC wynosi przeciętnie od 55 na północnym-zachodzie do 120 na północnym-wschodzie,
- na przeważającym obszarze kraju liczba dni z temperaturą minimalną poniżej 0ºC wynosi średnio 105 dni, najwięcej na północnym-wschodzie ponad 130, najmniej na wybrzeżu 85;
- dni z temperaturą maksymalną poniżej 0ºC, występuje przeciętnie około 35, najwięcej na północnym-wschodzie ponad 50, najmniej na wybrzeżu do 30;
- dni z temperaturą maksymalną poniżej –10ºC mamy przeciętnie na północnym-wschodzie około 5 w roku;
- średnia temperatura powietrza w najzimniejszym miesiącu styczniu wynosi od –4,5ºC na północnym-wschodzie do –0,5ºC w zachodniej części wybrzeża;
- orientacyjnie można przyjmować przeciętną dla kraju wartość „stopniodni” okresu zimowego równą około 4000.

Lato, czyli okres występowania dni z temperaturą średnią dobową powyżej 15ºC, trwa w centralnej części kraju około 90 dni, a na wybrzeżu do 70 dni.
W lipcu przeciętna temperatura maleje z południa na północ od 18ºC do 16ºC. Dni z temperaturą maksymalną powyżej 25ºC występuje przeciętnie od 20 na wybrzeżu do około 40 na południu (nie uwzględniając terenów przedgórza i gór). Dni z temperaturą powietrza powyżej 30ºC występuje przeciętnie 8 - na dolnym Śląsku.

Na podstawie zestawień wieloletnich obserwacji stwierdza się, że ocieplają się w Polsce miesiące od stycznia do marca, natomiast chłodnieje jesień.

Temperatury obliczeniowe, stosowane w projektowych obliczeniach cieplnych, uwzględniają częstość i czas trwania określonych wartości. Sposób ich przyjęcia ma charakter umowny. Aktualnie stosowany w Polsce został określony w latach pięćdziesiątych XX wieku, wg metody zaproponowanej przez Rosjanina Fokina. Wartości obliczeniowe zostały określone w odniesieniu do masywnego i bardzo grubego muru ceglanego, który reaguje na wahania o długim kilkudniowym okresie. Założono, że wartość obliczeniowa równa się średniej z trzech najchłodniejszych okresów 5-cio dobowych z 25 lat. Na podstawie tak określonych wartości przyjęto podział terytorium Polski na strefy klimatyczne od I-V, z różnicą co 2ºC. Współcześnie uważa się je za zbyt niskie, co prowadzi do nieekonomicznego przewymiarowania instalacji ogrzewania.

Przeciętną wilgotność względną można przyjmować równą 80 %.
Inne parametry klimatu określają potencjał źródeł energii odnawialnej (do ewentualnego pozyskania z nasłonecznienia, wiatru i gruntu).

Dostępne w Polsce zasoby energii słonecznej przedstawiają się następująco:
- przeciętne promieniowanie na płaszczyznę poziomą wynosi około 1050 kWh/m2,
- liczba godzin słonecznych, czyli czas trwania bezpośredniego promieniowania słonecznego, wynosi około 1600,
- na okres od kwietnia do września przypada 80 % całkowitego rocznego promieniowania,
- w większych miastach, obszarach uprzemysłowionych należy liczyć się z występowaniem zmniejszonej przezroczystości (zmętnienie) atmosfery,
- wielkość zachmurzenia wynosi przeciętnie do 70 %,
- jako najkorzystniejsze obszary pod względem nasłonecznienia wyróżniają się wybrzeże i wschodnia część Lubelszczyzny.


Wiatry w Polsce najczęściej mają kierunek zachodni i przeciętną prędkość do 4 m/s. Ocenia się, że na północnym wybrzeżu dostępna największa przeciętna energia o wartości do ponad 2500 MJ/m2rok. Średnia roczna temperatura gruntu jest wyższa od średniej rocznej temperatury powietrza o około 1,5 º K, czyli wynosi blisko 8ºC.


Aspekty techniczne instalacji bazujących na energii odnawialnej

Sercem każdej instalacji ogrzewania jest źródło ciepła. O jego wyborze na ogół przesądza dostęp na danym terenie do konkretnego paliwa lub źródła energii.

W odniesieniu do energii odnawialnej istotne znaczenia mają:
- odpowiednie nasłonecznienie (kolektory słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne),
- właściwości i warunki temperaturowe gruntu, wód gruntowych, temperatury powietrza (w przypadku pomp ciepła)
- częstości występowania wiatrów o określonej prędkości (w przypadku siłowni wiatrowych).

Dla inwestora ważne są również stopień zautomatyzowania, potrzeba i częstość regulacji, serwisowania, uzupełniania paliwa, usuwania popiołu w przypadku paliw stałych (biopaliwa).


1) Biopaliwa

Najniższą sprawnością, równą około 75 %, charakteryzują się najprostsze kotły bez mechanicznego nadmuchu powietrza, w których cała podana porcja paliwa jest zapalana natychmiastowo („spalanie górne”). Nie nadają się one do innych paliw niż koks i węgiel, z wyjątkiem drewna i są praktycznie „nieregulowalne”. Sprawność kotłów bez mechanicznego nadmuchu powietrza, ale z sukcesywnym rozpalaniem podanego paliwa („dolne spalanie”) dochodzi do 80 % i możliwa jest częściowa regulacja ich działania. W kotłach z mechanicznym nadmuchem powietrza uzyskuje się sprawności powyżej 80%. W najnowocześniejszych kotłach sprawność może nieznacznie przekraczać 90 %. W przypadku drewna dostępne są kotły „zgazowujące”, w których, przy dopływie podgrzanego powietrza, drewno opałowe jest suszone, następuje częściowe zgazowanie zawartej w drewnie celulozy oraz dopala się resztki paliwa spadającego z rusztu. Bardzo praktyczne są kotły z mechanicznym lub pneumatycznym podawaniem paliwa niewielkich rozmiarów np. peletów (sprasowanych pod wysokim ciśnieniem suchych ścinek drewna, trocin) lub ziaren zbóż, dla których można zastosować zasobnik całosezonowy, a usuwanie popiołu jest konieczne tylko kilka razy w sezonie.

Kocioł na paliwa stałe musi być usytuowany i właściwie posadowiony w oddzielnym pomieszczeniu (kotłowni), o wymiarach zgodnych z przepisami budowlanymi i zaleceniami producenta kotła. Kotłownia musi być wentylowana dzięki:
- doprowadzeniu powietrza zewnętrznego do spalania i wentylacji pomieszczenia przez otwór w przegrodzie zewnętrznej o przekroju min. 200 cm2, usytuowany poniżej poziomu 1 m nad podłogą,
- odprowadzeniu powietrza przez otwór wywiewny pod sufitem prowadzący do kanału wywiewnego o przekroju min. 140 x 140 mm, odpowiednio wyprowadzony ponad dach. Kocioł na paliwo stałe wymaga zastosowania komina dymowego i może pracować tylko w instalacji typu otwartego.


2) Pompy ciepła

Zasada działania jest następująca - w sprężarkowej pompie ciepła, zawierającej parownik, skraplacz, sprężarkę i zawór rozprężający, następuje sprężanie czynnika roboczego i jego przenoszenie między wymiennikami ciepła: parownikiem, gdzie pobierana jest energia i skraplaczem, gdzie jest ona oddawana. Zgodnie z zasadami termodynamiki, aby przenieść ciepło ze źródła o niższej temperaturze (tzw. dolne źródło, np. grunt, woda gruntowa, powietrze) do ośrodka o wyższej temperaturze (tzw. górne źródło, czyli woda w instalacji ogrzewania pomieszczeń lub woda użytkowa) konieczne jest dostarczenie pracy - pompa ciepła pobiera energię elektryczną.
Miarą wydajności pompy ciepła jest stosunek uzyskanej energii do pobranej. Zależy ona od różnicy między temperaturą źródła i temperaturą wody dostarczanej do instalacji ogrzewania i maleje wraz z jej zwiększaniem się, ponieważ pompa musi przenosić ciepło na większą „odległość” w sensie termodynamicznym.

Stosowane w budownictwie sprężarkowe pompy ciepła mogą czerpać energię z gruntu, wody i powietrza. Gruntowe pompy ciepła wykorzystują środek niezamarzający, który krąży w znajdujących się w gruncie rurach:
- ułożonych poziomo, poniżej poziomu przemarzania gruntu (około 1,5 m) na dosyć dużej powierzchni (kilkadziesiąt metrów kwadratowych na każdy kilowat mocy grzewczej pompy), przez co mogą być stosowane tylko na dużych posesjach;
- ułożonych pionowo w kilkudziesięciometrowych odwiertach.

Stosowanie pomp ciepła pobierających ciepło z wód obwarowane jest wieloma przepisami i pozwoleniami środowiskowymi, ponadto woda musi charakteryzować się właściwym składem chemicznym, co nawet jeśli jest spełnione, może z upływem lat się zmienić, stąd uruchomienie tego typu pompy nie jest tak proste jak gruntowych, czy powietrznych.

Powietrzne pompy ciepła pobierają ciepło z powietrza zewnętrznego i działają nawet do kilkunastu stopni poniżej zera. Wykorzystuje się je także do rekuperacji ciepła z zużytego powietrza wentylacyjnego i jego wykorzystania do przygotowywania ciepłej wody użytkowej.

W niesprzyjających warunkach instalacja z pompą ciepła musi posiłkować się działaniem konwencjonalnego elektrycznego elementu grzejnego lub działaniem dodatkowego źródła ciepła np. kotła (tzw. układ biwalentny). W przypadku pomp gruntowych może występować obniżające efektywność zjawisko nie pełnej regeneracji termicznej gruntu.


3) Kolektory słoneczne i ogniwa fotowoltaiczne

Rodzaje i zasada działania są następujące. W płaskich – najprostszych, przepływająca w rurkach ciecz pobiera ciepło od płyty, osłoniętej od zewnątrz oszkleniem, nagrzewającej się pod wpływem promieniowania słonecznego (absorber). W rurowych – składających się ze szklanych rur, w których ciecz robocza ogrzewa się od absorbera, wykorzystuje się elementy próżniowe typu „rura w rurze” lub rurki z materiałem porowatym nasączonym cieczą, parującą pod wpływem ciepła pozyskiwanego przez absorber.

Podstawowym kryterium celowości ich zastosowania jest możliwość zapewnienia nasłonecznienia kolektorom (w przypadku płaskich nie mniej niż sześć godzin dziennie). W Polsce najbardziej nasłoneczniony teren obejmuje południową część województwo lubelskiego. Wymagana powierzchnia kolektorów używanych do wspomagania podgrzewania wody dla czteroosobowej rodziny wynosi ponad 4 m2, do wspomagania ogrzewania domu o powierzchni 150 m2 ponad 50 m2. Konieczne jest zapewnienie odpowiedniego ustawienia kolektora, zorientowanego w kierunku na południe, zimą pod kątem około 60 stopni, latem pod kątem około 30 stopni, lub na stałe w ciągu całego roku, pod kątem 40 stopni (ewentualnie przy pomocy siłownika automatycznie dostosowującego w czasie użytkowania kąt nachylenia kolektora).

Kolektory stosowane są zawsze jako uzupełniające w systemie przygotowania ciepłej wody użytkowej lub ogrzewania. Na czas niewystarczającego nasłonecznienia, konieczne jest zastosowanie innego źródła ciepła (kocioł, pompa ciepła, ogrzewanie elektryczne). W instalacji wymagana jest odpowiednia automatyka sterująca pracą układu kolektor i dodatkowe źródło. Ogniwa fotowoltaiczne umożliwiają wykorzystanie energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej. Są obecnie najdynamiczniej rozwijającym się segmentem produktów umożliwiającej produkcję energii odnawialnej.


4) Rekuperatory i gruntowe wymienniki ciepła

Służą do podgrzania powietrza wentylacyjnego. W budynkach ze szczelną obudową i kontrolowaną, za pomocą wentylacji mechanicznej wymianą powietrza sensowne jest zastosowanie rekuperacji, czyli częściowego odzysku ciepła z usuwanego, zużytego powietrza wentylacyjnego i/lub gruntowego wymiennika umożliwiającego wstępne podgrzanie doprowadzanego powietrza zewnętrznego.

W rozwiązaniach bazujących na wentylacji hybrydowej do odzyskiwania ciepła ze zużytego powietrza wentylacyjnego, używa się także pomp ciepła. Urządzenia tego typu mogą być również zintegrowanie z kolektorami słonecznymi.


Dr inż. Robert Geryło 


Zobacz także:
Trendy w budownictwie energooszczędnym 
Ewolucja wymagań energooszczędności budynków 

Pompy ciepła

Pompy ciepła są jednym z najbardziej ekologicznych urządzeń do produkcji ciepła. Ich... więcej

Ogrzewanie przy pomocy...

Zastanawiając się na wyborem systemu ogrzewania warto zwrócić uwagę na pompy ciepła. Ich... więcej

ECOBAY – ekologiczne...

Nie trzeba szukać ekologicznych projektów całych miast w tak odległych krajach, jak... więcej

Skomentuj





Komentarze   —   pokaż wszystkie

Brak komentarzy