Wzrasta świadomość Polaków dotycząca wyboru domu czy mieszkania. Coraz częściej nie tylko cena decyduje o wyborze ale również energooszczędne rozwiązania, które obniżają koszty użytkowania budynku. Wiele pracowni architektonicznych ma w swojej ofercie tego typu domy, a znani producenci materiałów budowlanych promują je w budownictwie.

Energia drożeje bez względu na zarobki nabywców. Koszty energii w ostatnich 10 latach wzrosły średnio o 6-8% rocznie. W 2000 roku cena gazu dla gospodarstwa domowego wynosiła 0,90 [zł/1m 3], a w już 2,41 [zł/1m3]. Prawdziwe problemy pojawią się jednak dopiero w najbliższych latach ze względu na uwolnienie cen energii, które ma nastąpić w naszym kraju w 2013 r. Zmiana ta ma wg. specjalistów spowodować wzrost cen o min. 30%. Dodatkowo analiza wykonana na przełomie lat 1957–2007 wykazała wzrost w skali światowej kosztów energii o 4000% przy jednoczesnym średnim wzroście wynagrodzeń jedynie na poziomie 200%.

W Polsce budynki zbudowane przed 1993 r zużywają znacznie więcej energii niż w krajach europejskich wybudowane w tych samych latach i jest to średnio 120–160 kWh/(m2·rok), natomiast w Niemczech zużycie to wynosi 55–100 kWh/(m2·rok). Sposobem ograniczania zużycia energii w budynkach jest zastosowanie odpowiedniej termoizolacji.

Energooszczędny dom to decyzja dla tych, którzy liczą się z pieniędzmi i nie chcą ich marnować przez długie lata

Standardowy dom w Polsce (150 -200m) rocznie zużywa od 120 – 160Kwh/m2, natomiast dom energooszczędny pozwala ograniczyć straty do poziomu 40 – 70Kwh/m2. Koszt budowy domu energooszczędnego, w zależności od wybranych rozwiązań, wynosi na ogół od kilku do ok. 12% kosztów obiektu standardowego. Wpływ na to ma: wykonanie solidnej izolacji ścian (podłóg, fundamentów i dachu), wyposażenie budynku w wentylację z rekuperatorem i gruntowym wymiennikiem ciepła oraz montaż specjalnych okien. Jest to jednak inwestycja, która się opłaca.

Przykład

Literatura:

Istotą budownictwa energooszczędnego jest maksymalizacja zysków energetycznych oraz ograniczenie strat ciepła. Można to osiągnąć poprzez:

  • Zapewnienie niskiego współczynnika przenikania ciepła dla wszystkich przegród zewnętrznych;
  • Szczelność przegród budowlanych i połączeń między przegrodami;
  • Zastosowanie wentylacji z odzyskiem ciepła;
  • Zastosowanie stolarki okiennej o niskim współczynniku przenikania ciepła.

Pozostaje pytanie czy można jeszcze w jakiś sposób zwiększyć zyski cieplne?

Oczywiście, że można. W budynkach mieszkalnych ich źródłem są urządzenia elektryczne, czynności gotowania, prania a także ciepło mieszkańców. Znaczący udział w zyskach ciepła stanowi również promieniowanie słoneczne, które dociera do budynku poprzez przegrody przeszklone. Poprzez właściwe usytuowanie budynku można nie tylko podnieść komfort poszczególnych wnętrz, ale również wspomóc pozyskiwanie darmowego ciepła na zasadzie promieniowania i konwekcji, zmniejszając zużycie energii. Dzięki temu można znacznie obniżyć rachunki za ogrzewanie w okresie zimowym.

Przykład

Analizując dom jednorodzinny, znajdujący się we Wrocławiu, w II strefie klimatycznej o kubaturze 176 m3 , powierzchni o regulowanej temperaturze 62,80 m2, ogrzewanym kotłem na biomasę o sprawności całkowitej wynoszącej = 0,59, zobaczmy jak zmienia się bilans energetyczny budynku w zależności od orientacji względem stron świata. Rzut parteru jest pokazany na rysunku 1.1. Przegrody przeszklone zajmują 12m2. Pozostałe parametry techniczne zostały zestawione w tabeli 1.1.

Projektując dom, wybierając z katalogu, a nawet już go budując warto sprawdzić, czy spełnia założenia budynku energooszczędnego. Dla każdego inwestora nie tylko powinno być ważne za ile wybuduje swój wymarzony dom ale ile później będą wynosić go miesięczne koszty utrzymania. Czy to będzie kwota 300 zł czy może 1300 zł, a doliczając do tego ratę kredytu tworzy się już ładna suma stałych opłat. W związku z tym trzeba zwrócić uwagę, czy uwzględnione są podstawowe kryteria energooszczędności:

  • zwarta bryła budynku;
  • bardzo dobra termoizolacyjność wszystkich przegród zewnętrznych;
  • buforowy układ pomieszczeń;
  • wentylacja mechaniczna z rekuperatorem;
  • bierne wykorzystanie energii słonecznej.

Na etapie projektowania budynku powinniśmy zwrócić uwagę na bryłę i kształt budynku. Nie od dziś wiadomo, że Im bardziej zwarta bryła budynku tym budynek bardziej energooszczędny. Idealnym kształtem (chodź trudnym do zrealizowania) jest kula bądź walec. Najlepsze są proste kształty i rozwiązania w projekcie i realizacji, ponieważ jest mniejsze prawdopodobieństwo pomyłki. Obrys domu powinien być zwarty i kompaktowy postawiony na planie kwadratu lub prostokąta, ponieważ wtedy straty ciepła są najmniejsze. Należy unikać domów o rozbudowanej formie, np. zaprojektowanych na planie krzyża lub litery H lub T. Takie budynki nie mogą być zbyt energooszczędne, ponieważ charakteryzują się ogromną powierzchnią ścian.

Dom energooszczędny

Przykład

Podczas planowania funkcji budynku powinno się brać pod uwagę charakterystykę cieplną pomieszczeń, grupując je w taki sposób, aby funkcje higieniczno sanitarne, które wymagają największej temperatury znajdowały się z dala od przegród zewnętrznychDzięki temu nie dopuścimy do stosunkowo dużych strat ciepła.

Natomiast dla pomieszczeń gospodarczych, klatek schodowych itp. najkorzystniejszą lokalizacją będzie północna część budynku. Pomieszczenia te, nie potrzebują doświetlenia, dzięki temu uniknie się przegród przezroczystych w tej części budynku. Ze względu na najniższą wymaganą temperaturę wśród wszystkich pomieszczeń w budynku, tworzą one swego rodzaju strefę bufora cieplnego. Duże powierzchnie przeszkleń powinny być grupowane na elewacjach południowych, co gwarantuje zyski promieniowania słonecznego. Po tej stronie powinien znajdować się salon, jadalnia oraz gabinet. Na rysunku 1 przedstawiono prawidłowy sposób rozmieszczenia pomieszczeń.

Prawidłowe rozplanowanie pomieszczeń mieszkalnych
Rys 1. Prawidłowe rozplanowanie pomieszczeń mieszkalnych.

W domu energooszczędnym dąży się do tego, żeby budynek był podzielony na strefy o zróżnicowanej temperaturze Przecież nie w każdym pomieszczeniu musi być utrzymywana temperatura 20oC. W pokojach, kuchni, łazience zwykle wymaga się temperatury na poziomie 18-22oC. Z kolei w pomieszczeniach gospodarczych, spiżarniach, pralniach wystarczy tylko 12-15oC. Natomiast w garażu i składziku narzędzi ogrodniczych najwyżej 4-8oC.

W zależności od potrzeb można przecież czasowo je dogrzać np. elektrycznym grzejnikiem z termowentylatorem. Podstawowa zasada jest taka, żeby różnica temperatury pomiędzy sąsiadującymi pomieszczeniami nie przekraczała 8oC.

Literatura:

Efektywnie dobrane okna to zapewnienie optymalnego bilansu energetycznego i ekonomicznego. Rachunek ekonomiczny zależy pośrednio od stron świata, parametrów klimatycznych i współczynników g oraz U i polega na:

  • Rachunek ekonomiczny = koszt montażu nowych okien + koszt eksploatacji
  • Koszt eksploatacji = ilość energii cena energii
  • EFEKTYWNY DOBÓR OKIEN = Rachunek ekonomiczny/Okres kredytowania

Najmniejsza wartość wynikająca z ostatniego wzoru daje nam najlepszy dobór okien.

Ważna jest również klasa energetyczności okien. Klasy energetyczne ustalane są na podstawie średniego rocznego bilansu energetycznego okien. Musimy sobie uświadomić, że okna są miejscem w którym dokonują się dwa różne procesy:

  • ciepło z wnętrza domu ucieka na zewnątrz (proporcjonalnie do współczynnika przenikania ciepła U [W/m2]).
  • energia słoneczna przenika do środka domu proporcjonalnie do wartości współczynnika g.

Podstawowymi parametrami wpływającymi na współczynniki są rodzaj i konstrukcja użytych profili (liczba komór, rodzaj użytego materiału, użycie i rodzaj wzmocnienia), a także parametry zastosowanego pakietu szklanego (użyte panele szyb, wypełnienie, ramka i jej uszczelniacze).

Wynik mierzony jest w kilowatogodzinach zyskiwanych\ traconych na każdym m2 okna w ciągu roku. Okna wykazujące dodatnią wartość bilansu (zysk energetyczny netto) uzyskują klasę A. Pozostałe otrzymują klasy w zależności od poziomu utraty ciepła na m2 wg następującej tabeli:

Wentylacja jest to proces wymiany powietrza z pomieszczenia na powietrze czerpane z zewnątrz przez zaprojektowane do tego celu elementy i urządzenia. W przypadku wentylacji naturalnej elementami i urządzeniami są:

  • nawiewniki,
  • nieszczelności stolarki budowlanej,
  • kanały wentylacyjne.

Mechanizmem wywołującym przepływ powietrza z jednego obszaru do drugiego jest różnica ciśnienia występująca między nimi. Źródłem zróżnicowania ciśnienia zarówno w przestrzeni budynku, jak i między wnętrzem budynku a otoczeniem zewnętrznym w przypadku wentylacji naturalnej są takie czynniki, jak:

  • różnica temperatury powietrza (siła wyporu),
  • wiatr (parcie dynamiczne).

Sprawność wentylacji jest bardzo ważna. Ponieważ jeżeli jest za mała to w okresie letnim możemy odczuwać uciążliwy napływ ciepła. Z kolei jeżeli jest za duża to w okresie zimowym niepotrzebnie ogrzewa się i usuwa (przez komin) mnóstwo ciepłego powietrza i płaci się za niewykorzystaną energię. Straty ciepła przez wentylację w starych budynkach stanowią od 45 do 65% ogólnych strat ciepła.

Nowoczesne rozwiązania wentylacyjne oferują różne technologie oszczędzania energii w budynkach mieszkalnych.

Jednym z nowoczesnych rozwiązań jest rekuperator, który posiada podwójne przewody wentylacyjne, z czego jeden dla powietrza usuwanego z pomieszczenia i drugi dla powietrza nawiewanego. Wymiennik ciepła pozwala odzyskać część ciepła z powietrza usuwanego z pomieszczeń poprzez przekazanie go na styku krzyżowego wymiennika ciepła, jak to jest widoczne na rysunku 1. Zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła może zapobiec nadmiernym stratą energii i odzyskać ok. 60-90% ciepła z powietrza wywiewanego w zależności od sprawności urządzenia, różnicy temperatury, wielkości domu itp. Jest to równoznaczne ze zmniejszeniem kosztów ogrzewania średnio o 25-40%.

Budownictwo w Polsce pochłania około 40% całkowitej energii wyprodukowanej w naszym kraju. Głównie jest to energia do ogrzewania budynków (c.o.) i przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Na rysunku poniżej mamy typowy rozkład strat ciepła w budynku.

Rys. Typowy rozkład strat ciepła w budynku
Rys. Typowy rozkład strat ciepła w budynku

W Polsce jest około 12,5 mln mieszkań, z czego około 88% to mieszkania wybudowane w okresie przed rokiem 1989. Około 4 mln mieszkań jest wybudowanych w technologii wielkopłytowej. W tym czasie przegrody ograniczające ogrzewaną kubaturę budynków projektowane były wg bardzo tolerancyjnych norm cieplnych. Prowadzi to do tego, że na ogrzanie budynku zużywamy kilkakrotnie więcej ciepła niż w krajach o podobnym klimacie.

Główne przyczyny nadmiernych strat ciepła z budynków w Polsce

  • Niedostateczna izolacja cieplna przegród stanowiących termiczną obudowę budynków – dotyczy to przede wszystkim ścian zewnętrznych, stropodachów /dachów, okien i drzwi balkonowych, stropów nad nieogrzewanymi piwnicami.
  • Niska sprawność instalacji grzewczej instalacje c.o. są na ogół źle zaizolowane, rozregulowane i zarośnięte osadami. Nie mają możliwości regulacji temperatury w pomieszczeniach w zależności od warunków pogodowych. Dlatego bardzo trudno jest zapewnić parametry komfortu cieplnego w pomieszczeniach.
  • Brak pomiaru zużywanego ciepła – związane z tym rozliczanie się z dostawcą ciepła na podstawie liczby metrów kwadratowych ogrzewanej powierzchni użytkowej. Ceny jednostkowe opłat za ogrzanie 1m2 były ustalane przy założeniu bardzo wysokiego zużycia ciepła.

Wybór źródła ciepła jest uzależniony od wielu czynników. Pierwszym jest możliwość podłączenia do lokalnej sieci ciepłowniczej czy gazu ziemnego. Drugim czynnikiem jest obsługa systemu. Tanim źródłem ciepła jest kocioł na paliwo stałe. Niestety wymaga on obsługi: magazynowania, przygotowania i dokładania np. węgla czy drewna. Nowoczesne kotły z automatycznym podajnikiem zmniejszają czas zajmowania się nimi. Zasobnik uzupełnia się co kilka dni.

Bezobsługowym źródłem ciepła o niskim koście eksploatacji są np. kocioł gazowy kondensacyjny lub pompa ciepła.

Nowoczesnym urządzeniem wykorzystywanym najczęściej do przygotowania ciepłej wody użytkowej są kolektory słoneczne. Ich opłacalność zależy od tego, jakie źródła ciepła mają wspomagać (kolektory wspomagają system przygotowania ciepłej wody użytkowej w około 70%). Im nośnik energii będzie tańszy, tym kolektory słoneczne będą zwracały się dłużej.

Przykład

Rozpatrzmy budynek wielorodzinny znajdujący się we Wrocławiu (II strefa klimatyczna). W budynku znajduje się 8 mieszkań. Cztery mieszkania na parterze oraz cztery mieszkania na piętrze. Budynek został wybudowany i oddany do użytkowania w 1980 roku. W budynku znajduje się kotłownia gazowa, wspólna dla wszystkich mieszkań, w której sprawność kotła wynosi = 0,56. Wszystkie obliczenia zostały wykonane w programie Arcadia Termo Pro 3.2.

Podstawowe dane techniczne budynku

Powierzchnia zabudowy

391,50

Wariant I

Wariant II

Wariant III

Literatura:

Aktywny system słoneczny to instalacja, w której przemiana energii promieniowania słonecznego w energię użytkową zachodzi w odpowiednich elementach składowych, w sposób wymuszony działaniem urządzeń mechanicznych napędzanych dodatkową energią z zewnątrz. Zadaniem aktywnego systemu grzewczego jest pochłanianie i magazynowanie energii promieniowania słonecznego, a następnie w sposób kontrolowany rozprowadzenie jej do odbiorcy.

Do aktywnych systemów słonecznych należą:

  • termiczne kolektory słoneczne (następuje w nich konwersja fototermiczna) są to systemy przetwarzające energię słoneczną w ciepło,
  • ogniwa fotowoltaiczne (następuje w nich konwersja fotowoltaiczna) są to systemy przetwarzające bezpośrednio energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną.

Kolektory słoneczne

Kolektory słoneczne najczęściej wykorzystywane są do podgrzewania centralnej wody użytkowej (CWU). W większości przypadków instalowane są one na powierzchniach dachów obiektów zaopatrywanych w ciepło. Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową jest równomierne w ciągu całego roku, co sprzyja efektywnemu wykorzystaniu kolektorów słonecznych. Największa efektywność kolektorów przypada od kwietnia do września.

Efektywność kolektorów słonecznych
Rys.1.5. Efektywność kolektorów słonecznych

Słoneczna instalacja CWU może w prosty sposób zostać podłączona do istniejącej konwencjonalnych systemów wodnych i grzewczych. Już na etapie projektowania obiektów mieszkaniowych w wielu państwach uwzględnia się wyposażenie ich w instalacje słoneczne CWU. Słoneczne instalacje na stałe wpisały się w krajobraz państw basenu morza Śródziemnego – Grecja, Turcja, Izrael, Cypr, Włochy, Francja czy Hiszpania.

Budowa kolektora słonecznego

Literatura:

Ogniwa fotowoltaiczne

Ogniwa fotowoltaiczne (ogniwa PV ) są to urządzenia, w których następuje bezpośrednia konwersja energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

Efekt, w którym energia promieniowania elektromagnetycznego konwertowana jest bezpośrednio w energię elektryczną prądu stałego nazywa się efektem fotowoltaicznym. Konwersja odbywa się bezgłośnie, bez dodatkowych urządzeń mechanicznych oraz bez zanieczyszczenia atmosfery. Otrzymany w ten sposób prąd stały za pośrednictwem konwertorów może być przekształcony w prąd przemienny o żądanym napięciu i częstości. Ogniwa PV są idealnymi przetwornikami energii słonecznej, które w przyszłości mogą zdominować energetykę słoneczną.

Ogniwa fotowoltaiczne można podzieli na krzemowe oraz półprzewodnikowe. Najbardziej rozpowszechnione są ogniwa zbudowane z krzemu. Podstawowym parametrem charakteryzującym ogniwo jest jego sprawność czyli stosunek uzyskanej energii elektrycznej do energii promieniowania słonecznego padającego na ogniwo. Ogniwa z krzemu monokrystalicznego mają sprawność około 17%, a z krzemu polikrystalicznego około 14%. Największą sprawność, dochodzącą do 35%, osiągają ogniwa zbudowane z arsenku galu. Są jednak bardzo drogie i stosuje się je przede wszystkim w przemyśle kosmicznym.

Nominalna moc wyjściowa modułu ogniw – Wp (peak Watt), jest to moc uzyskana z danego modułu w warunkach standardowych (tempe. 25, natężenie promieniowania słonecznego 1000 W/). Zgodnie z teorią kwantową promieniowanie słoneczne niesie energię rozłożoną dyskretnie w postaci fotonów. Energia fotonu zależna jest od częstotliwości promieniowania. Największą energię niosą fotony o małej długości fali. Fotony docierające do struktury atomowej materii mogą wybić elektrony z orbit walencyjnych. W fotoogniwach wykorzystywany jest wewnętrzny efekt fotowoltaiczny. Polega on na wybiciu elektronów z orbit, dzięki czemu tworzą one nadmiarowy ładunek nośników prądu elektrycznego, wewnątrz ciała stałego o budowie krystalicznej.

Rozróżnia się trzy podstawowe systemy fotowoltaiczne:

Możliwości montażu systemów fotowoltaicznych

Przykłady zrealizowanych obiektów z instalacją fotowoltaiczną:

Budynek biurowy Doxford Solar Office

Budynek biurowy Doxfor Solar Office

Budynek laboratoryjny ECN 31

Literatura: