Wybrane koncepcje technologiczne stosowane w budownictwie pasywnym

Podstawowa klasyfikacja wykorzystania energii słonecznej zakłada podział na sposoby aktywne i pasywne. Metody aktywne polegają na pozyskaniu energii słonecznej i przetworzeniu jej w specjalnie do tego przygotowanych urządzeniach, które stanowią element instalacji grzewczych, chłodzenia i elektrycznych.

W systemach pasywnych wykorzystuje się bezpośrednio energię słoneczną do ogrzewania budynków i zapewnienia obiegu ciepła w ich wnętrzu.

Przyjęte kryteria budownictwa pasywnego określają budynki pasywne jako takie, których roczne zapotrzebowanie energii pierwotnej nieodnawialnej na ogrzewanie nie przekracza 15 kWh/m², natomiast całkowite zapotrzebowanie na energię pierwotną nieodnawialną na potrzeby związane z utrzymaniem budynku (ogrzewanie, wentylację, chłodzenie, przygotowanie ciepłej wody użytkowej i oświetlenie) powinno wynosić poniżej 50 kWh/m².

Zgodnie z obowiązującymi przepisami, od 2021 r. w przypadku budynków jednorodzinnych maksymalna wartość EP na te wszystkie potrzeby wynosić będzie 75 kWh/m² (obecna wartość maksymalna to 105 kWh/m²).

W założeniu komfort termiczny zapewniany jest przez źródła pasywne (uzysk energii ze słońca, ciepło jawne i utajone od użytkowników, ciepło odpadowe), a także minimalizacje strat ciepła przez przenikanie przez przegrody pełne i przezroczyste. Ponadto dzięki zastosowanym technologiom budynek taki utrzymuje odpowiedni komfort cieplny również w lecie, bez stosowania tradycyjnych urządzeń klimatyzacyjnych.

Ze względu na to, że straty ciepła budynku są wprost proporcjonalne do powierzchni jego przegród zewnętrznych, dąży się do tego, by iloraz powierzchni przegród zewnętrznych do kubatury budynku był jak najmniejszy, co oznacza, że bryła budynku powinna być możliwie jak najbardziej zwarta [1-4].

Komfort cieplny pomieszczeń uzależniony jest od klimatu, architektury, konstrukcji budynku, zastosowanych materiałów. Nie bez znaczenia jest również umiejscowienie elementów konstrukcyjnych względem stron świata, kształtu bryły budynku, umiejscowienie w strukturze budynku i otoczeniu zewnętrznym.

Podstawowa klasyfikacja pasywnych systemów słonecznych dzieli je na [5]:

• systemy zysków bezpośrednich,
• systemy zysków pośrednich, w których wyróżnia się kilka technologii.

System zysków bezpośrednich umożliwia bezpośrednie wykorzystanie energii promieniowania słońca docierającej do pomieszczenia.

Przezroczyste powierzchnie okien umożliwiają promieniowaniu dotarcie do wnętrza budynku i przegród wewnętrznych (ścian, podłogi), przez które jest pochłaniana i magazynowana. Zmagazynowana w ten sposób energia ma wpływ na komfort cieplny.

Ściany i podłoga będące magazynami energii kontaktują się bezpośrednio z powietrzem w pomieszczeniu. Pod nimi znajduje się warstwa materiału izolacyjnego odpowiadająca za ograniczenie strat ciepła na zewnątrz. Uzyskane w ten sposób ciepło jest tym elementem bilansu cieplnego budynku, który obniża moc cieplną źródeł ciepła.

Latem istnieje niejednokrotnie potrzeba obniżania temperatury wewnętrznej. Tu z pomocą przychodzą wszelkiego rodzaju żaluzje czy rolety ograniczające dopływ promieniowania słonecznego do wnętrza pomieszczenia. Ograniczają one jednak widok z okna.

Innym sposobem na uzysk ciepła zimą przy jednoczesnym ograniczaniu promieniowania latem jest stosowanie różnego rodzaju okapów, daszków czy wykuszy. Ich szerokość uzależniona jest od kąta padania promieni słonecznych w danej strefie klimatycznej.

Zimą, gdy słońce swoją pozorną wędrówkę po nieboskłonie zatacza nisko ponad horyzontem, taki daszek nie stanowi ograniczenia dla promieni słonecznych, które mogą swobodnie przenikać do pomieszczenia. Natomiast latem, gdy słońce góruje wysoko nad horyzontem, daszek czy okap blokuje dostęp promieni słonecznych do pomieszczenia, dodatkowo je zacieniając [5].

Zasada działania daszków i okapów została przedstawiona na RYS. 1-2.

Przedstawione rozwiązanie należy do najprostszych i najtańszych, dodatkowo ma największą sprawność chwilową. Jednak zjawiskiem niepożądanym w tym systemie jest wzrost temperatury wewnątrz pomieszczenia idący w parze ze wzrostem temperatury zewnętrznej.

Duże powierzchnie przeszklone zapewniają duży uzysk ciepła z energii promieniowania słonecznego. Jednocześnie nagrzewanie się pomieszczeń latem jest zjawiskiem niepożądanym. Wahania temperatury, często większe niż zazwyczaj tolerowane przez człowieka, to podstawowa wada systemu bezpośrednich zysków energii słonecznej [5]. Przykładowe wykorzystanie okapu w praktyce przedstawia FOT. 1 (patrz: zdjęcie główne).

Systemy zysków pośrednich eliminują zbyt duże wahania temperatury i zapewniają możliwość akumulacji pozyskanego ciepła i wykorzystania go w pożądanym momencie, zgodnie z zapotrzebowaniem. Realizowane jest to poprzez odizolowanie wnętrza budynku od bezpośredniego oddziaływania promieniowania słonecznego – wprowadza się ścianę magazynującą, stanowiącą element pośredni między dwoma ośrodkami, zwaną ścianą Trombe’a (ściana kolektorowo-magazynująca).

Sama ściana magazynująca jest najczęściej koloru czarnego, by zwiększać jej zdolność do pochłaniania energii promieniowania słonecznego, a od zewnątrz ma szklaną osłonę. Pochłonięta energia jest przekazywana do wewnątrz w wyniku przewodnictwa cieplnego [5].

Budowę i zasadę działania pełnej ściany kolektorowo-akumulacyjnej przedstawiono na RYS. 3.

Ściana kolektorowo-magazynująca występuje nie tylko w wersji pełnej, lecz także wentylowanej, zwaną wówczas ścianą Trombe’a-Mitchela. Ściana ma otwory cyrkulacyjne nad podłogą i pod sufitem lub układ wewnętrznych kanałów powietrznych.

Taka budowa wpływa na intensyfikację procesów przekazywania ciepła do pomieszczenia. Przez dolny otwór powietrze jest zasysane, a w miarę zwiększania swojej temperatury przepływa do góry, by następnie trafić do pomieszczenia, ogrzewając je [5, 6].

Schemat takiego rozwiązania przedstawiono na RYS. 4.

Przedstawione systemy zysków pośrednich są efektywnym rozwiązaniem w ciepłym klimacie z łagodnymi zimami i o dobrych warunkach nasłonecznienia.

Podstawowymi wadami takich rozwiązań są:

• długi czas nagrzewania się,
• słaba cyrkulacja nagrzewanego powietrza
• i duże straty ciepła przy niskich temperaturach,

stąd efektywność takiego systemu jest niska w warunkach słabego nasłonecznienia, dużym zachmurzeniu i długich, mroźnych zimach.

Dodatkowe istnieje ryzyko wykraplania się pary wodnej w samej strukturze ściany, gdy natężenie promieniowania słonecznego jest niewielkie przy jednoczesnym braku wentylacji między przezroczystą osłoną a ścianą magazynującą [5]. Na FOT. 2 przedstawiono ścianę Trombe’a.

W systemie zysków pośrednich z przestrzenią buforową, jak sama nazwa wskazuje, wydzielona przestrzeń pełni rolę bufora, czyli przestrzeni pośredniczącej, w tym wypadku pośredniczącej w przepływie ciepła. Stanowi ona ośrodek pośredni pomiędzy otoczeniem a ogrzewaną przestrzenią. Takie rozwiązanie umożliwia zwiększenie uzysku ciepła z energii promieniowania słonecznego, a jednocześnie poprawia ochronę cieplną budynku.

W praktyce zastosowanie systemu pośredniego z przestrzenią buforową sprowadza się do wbudowania w obiekt lub dołączenia dodatkowej oszklonej przestrzeni, pomieszczenia, najczęściej od strony południowej.

Przestrzeń buforowa to głównie pomieszczenia takie jak:

• oszklone werandy,
• oszklone loggie i balkony,
• szklarnie dobudowane do głównego budynku,
• ogrody zimowe.

Oprócz funkcji praktycznej związanej z zapewnieniem komfortu cieplnego w budynku, tego typu pomieszczenia mogą spełniać również funkcje użytkowe, np. jako dodatkowy pokój wypoczynkowy w odpowiednich porach roku lub miejsce hodowli roślin. Ponadto podnoszą walory estetyczne budynku. Rozwiązania te mogą być z powodzeniem stosowane zarówno w budownictwie jednorodzinnym, jak i wielorodzinnym.

Przestrzeń buforowa może być zlokalizowana tylko na wybranym poziomie budynku bądź na całej jego wysokości [5].

System Balcomba - od nazwiska pomysłodawcy - jest systemem z całkowicie oszkloną werandą umieszczoną od strony południowej. Werandę i ogrzewane pomieszczenie oddziela masywna ściana magazynująca. Weranda jest bezpośrednio ogrzewana energią promieniowania słonecznego i jak w każdym systemie bezpośrednim istnieje ryzyko dużych i gwałtownych wahań temperatury w tej przestrzeni. Natomiast pomieszczenie wewnątrz budynku jest ogrzewane w sposób pośredni - ciepło przenika przez ścianę magazynującą [5].

Przepływ ciepła można również regulować za pomocą kanałów cyrkulacyjnych, jak pokazano na RYS. 5.

System Balcomba został zmodyfikowany na kilka sposobów celem maksymalizowania zysków ciepła z energii promieniowania słonecznego, np. ścianę magazynującą zastępuje się osłoną szklaną lub stosuje się podwójną przestrzeń buforową, gdzie w konstrukcji uwzględniona jest zarówno ściana magazynująca energię, jak i przezroczysta szklana osłona.

Istotną zaletą rozwiązań pośrednich z przestrzenią buforową jest to, że można łatwo wkomponować je w już istniejące budynki, np. w ramach termomodernizacji [5].

Na FOT. 3 przedstawiono oszkloną werandę - przykład zastosowania systemu pośredniego z przestrzenią buforową.

Materiały w systemach pasywnych

Amplituda wahań temperatury powietrza w pomieszczeniach zależny od poziomu akumulacyjności cieplnej przegrody.

Na większe wahania temperatury narażone są budynki o lekkiej konstrukcji, gdyż wewnętrzna pojemność cieplna budynku jest ściśle związana z masą budynku. Poza tym istotna jest umiarkowana przewodność cieplna i niska emisyjność. Ponadto pojemność cieplna budynku związana jest z poczuciem komfortu osób przebywających w pobliżu ścian budynku i ograniczeniem ryzyka skraplania się pary wodnej na powierzchni przegród zewnętrznych [7-8].

Cała idea wykorzystywania pojemności cieplnej budynku polega na tym, że budynek stopniowo pochłania energię promieniowania słonecznego w dni słoneczne, a oddaje ją do otoczenia w postaci ciepła w dni pochmurne.

Zapewnienie wysokiej izolacyjności przegród zewnętrznych w połączeniu z dużą bezwładnością termiczną pozwala na traktowanie takiego budynku jako nie tylko dobowego, ale także sezonowego magazynu energii - nagrzewa się on latem i wychładza zimą bardzo powoli.

Efektywność masy termicznej jest ściśle związana z jej grubością. Zbyt mała grubość będzie skutkowała niewchłonięciem nadmiaru ciepła, co może przyczyniać się do przegrzewania pomieszczeń.

W TABELI przedstawiono porównanie wybranych materiałów z ich przewodnością cieplną i pojemością cieplną. Im mniejsza wartość przewodności cieplnej, tym mniejsze są straty ciepła budynku. Natomiast im większa jest wartość pojemności cieplnej materiału, tym większą zdolność akumulacji energii on posiada.

Najczęściej wykorzystywanymi w budownictwie materiałami budowlanymi są beton, cegły, bloczki, różnego rodzaju materiały izolacyjne o możliwie najniższej przewodności cieplnej i najnowsze technologie jeśli chodzi o przeszklenia, jak powłoki niskoemisyjne czy szyby zespolone [5, 8]

Podsumowanie

• Wykorzystywanie pasywnych systemów słonecznych do zapewnienia komfortu cieplnego pozwala zaoszczędzić do 40% ciepła. Nie są to drogie rozwiązania, gdyż ich koszty wynoszą ok. 8% kosztów budowy budynku (w zależności od zastosowanego rozwiązania) i zwracają się w przeciągu 5 lat lub szybciej, w zależności od zastosowanych materiałów, rodzaju okien lub transparentnych izolacji [4].
• W strefie umiarkowanej najlepiej sprawdzają się systemy zysków pośrednich ze strefą buforową, natomiast w strefach o większym nasłonecznieniu i ciepłym klimacie z łagodnymi zimami z powodzeniem można stosować w konstrukcji budynku ścianę Trombe’a [9].
• Proponowane rozwiązania pozwalają na efektywne środowiskowo zwiększenie udziału energii promieniowania słonecznego w pokryciu potrzeb energetycznych budynków. W połączeniu z odpowiednią izolacją cieplną ścian i kształtem bryły budynku przyczyniają się do ograniczenia zapotrzebowania budynku na nośniki energii pierwotnej nieodnawialnej. Zapewniają jedocześnie komfort cieplny na odpowiednim poziomie.
• Nie można jednoznacznie stwierdzić, które rozwiązanie jest najlepsze. Szereg różnych rozwiązań sprawia, że wymienione koncepcje technologiczne możliwe są do stosowania w różnych warunkach klimatu i lokalnego ukształtowania przestrzeni.

Literatura

1. W. Feist, "Podstawy budownictwa pasywnego", Polski Instytut Budownictwa Pasywnego, Gdańsk 2006.
2. S. Firląg, J. Schnieders, "Budynek Pasywny w centralnej Polsce”, Biblioteka Instytutu Budownictwa Pasywnego, strona internetowa: www.ibp.com.pl.
3. M. Idczak, "Ogólna koncepcja budynku pasywnego", Biblioteka Instytutu Budownictwa Pasywnego.
4. M. Płaziak, "Domy energooszczędne i pasywne jako nieunikniona przyszłość budownictwa w Polsce", "Funkcje przemysłu i usług w rozwoju gospodarki opartej na wiedzy", Prace Komisji Geografii Przemysłu Polskiego Towarzystwa Geograficznego, nr 21/2013, s.173-188.
5. E. Chwieduk, "Energetyka słoneczna budynku", Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2011.
6. K. Różycki, "Możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego w budynku w polskich warunkach klimatycznych", "Polska energetyka słoneczna", I-IV/2015, s. 27-34.
7. A. Lis, "Warunki temperaturowe wnętrz w budynkach", "Zagadnienia współczesnego budownictwa energooszczędnego o zoptymalizowanym zużyciu potencjału energetycznego", Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 25 kwietnia 2003, s. 156-163.
8. I. Ickiewicz, "Wpływ pojemności cieplnej na bilans cieplny budynku", "Czasopismo Techniczne. Budownictwo", nr 3/2012, s. 185-192.
9. W.M. Lewandowski, "Proekologiczne odnawialne źródła energii", Wydawnictwo WNT, Warszawa 2012.
10. M. Golański, "Materiały budowlane jako masa termiczna w budynkach", "Przegląd Budowlany", nr 12/2011, s. 88-93.
11. P. Frankowski, "Perspektywy efektywnego wykorzystania energii słonecznej w gospodarstwach domowych", "Modele inżynierii teleinformatyki", nr 6/2011, s. 26-39.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!