Budynki niskoenergetyczne, projektowanie zintegrowane, systemy ogrzewania , wentylacji, klimatyzacji i chłodzenia

Edward SZCZECHOWIAK *

PRZEMIANY STRUKTURALNE SYSTEMÓW HVAC DLA BUDYNKÓW PRZYSZŁOŚCI

W referacie przedstawiono spodziewane zmiany w budownictwie w kierunku budynków zrównoważonych i o prawie zerowym zapotrzebowaniu na energię. Prowadzi to nieuchronnie do zmian obciążeń cieplnych i chłodniczych dla warunków obliczeniowych i w ciągu roku. Te tendencje wymuszają zmianę podejścia do filozofii projektowania i konfigurowania oraz sterowania systemów HVAC (ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji).

1. WSTĘP

Budownictwo w swojej długiej historii przechodziło różne etapy, zależne od wielu czynników, takich jak: klimat lokalny, poziom wiedzy i technologii, style architektoniczne, lokalne zasoby materiałów budowlanych i energii, doktryny polityczne, ustroje społeczne itp.

Rozwój osadnictwa nastąpił w okresie neolitu (ca. 9000 p.n.e) w rejonach izotermy rocznej ca. 20°C. Od okresu neolitu do czasów współczesnych upłynęło ca. 11000 lat i dopiero o poziomie zużycia energii w budownictwie zaczęto mówić w okresie pierwszego poważniejszego kryzysu energetycznego w 1974 roku, kiedy uświadomiono sobie, że zasoby nieodnawialnej energii pierwotnej nie są nieograniczone [15].

Z uwagi na to, że udział budynków w zużyciu energii jest najwyższy w porównaniu z pozostałymi sektorami, tj. przemysłem i transportem, niezbędna jest więc nowa rewolucja, prowadząca do zmniejszenia zużycia energii i zasobów naturalnych, w tym paliw kopalnych, tak aby pozwolić na rozwój przyszłym pokoleniom. Ta rewolucja została już zapoczątkowana pod nazwą rozwój zrównoważony (sustainable development) [17,19,20].

** Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Piotrowo 3a, 60-965 Poznań

Działania inwestycyjne w budownictwie powinny być więc zgodne z wymaganiami równowagi ekologicznej i energetycznej z otoczeniem, co znajduje już wyraz w aktualnym podejściu do projektowania, budowy i eksploatacji budynków. Jest to również priorytet w polityce energetycznej i ekologicznej wielu krajów i gremiów międzynarodowych, w tym Unii Europejskiej [2].

2. ZMIANY ZAPOTRZEBOWANIA ENERGII BUDYNKÓW

Kryzysy energetyczne w drugiej połowie XX wieku, wyczerpywanie się zasobów energii pierwotnej i ogólnoświatowe dążenie do wdrożenia idei zrównoważonego rozwoju doprowadziły do rozwoju technologii prowadzących do budynków o małym zapotrzebowaniu energii. Pierwsze sformułowanie dotyczące pojęcia „budynek niskoenergetyczny” (low energy house, Niedrigenergiehaus) pojawiło się w 1977 roku (Amory Lovins). Pierwsze takie budynki powstały w Korsgaard – Kopenhaga (1977 rok), Shick – Illinois, Elmroth – Stockholm. Adamson (1979 rok) podaje, że dla południowej Szwecji zapotrzebowanie ciepła dla ogrzewania wynosiło wówczas poniżej 70 kWh/(m2a) [5,16].

Dalszy rozwój to opracowanie koncepcji budynków pasywnych (passive house/Passivhaus) – Adamsom (1988) i ich wdrożenie – Feist (1991) [5,6,7,8]. Budynki pasywne definiuje się jako struktury budowlane o zapotrzebowaniu ciepła użytkowego do ogrzewania w ciągu roku nie więcej niż 15 kWh/(m2a).

Oznacza to, że historia budynków efektywnych energetycznie jest bardzo krótka, biorąc pod uwagę historię budownictwa. Jednak z uwagi na wagę problemu dynamika zmian w tym zakresie jest duża i w przyszłości będzie jeszcze większa ze względów politycznych, ekologicznych i społecznych.

Na potrzeby realizacji wymagań przyszłościowych wystarczy analizować następujące poziomy zapotrzebowania na energię budynków: budynki spełniające minimalne wymagania energetyczne (energy buildings

regulation) – czyli aktualne standardy krajowe, budynki niskoenergetyczne (low energy buildings), budynki ultra-niskoenergetyczne (very low energy buildings or close to zero

energy buildings, passive buildings). Wersja przekształcona dyrektywy z 19 maja 2010 (2010/31/EU) wprowadza

budynki o niemal zerowym zużyciu energii (very low and close to zero energy buildings) [2]. To niemal zerowe zużycie odzwierciedla zapotrzebowanie na energię dla ogrzewania i chłodzenia, wentylacji oraz ciepłej wody użytkowej.

W przypadku źródeł energii istotne są wskaźniki jakości wyprodukowanej energii z punktu widzenia eksploatacji zasobów naturalnych i emisji zanieczyszczeń do środowiska. Realizacja budynków o niemal zerowym zużyciu energii wymaga jednoczesnego działania w zakresie poprawy jakości obudowy budynku, systemów

technicznego wyposażenia i w zakresie wdrażania odnawialnych źródeł energii (rys. 1, 2).

a) budynki małe (jednorodzinne) b) budynki wielolokaloweRys. 1. Synergia działań dla budynków – obniżanie zużycia energii do ogrzewania i wprowadzanie

energii odnawialnych – lata 2008-2020: 1 – efektywna redukcja zapotrzebowania energii, 2 – energia odnawialna dla pokrycia części zapotrzebowania

Fig. 1. Synergy of activities for buildings - reducing energy consumption for heating and introduction of renewable energies - the period 2008-2020: 1 - the effective reduction of energy demand, 2 - renewable

energy to cover part of the demand

Rys. 2. Ewolucja zmian obciążeń cieplnych i chłodniczych w budynkach: 1 - aktywne ogrzewanie i wentylacja (nawilżanie), 2 - aktywne chłodzenie i wentylacja (osuszanie), 3 - obciążenie cieplne

niezależne od klimatu, 4 - strefa neutralna (bez ogrzewania / chłodzenia), 5 - chłodzenie pasywne, 6 - straty ciepła przez obudowę i wentylację

Fig. 3. The evolution of changes in heating and cooling loads in buildings: 1 - active heating and ventilation (humidification), 2 - active cooling, and ventilation (drying), 3 - heat load independent of climate, 4 - neutral zone (no heating / cooling) 5 - passive cooling, 6 - heat loss through envelope and

ventilation

Małe lub bardzo małe obciążenia cieplne i chłodnicze oraz efektywne układy HVAC i efektywne źródła energii wykorzystujące lokalne zasoby energii odnawialnej

Rys. 3. Podstawowe elementy projektowania zintegrowanego budynków

Fig. 3. Basic components of an integrated build-ing design

stawiają nowe wyzwania przed projektantami, wykonawcami i użytkownikami budynków.

3. PODEJŚCIE PROJEKTOWE DO BUDYNKÓW NISKOENERGETYCZNYCH

3.1. ZASADY PODEJŚCIA

Budynki niskoenergetyczne, w szczególności o niemal zerowym zapotrzebowaniu energii (pasywne) z założenia mają zużywać bardzo mało energii dla potrzeb ogrzewania, chłodzenia i wentylacji. Poprzez odpowiednie dobranie izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych i szczelności budynku oraz poprzez efektywny system ogrzewczy/chłodzenia i wentylacyjny można uzyskać rozwiązanie charakteryzujące się bardzo niskim zapotrzebowaniem energii [9,10].

Aby to osiągnąć niezbędne jest podejście zintegrowane w czasie projektowanie, budowy i eksploatacji takich budynków (rys. 3).

a) model podstawowy b) model rozszerzony dla budynków klimatyzowanychwg. Vince Ugarów Hilson Moran London

Rys. 4. Strategia podejścia do projektowanie zintegrowanego budynków niskoenergetycznychFig. 4. Strategy for designing an integrated approach to low-energy buildings

Prowadzi to do czterech podstawowych zasad ważnych w projektowaniu współczesnych budynków [13,19]: dążenie do obniżenia energii skumulowanej (wbudowanej) i obniżenia zużywania

zasobów naturalnych, dążenie do obniżenia zużycia energii, zwłaszcza nieodnawialnej energii

pierwotnej w czasie eksploatacji, zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska zewnętrznego, zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska wewnętrznego i ochrona zdrowia

użytkowników pomieszczeń.Te cztery grupy zagadnień powinno być brane pod uwagę przy projektowaniu

każdego budynku, niezależnie od strefy klimatycznej – w projekcie architektoniczno-konstrukcyjnym, w projektach technicznego wyposażenia budynków (TWB), sposobu zaopatrzenia w energię i w projektach strategii eksploatacji (rys. 4).

3.2. ROZWIĄZANIE DLA BUDYNKÓW OGRZEWANYCH

W przypadku budynków nowych należy je odpowiednio zaprojektować, starannie wykonać i następnie eksploatować wg zasad oszczędnej eksploatacji.Podstawowe zasady w czasie projektowania są następujące:1. Obniżenie strat ciepła przez przenikanie:

• zwartość budynku (A/Ve),• odpowiednie usytuowanie okien i przegród przeszklonych wg stron świata,• odpowiednia izolacja termiczna przegród (U), wewnętrzna pojemność cieplna,• wysokoefektywne energetycznie okna,• redukcja mostków cieplnych.

2. Obniżenie strat ciepła wentylacji:• uszczelnienie budynku (n50 poniżej 1),• wentylacja hybrydowa i chłodzenie nocne,• wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła i/lub wymiennikiem gruntowym.

3. Zwiększenie odzysku ciepła od słońca w okresie zimowym: • przeszklenie o wysokim współczynniku przepuszczalności promieniowania g,• zabudowy szklane (atria, ogrody zimowe),• kolektory słoneczne termiczne, • kolektory słoneczne Photovoltaiczne.

4. Maksymalne wykorzystanie wewnętrznych zysków ciepła.5. Technika instalacyjna i źródła ciepła:

• wzrost sprawności źródeł ciepła, • zwiększenie udziału energii odnawialnej,• ogrzewanie niskotemperaturowe;• podgrzewanie ciepłej wody z wysoką sprawnością,• wentylacja energooszczędna,

• strategia zarządzania i sterowania urządzeniami w budynku: – optymalna eksploatacja i kontrola dostępu;– algorytmy sterowania dopasowane do sposobu użytkowania (BMS).

6. Niezbędne strumienie powietrza w budynkach mieszkalnych:• standard wyjściowy przepływu powietrza zewnętrznego - 30 m3/(h os),• jednostkowy przepływ powietrza w budynku:

– budynki jednorodzinne 1,0 m3(h m2),– budynki wielorodzinne 1,5-2,0 m3(h m2),– budynki inne - 1,0-10,0 m3(h m2),

Odpowiednie dopasowanie parametrów projektowych i eksploatacyjnych pozwala na uzyskanie standardu budynku o prawie zerowym zapotrzebowaniu energii.

3.3. ROZWIĄZANIA DLA BUDYNKÓW KLIMATYZOWANYCH

W przypadku budynków klimatyzowanych aktualne są zasady podane w punkcie 3.2. Pewna różnica dotyczy strumienia zewnętrznego powietrza wentylacyjnego, który zależy od gęstości zasiedlenia pomieszczeń. Niezbędne strumienie powietrza w budynkach niemieszkalnych: standard wyjściowy powietrza świeżego - 30 m3/(h os), jednostkowy przepływ powietrza 1,0 – 15,0 m3/(h m2), zależnie od gęstości

zasiedlenia jednostkowa ilość ciepła użytkowego na podgrzanie tej ilości powietrza w sezonie

grzewczym 28 – 320 kWh/(m2a), co wymaga stosowania urządzeń do odzysku ciepła o wysokiej skuteczności i zmiennego przepływu w funkcji obciążenia.

W budynkach administracyjno-biurowych jednostkowy strumień powietrza wentylacyjnego wynosi przeważnie 1,5 – 3,0 m3/(h m2), oprócz sal posiedzeń. Jednostkowe zapotrzebowanie ciepła użytkowego na podgrzewanie tego powietrza są znaczne, co sprawia, że rozwiązanie problemu energooszczędnej wentylacji decyduje o osiągnięciu standardu budynku biurowego o małym zużyciu energii.

Możliwe jest również w przypadku budynków biurowych uzyskanie standardu budynku pasywnego, który charakteryzuje się następującymi parametrami: strumień powietrza wentylacyjnego min. 20-30 m3/(os h), sezonowe zapotrzebowanie ciepła – ogrzewanie i wentylacja ≤ 15 kWh/(m2a), bardzo dobra izolacja termiczna przegród zewnętrznych: ≤0,15 W/(m2K),

przezroczystych ≤0,80 W/(m2K), szczelność obudowy budynku – n50 ≤0,6 h-1, obliczeniowa jednostkowa moc grzewcza – 10 W/m2, przygotowanie struktury budynku dla chłodzenia pasywnego: pojemność cieplna

wewnętrzna budynku, ochrona przed promieniowaniem słonecznym, redukcja wewnętrznych obciążeń chłodniczych.

Rys. 5. Ewolucja zmian w zakresie rozwiązań wentylacji budynków wykorzystujących układ do odzysku ciepła i

powietrzne lub cieczowe wymiennik gruntoweFig. 5. Evolution of changes in ventilation solutions to

buildings using a heat recovery system and air or liquid ground exchanger

4. ZMIANY W ZAKRESIE HVAC I ŹRÓDEŁ ENERGII

4.1. WENTYLACJA BUDYNKU

Ważnym problemem w budynkach jest utrzymanie parametrów komfortu cieplnego i jakości powietrza w pomieszczeniach. Szczególnie jakość powietrza oceniana poprzez stężenie dwutlenku węgla i innych zanieczyszczeń jest istotnym parametrem decyzyjnym w czasie projektowania i eksploatacji (tabl. 1). Tabela 1. Klasyfikacja jakości klimatu wewnętrznego (wg European Standard EN 13779)Table 1. Classification of quality indoor climate (acc. to European Standard EN 13779)

Kategoria jakości powietrza

Opisjakości powietrza

Poziom CO2 ponad poziom w powietrzu zewnętrznym

[ppm]1)

Wskaźnik powietrza zewnętrznego[m3/h osobę]

IDA 1 Wysokie IAQ ≤ 400 > 54IDA 2 Średnie IAQ 400-600 36-54IDA 3 Umiarkowane IAQ 600-1000 22-36IDA 4 Niskie IAQ > 1000 < 22

1) Poziom CO2 w powietrzu zewnętrznym: ODA1 – 350 ppm, ODA2/3 – 400 ppm, ODA4/5 – 450 ppm

Jak wynika z tabl. 1 dotrzymanie odpowiedniego poziomu stężenia CO2 wymaga minimalnych strumieni powietrza zewnętrznego, zależnie od liczby osób korzystających z pomieszczeń. Kluczowym więc elementem dla budynków niskoenergetycznych i pasywnych jest kontrolowany przepływ powietrza w budynku – zależnie od potrzeb użytkowników i obniżenie zużycia ciepła na podgrzewanie tego powietrza. Przepływ ten powinien wynikać ze względów higienicznych, natomiast dodatkowe przepływy związane z niedostateczną szczelnością budynku lub działaniem użytkowników powinny być drastycznie ograniczone, gdyż powodują niekontrolowany wzrost strat i standard budynku pasywnego może wówczas nie być utrzymany. Dla budynków energooszczędnych układy wentylacyjne wykorzystują różne rozwiązania, w których są stosowane elementy oszczędzające energię (rys. 5) [17,18].

4.2. OGRZEWANIE I CHŁODZENIE

Układy ogrzewania wraz ze znacznym zmniejszeniem chwilowych potrzeb cieplnych budynków się również zmieniają w kierunku niskotemperaturowych z odbiornikami konwekcyjnymi lub płaszczyznowymi, natomiast źródła ciepła w dużym stopniu będą opierać się o energie odnawialną i pompy ciepła (rys. 6). Ważne są również układy sterowania oparte o sterowniki samo adaptacyjne z modułami Fuzzy logic. Podobnie w układach chłodzenia budynków wzrasta udział chłodzenia pasywnego i opartego o energię odnawialną. Najczęściej system chłodzenia jest połączony z systemem ogrzewania i oparty o odbiorniki płaszczyznowe lub uaktywnione termicznie elementy konstrukcji budynku (rys. 7) [11,12].

Rys. 6. Przykład rozwiązania ogrzewania i chłodzenia z odnawialnym źródłem energii i kotłem szczytowym: 1 – pale energetyczne, 2 - wymiennik pośredni – chłodzenie, 3 – pompa ciepła (PC), 4 - kocioł szczytowo - rezerwowy (K), 5 – ogrzewanie/chłodzenie płaszczyznowe

Fig.6. An example of solution heating and cooling with a renewable energy source and a peak boiler: 1 – energy poiles, 2 - intermediate heat exchanger - cooling, 3 – heat pump (PC), 4 – boiler (K), 5 – heating / cooling surface

Rys. 7. Przykład rozwiązania wentylacji i ogrzewania/chłodzenia z odnawialnym źródłem energii: 1 – pale energetyczne, 2 – wymiennik pośredni – chłodzenie, 3 - pompa ciepła (PC), 4 – zasobnik ciepła, 5 – ogrzewanie/chłodzenie płaszczyznowe, 6 – gruntowy powietrzny wymiennik ciepła, 7 – chłodnica, 8 – nagrzewnica, 9 – nawilżacz parowy, 10 – rekuperator/regenerator, 11 – czerpnia powietrza, 12 – wyrzutnia powietrza

Fig. 7. An example of solutions of ventilation and heating / cool-ing from renewable energy source

W rozwiązaniach tych układ przepływu powietrza jest rozdzielony i zwymiarowany dla potrzeb dostarczenia powietrza zewnętrznego ze względów higienicznych lub z uwagi na potrzeby osuszania. Takie podejście obniża zapotrzebowanie energii do ogrzewania, wentylacji i chłodzenia oraz znacznie obniża współczynniki nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej w porównaniu z rozwiązaniami tradycyjnymi.

6. PODSUMOWANIE

Podejście zintegrowane do projektowania, wykonania i eksploatacji budynków jest niezbędne do realizacji budynków spełniających wymagania zrównoważonego rozwoju, a po roku 2020 o niemal zerowym zapotrzebowaniu energii do ogrzewania, chłodzenia i wentylacji.

Systemy technicznego wyposażenia w zakresie HVAC w takich budynkach powinny charakteryzować się następującymi cechami: strumienie powietrza wentylacyjnego zmienne w czasie – zależnie od potrzeb, nawilżanie tylko w uzasadnionych przypadkach, osuszanie i chłodzenie rozdzielone, wysoka sprawność użytkowa komponentów i całych systemów, współpraca dynamiczna z budynkiem, regulacja i sterowanie powinny się odbywać wg kryteriów oszczędności energii

i realizacji funkcji celu,

zaopatrzenie w ciepło i chłód oraz energię elektryczną powinny się odbywać wg kryteriów ekologicznych,

koszty powinny być określone w cyklu życia obiektu (systemu).Poprawa standardów energetycznych budynków pozwala w szerszym stopniu

zastosować efektywnie technologie wykorzystujące energie odnawialne i związane z nimi rozwiązania oparte o kolektory słoneczne i pompy ciepła. W ciągu najbliższych dziesięciu lat takie budynki staną się standardem budownictwa w Unii Europejskiej.

LITERATURA

[1] DANIELS K.: Low-Tech, Light-Tech, Hight-Tech – Building in the Information Age. Birkhäuser, Basel 1998.

[2] Directive 2002/91/CE of the European Parliament and of the Council of 16 December 2002 on the energy performance of buildings. [Official Journal EU. L 1 of 4.01.2003 + wersja przekształcona 210/31/EU z dnia 19 maja 2010r.].

[3] EICKER U., HUBER M., SEEBERGER P., VORSCHULZE C., Limits and potentials of office building climatisation with ambient air. Energy and Buildings 38 (2006), pp. 574-581.

[4] EICKER U.: Low Energy Cooling for Sustainable Buildings. Wiley & Sons Inc. 2009.[5] FEIST W.: Passivhäuser in Mitteleuropa. Dissertation, Gesamthochschule Kassel 1993.[6] FEIST W.: Das Niedrigenergiehaus. F.C. Müller Verlag Heidelberg 1998.[7] FEIST W.: Gestaltungsgrundlagen Passivhäuser. Das Beispiel. Verlag Darmstadt 2001.[8] FLORIDES G., KALOGIROU S., Ground heat exchangers – A review of systems, mod-

els and applications. Renewable Energy 32 (2007), pp. 2461-2478. [9] HARVEY DANNY L.D.: A Handbook on Low-Energy Buildings and District-Energy

Heating. Earthscan London 2006.[10] JANSEN R.: Towards Energy Efficient Buildings in Europe. EuroACI London 2004.[11] KALZ D.E., PFAFFEROTT J., HERKEL S., Building signature: A holistic approach to

the evaluation of heating and cooling concepts. Building and Environment 45 (2010) pp. 632-646.

[12] RIJIKEN D.O., WISSE C.J., VAN SCHIJNDEL A.W.M., Reducing peak requirements for cooling by using thermally activated building system. Energy and Buildings 42 (2010), pp. 298-304.

[13] ROUVEL L.: Das Gebäude als Energiesystem. Stadt und Gebäudetechnik 1994, 3, s. 27-32.

[14] SANTAMOURIS M. (ed.), Advances In Passive Cooling. EARTHSCAN London 2007.[15] SZCZECHOWIAK E.: Efektywność energetyczna budynków. Zeszyty Naukowe

Politechniki Gdańskiej. Budownictwo Lądowe Nr 58 (2006), s. 25-44.[16] SZCZECHOWIAK E.: Budynki energooszczędne i pasywne. Czysta Energia. – 2008, 3,

s. 22-26.[17] SZCZECHOWIAK E., GÓRZEŃSKI R.: Wentylacja w budynkach pasywnych.

Cyrkulacje Forum wentylacja 2008.[18] SZCZECHOWIAK E., GÓRZEŃSKI R.: Poprawa charakterystyki energetycznej

budynku poprzez wykorzystanie wentylacji hybrydowej z gruntowym wymiennikiem

ciepła. XII Int. Conf. „Air Conditioning, Air protection & District Heating 2008”, Wrocław – Szklarska Poręba, s. 487-492, 26-29 June, 2008.

[19] SZCZECHOWIAK E.: Zmiany w budownictwie w aspekcie zrównoważonego rozwoju. 54 Konf. Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZiTB, Białystok – Krynica, 21-26 września 2008. Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej 2008.

[20] WALL M.: Energy-efficient terrace houses in Sweden. Simulations and measurements. Energy and Buildings 38 (2006), pp. 627-634.

SUMMARY

STRUCTURAL CHANGES IN THE HVAC SYSTEMS FOR FUTURE BUILDINGS

The paper presents the expected trends in construction, leading to the building of sustainable and close to zero energy demand. This leads inevitably to changes in heating and cooling loads for the condi -tions and within a year of account. These trends necessitate a change in approach to the philosophy of design and configuration, and control systems for HVAC (heating, ventilation and air conditioning).