Energoefektywność nieuchronnie staje się coraz ważniejszym aspektem w projektowaniu budynków. Jeszcze niedawno, aby uzyskać pozwolenie na budowę, wystarczyło zaprojektować przegrody zewnętrzne wg Warunków Technicznych. Zwykle, ze względu na koszty budowy, projektowało się przegrody o minimalnych wymaganych parametrach. Od 3 października 2013 r. należy w projekcie budowlanym przedstawić analizę możliwości wykorzystania wysokoefektywnych systemów alternatywnych zaopatrzenia w energię i ciepło określającą zapotrzebowanie na energię oraz możliwości zmniejszenia jej zużycia, w co najmniej dwóch wariantach. Nowy wymóg prawny oznacza, że budynek należy obliczyć pod kątem energochłonności i zoptymalizować.
Od 1 stycznia 2014 r. wchodzą nowe obostrzenia. Tradycyjnie koncentrują się na zwiększaniu izolacyjności przegród, ale również ograniczają współczynnik EP oraz, w bardzo nieznacznym stopniu, zmniejszają ryzyko przegrzewania budynków w okresie letnim (wymagania dotyczące współczynnika „g” dla szyb).
Droga do budynku zeroenergetycznego
Izolacyjność jest tylko jednym z wielu elementów mających wpływ na energochłonność. Przepisy budowlane dotąd traktowały budynek kawałkowo – osobne wymagania dla przegród, osobne dla instalacji, wentylacji. Dopiero wymóg dotyczący współczynnika Energii Pierwotnej odnosi się do całego budynku. Każdy budynek jest inny i ma inne zapotrzebowanie na różnego rodzaju energie. Budynki biurowe, w porównaniu z innymi, najwięcej energii zużywają na oświetlenie. Budynki mieszkalne zużywają tyle samo energii na ogrzewanie, co na ciepłą wodę użytkową. Budynki laboratoriów chemicznych lub ambulatoria to ogromne straty energii przez mechaniczną wentylację. Każdy budynek ma inną lokalizację, zacienienie, zwartość, orientację. Nie sposób zoptymalizować jego energochłonności określając tylko izolacyjność przegród zewnętrznych. Jedynym wspólnym mianownikiem może być po prostu zapotrzebowanie na nieodnawialną Energię Pierwotną i już za kilka lat to zapotrzebowanie będzie dla wszystkich rodzajów nowych budynków takie samo – niemal zerowe.
Zintegrowane projektowanie kluczem do energoefektywności
Zintegrowane Projektowanie Energetyczne Budynków (ZPEB), czyli projektowanie wszystkich jego elementów jednocześnie, pozwala na osiągnięcie niskiego zapotrzebowania na energię przy bardzo niskim lub nawet zerowym dodatkowym nakładzie kapitałowym.
Holistyczny proces projektowania pod kątem energii powoduje integrację systemów. Okna mogą być elementem systemu oświetleniowego, ale również grzewczego, wentylacyjnego i chłodniczego. Okna są jedynym elementem powłoki zewnętrznej budynku, który może się zmieniać w zależności od warunków zewnętrznych lub wewnętrznych. Zmiana daje możliwość dopasowania budynku do klimatu – umożliwia bioklimatyczne projektowanie budynków. Przykładowo, latem w nocy okna umożliwiają naturalne przewietrzanie i chłodzenie, zimą w ciągu dnia powodują efekt szklarniowy, a zimą w nocy – o ile są zaopatrzone w ciepłochronne zasłony lub ocieplone okiennice – stają się izolatorem równie dobrym, jak ściana zewnętrzna.
Doświadczenie pokazuje, że w projektach budowlanych, w których zastosowano ZPEB, koszt inwestycyjny może być wyższy o 5% lecz koszty eksploatacyjne obniżone zostaną o 40- 90%. Proces ZPEB oparty jest na wielokrotnie potwierdzonej obserwacji, że zmiany i ulepszenia są stosunkowo łatwe do wprowadzenia na początku planowania, a potem w miarę postępu procesu, stają się coraz bardziej kosztowne i kłopotliwe.
Aby optymalizować obiekt budowlany należy symulować jego efektywność i porównywać wiele wariantów materiałowych oraz różne strategie funkcjonowania obiektu.
(...)
Słońce-szkło-energia
Cała energia, jaką posiadamy, pochodzi od słońca. Najprostszym sposobem można ją pozyskać za pomocą efektu szklarniowego – poprzez przegrody szklane budynku. 70% energii zużywanej w Polsce zużywamy na ogrzewanie budynków. Dlatego właśnie budynki energooszczędne i pasywne charakteryzują się powiększonymi przegrodami szklanymi, zorientowanymi na południe i sezonowo chronionymi przed przegrzewaniem.
Świadome Zintegrowane Projektowanie Energetyczne Budynków daje nam pełen obraz o jego energochłonności. Obliczenia pokazują jasno – im budynek jest bardziej helioaktywny tym mniej wymaga energii do ogrzewania.
Rodzaj szkła, a zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia
Im budynek jest większy, tym bardziej odpowiedzialne są decyzje projektowe. Jeśli projektujemy budynek helioaktywny, czyli o dużych przeszkleniach, pojawiają się liczne wątpliwości: obawa o przegrzewanie, koszty, trwałość i sprawność fasady oraz systemów zacieniających.
Opisywana dalej hala sportowa jest obiektem o prostej, zwartej bryle. Na jej przykładzie można porównać efektywność różnych rodzajów szkieł.
Hala ma biomimikryczny – wtapiający się w krajobraz kształt. Dłuższa elewacja jest zorientowana na południe. Ze względu na zapotrzebowanie na równomierne, naturalne oświetlenie, zarówno elewacja południowa, jak i północna są całkowicie przeszklone. Ściany wschodnia i zachodnia, dach oraz podłoga na gruncie są dobrze izolowane. Hala jest rekuperowana zimą i naturalnie wentylowana latem. Powierzchnia użytkowa to 2000 m2.
Zwykła szyba przezierna
Aby mieć punkt odniesienia obliczenia wykonano najpierw dla zwykłych szyb, bez elementów zacieniających (pierwsze cztery wiersze w tabeli). Oczywiście, występuje wysokie zapotrzebowanie na energię użytkową na potrzeby chłodzenia. Najlepiej widać to na wykresie symulującym roczne zapotrzebowanie na ogrzewanie lub chłodzenie. Przerywane linie – zielona i brązowa – to najbardziej helioaktywne przegrody. Zimą są niezastąpione, natomiast latem można je okiełznać tylko stosując zacienianie.
Nie ma jednoznacznej odpowiedzi, czy lepsze są okna dwu-, czy trójszybowe. Porównujemy szyby GUARDIAN praz PRESS-GLASS. W przypadku zapotrzebowania na ogrzewanie szyba GUARDIAN 3-szybowa jest lepsza od GUARDIAN 2-szybowej, ale szyba PRESS-GLASS 3-szybowa jest słabsza od PRESS-GLASS 2-szybowej. Ze względu na letnie przegrzewanie lepsze są przegrody 3-szybowe. Jednak same zasłony przed przegrzewaniem chronią dużo lepiej.
Zasłony
Kolejne wiersze tabeli ilustrują energochłonność przy zastosowaniu elementów zacieniających. Rozważania są teoretyczne, więc porównywane są podstawowe warianty – żaluzje wewnętrzne i zewnętrzne, białe, nastawne, o FC=0,1 lub 0,45. We wszystkich przypadkach ryzyko przegrzewania spada niemal całkowicie. Jeśli stosujemy zasłony, nie powinniśmy obawiać się przegrzewania.
Na wykresie rocznym linia cienka, przerywana, zielona i brązowa oraz gruba, przerywana, zielona i brązowa w sezonie grzewczym pokrywają się, natomiast w sezonie chłodniczym grube, przerywane linie, reprezentujące zapotrzebowanie na energię użytkową, w ogóle nie występują.
Sposobów na zacienie jest bardzo dużo. Poczynając od zwykłych zasłon materiałowych, przez nastawne, aż po biotyczne ściany z bluszczu. Nawet drzewa liściaste rosnące po stronie południowej mogą brać udział w ograniczaniu zużycia energii. Każda sytuacja wymaga indywidualnego rozpatrzenia.
Szkła przeciwsłoneczne – statyczne
Mamy do dyspozycji wachlarz różnych rodzajów szyb przeciwsłonecznych. Z obliczeń wynika, że te, które najskuteczniej chronią przed przegrzewaniem, równie skutecznie „chronią” budynek przed naturalnym, pasywnym ogrzewaniem zimą. Niektóre szyby przeciwsłoneczne powodują trzykrotnie większe zapotrzebowanie na energię do ogrzewania w porównaniu ze zwykłą szybą. Nie jest to wadą produktu, po prostu niektóre szyby nie są przeznaczone dla naszego klimatu, ale są wybierane pomimo tego ze względów estetycznych. W przypadku budynków słabo przeszklonych różnice w kosztach eksploatacyjnych dla różnych szyb mogą być mniej znaczące, a efekt estetyczny lub optyczny może być ważniejszy. Wybór szyby powinien być rozpatrywany przy uwzględnieniu wszystkich aspektów.
Można zauważyć bardzo prostą zależność – im mniejszy współczynnik przenikalności energii słonecznej g tym większe zapotrzebowanie na użytkową energię do ogrzewania. Izolacyjność – współczynnik U – także ma znaczenie, jednak, przykładowo, trzecia w kolejności szyba statyczna o UG=1,1 oraz g=0,41 generuje mniejsze zapotrzebowanie na ogrzewanie niż kolejne trzy, równie izolujące (UG=1,1 oraz UG=1,0) ale mniej helioaktywne szyby (g= 0,29 g=0,28 g=0,34).
Dopiero panel 3-szybowy przeciwsłoneczny może konkurować z dynamicznymi szybami lub innymi fasadami zmiennymi.
W przypadku szyb przeciwsłonecznych występuje pewien konflikt. Fasada transparentna, której przezierność jest mocno ograniczona kłóci się sama ze sobą. Ani nie jest równie izolująca jak ściana, ani równie doświetlająca i ogrzewająca jak zwykła szyba. W praktyce często okazuje się, że w budynkach z tego rodzaju szybami jest zwyczajnie zbyt ciemno.
Szyby dynamiczne
Kolejnym analizowanym wariantem są szyby elektrochromowe i termochromowe, zwane dynamicznymi. Szyby o zmiennym współczynniku g działają tak, jak szyba zaopatrzona w zasłony. Szyba i system zacieniający są ze sobą zintegrowane. Integracja jest najważniejszą cechą w efektywnej energetycznie architekturze, a zmienność to cecha bioklimatycznej architektury, nieustannie dopasowującej się do zmian w przyrodzie.
Elektrochromowa szyba zaciemnia się pod wpływem impulsu elektrycznego. Tego rodzaju szyba wymaga okablowania i sterowania BMS. Efekt energetyczny jest lepszy od szyb statycznych przyciemnionych, ale gorszy od przeziernych zaopatrzonych w żaluzje. Wynika to z tego, że współczynnik g dla szyb elektrochromowych w stanie rozjaśnienia niestety nadal jest stosunkowo niski: g=0,33 lub 0,4.
Elektrochromy zabarwiają się na intensywnie niebiesko, podczas gdy termochromy zaciemniają się na grafitowo. Chłodny błękitny kolor daje wizualne odczucie chłodu i rześkości w gorące dni lata. Taki efekt wizualny bardziej pasuje dla hali sportowej. Możliwość kontroli zacienienia sprawia, że jeśli latem szyba się przyciemni, ale akurat ważniejsze od ochrony przed przegrzewaniem będzie naturalne oświetlenie, będzie można szybę rozjaśnić, przynajmniej na jakiś czas i w jakiejś części. Sterowalność kolorowej fasady może być istotnym elementem wizerunkowym, budującym markę miejsca. Migająca fasada układająca na swojej powierzchni wzory lub napisy może być ciekawym, aktywnym elementem w przestrzeni publicznej, wysyłającym informacje do użytkowników przestrzeni miejskiej.
Dla termochromów nie trzeba wykonywać systemu sterującego budynkiem BMS. Gdy tylko szyba nagrzeje się od słońca, przyciemnia się. Szyba nawet w stanie całkowitego zacienienia pozostaje przezierna.
W przypadku obiektów biurowych nie wiadomo, czy przyciemniona szyba nie ograniczy zbyt mocno naturalnego oświetlenia. To zależy od powierzchni okna w danym pomieszczeniu. Termochromowe szyby w porównaniu z elektrochromowymi mają podobną efektywność energetyczną. Jeśli zastosujemy panel z dodatkową szybą o współczynniku U=0,5, to odpowiednio spadnie zapotrzebowanie na energię grzewczą.
Wadą szyb chromatycznych jest wysoka cena, ale dopiero szczegółowa i całościowa wycena obejmująca koszt wykonania i eksploatacji zasłon oraz systemu BMS może dać jednoznaczną odpowiedź o opłacalności. Rozwój tej technologii daje nadzieję na spadek cen.
Jak widać, projektowanie przegrody transparentnej w budynku zeroenergetycznym jest dość skomplikowane.
Co by było, gdybyśmy jednak zmniejszyli powierzchnię helioaktywną?
Zamiast początkowej powierzchni 690 m2 założono, że hala ma powierzchnię okien równą wg wymagań WT AOMAX=130,35 m2. Zmniejszenie powierzchni okien prawie pięciokrotnie powoduje 2-krotne zwiększenie zapotrzebowania na energię do ogrzewania w przypadku najbardziej energoefektywnych szyb z zasłonami. Małe okna sprawiają, że nie ma żadnego ryzyka przegrzewania. Nie ma również wyraźnej różnicy między efektywnością energetyczną analizowanych rodzajów przegród transparentnych.
Dla najmniej hlioaktywnych szyb przeciwsłonecznych o współczynniku g=0,18 zapotrzebowanie na energię do ogrzewania jest zawsze największe w porównaniu z innymi przegrodami transparentnymi i równie wysokie w przypadku dużej powierzchni okien, jak i w przypadku okien pomniejszonych. Na symulacji rocznej da się zauważyć, że sezon grzewczy w przypadku szyb statycznych, przeciwsłonecznych trwa najdłużej. W przypadku najmniej helioaktywnej szyby o g=0,18 zapotrzebowanie na użytkową energię do ogrzewania dla temperatury użytkowej 16oC występuje nawet w czerwcu i sierpniu.
Każdy projektowany budynek można w łatwy sposób helioaktywować powiększając okna lub stosując przegrodę transparentną o sezonowo zmiennym współczynniku przepuszczalności energii promieniowania słonecznego g. Dezaktywacja występuje przy słabo przeszklonych budynkach o statycznej przegrodzie transparentnej i niskim współczynniku g.
Aleksandra Poźniak-Wołodźko
AP15 ARCHITEKTURA PASYWNA
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
Więcej informacj: Świat Szkła 01/2014
