Rosnące wśród architektów i inwestorów zainteresowanie budownictwem pasywnym zmusza do przekazywania oraz poszerzania zasobu wiedzy związanej z funkcjonowaniem instalacji wentylacji i ogrzewania w budynkach pasywnych. Jakkolwiek są one zbliżone do układów tradycyjnych, jednak muszą charakteryzować się wysokimi sprawnościami i uwzględniać wiele nietypowych oddziaływań. Ze względu na wpływ instalacji na budynki, znacznie większy w przypadku budynków pasywnych, ewentualne błędy projektowe mogą prowadzić do wadliwego funkcjonowania układów i niezachowania parametrów komfortu klimatycznego. Złe przykłady mogą oddziaływać zniechęcająco na przyszłych potencjalnych inwestorów.
Ewolucję wymagań dotyczących zużycia energii końcowej na podstawie norm szwedzkich i niemieckich przedstawiono na rysunku 1. Rysunek 2 ilustruje przykładową strukturę strat (-) i zysków (+) ciepła budynku tradycyjnego i pasywnego. Oprócz oczywistej tendencji obniżania zużycia energii widoczny jest fakt zmiany struktury bilansu. Zmniejsza się względny udział zapotrzebowania energii na potrzeby ogrzewania budynku, a pojawia udział energii związanej z funkcjonowaniem systemu wentylacji mechanicznej. Zmniejszają się wartości bezwzględne dotyczące przygotowania CWU i zużycia energii elektrycznej przez sprzęt AGD. Wykorzystanie wewnętrznych źródeł ciepła i energii słonecznej stanowi przeważającą część w bilansie zysków.
Zastosowanie zrównoważonej wentylacji mechanicznej w budynkach pasywnych pozwala na znaczne ograniczenie strat ciepła związanych z niekontrolowanym przepływem powietrza, co jest widoczne w przykładzie na rysunku 2. Dalsze obniżanie strat ciepła układów przygotowania CWU, centralnego ogrzewania CO i wentylacji możliwe jest dzięki integracji systemów w ramach kompaktowych urządzeń grzewczo-wentylacyjnych. Obniżenie start ciepła budynków do wartości nieprzekraczającej 10 W/m2 pozwala na rezygnację z klasycznego systemu ogrzewania wodnego na rzecz układu powietrznego.
Idea technologii pasywnej zakłada przede wszystkim minimalizację strat energii, dopiero w drugiej kolejności optymalizację produkcji ciepła i procesów energetycznych. Optymalizacja pracy instalacji wymaga współdziałania architekta, konstruktora i projektanta instalacji technicznego wyposażenia budynków w ramach tzw. procesu projektowania zintegrowanego. W tym względzie można przywołać stwierdzenie amerykańskiego architekta Louisa Sullivana „Form follows function" (ang. forma służy funkcji), co w przypadku budownictwa pasywnego oznacza konieczność równoległego formułowania założeń dotyczących struktury, układu funkcjonalnego budynku i założeń architektoniczno-budowlanych oraz wymagań instalacyjnych. Budynek spełniający kryteria izolacyjności cieplnej i szczelności powietrznej nie uzyska certyfikatu energetycznego budynku pasywnego, jeśli zaprojektowana wadliwie, ze względu na ograniczenia architektoniczno-funkcjonalne, instalacja będzie w efekcie powodować zbyt duże zużycie energii pierwotnej.
Zgodnie z założeniami sformułowanymi przez Wolfganga Feista, zało-życiela Passivhaus Instytut, w warunkach środkowoeuropejskich budynki pasywne charakteryzują się następującymi parametrami energetycznymi odnoszonymi do jednostki użytecznej ogrzewanej powierzchni budynku [2]:
Koszty inwestycyjne związane z budową budynku pasywnego są wyższe w porównaniu z technologią tradycyjną, mogą zostać jednak zredukowane do wartości standardowych po uwzględnieniu preferencyjnych kredytów, dotacji i subsydiów rządowych (dostępne w Niemczech, Austrii).
Warto zauważyć, iż globalna analiza kosztów zdyskontowanych wykazuje ekonomiczną opłacalność budynków pasywnych w porównaniu z budynkami niskoenergetycznymi, co jest związane ze skokowym obniżeniem kosztów wynikającym z rezygnacji z klasycznych układów wodnych na rzecz systemu powietrznego. Dalsze obniżanie strat energii w kierunku budynków zeroenergetycznych w konsekwencji prowadzi do gwałtownego wzrostu kosztów zdyskontowanych, co zilustrowano na rysunku 3.
Wentylacja naturalna charakteryzuje się zbyt dużym, generującym straty energii, przepływem w zimie oraz niewystarczającym w lecie. Mechaniczna wiąże się z koniecznością przeprowadzenia kanałów wentylacyjnych, kupnem centrali i nawiewników. Do jej pracy wymagana jest energia elektryczna do napędu wentylatorów. Jednak w odróżnieniu od wentylacji naturalnej pozwala na uzyskanie określonego strumienia powietrza przy jednoczesnej możliwości filtracji oraz odzysku ciepła z powietrza wywiewanego. W domach pasywnych strumień powietrza służy także do pokrycia strat ciepła, przez przenikanie umożliwiając wyeliminowanie systemu klasycznego ogrzewania.
Ze względu na bardzo małą wymianę powietrza, zbliżoną do minimum higienicznego, w budynkach pasywnych nie jest wykorzystywana recyrkulacja powietrza. Na określenie wielkości strumienia wpływ ma kilka kryteriów.
Kryterium higieniczne zakłada dostarczenie świeżego powietrza w ilości 30 m3/h os, co jest zgodne z aktualnymi wymaganiami prawnym obowiązującymi w Polsce. Podobnie kryterium strumienia powietrza wywiewanego z pomieszczeń pomocniczych, oparte na normie DIN 1946-6, jest zbliżone do zaleceń krajowych (PN-83/B-03430):
Powyższe dwa kryteria decydują o projektowej wielkości strumienia powietrza dla budynku pasywnego zgodnie z zaleceniami pakietu do projektowania budynków pasywnych PHPP autorstwa Passivhaus Instytut [2]. Kolejne zależności pozwalają na weryfikację przyjętego strumienia pod kątem spełnienia pozostałych wymagań.
Kryterium pokrycia strat ciepła wykazuje, iż w przypadku przyjęcia temperatury powietrza nawiewanego 50°C, powietrza w pomieszczeniu 20°C oraz strumienia strat ciepła do otoczenia 10 W/m2 w odniesieniu do powierzchni podłogi, wielkość strumienia powietrza wentylacyjnego wynosi 1.0 m3/h m2 i nie powinna ona być ograniczana poniżej tej wartości. Ograniczenie temperatury nawiewu do wartości 50h-52°C redukuje niepożądane efekty spiekania kurzu, zabrudzenia rejonu nawiewnika i spadku wilgotności względnej powietrza.
Wyznacznikiem jakości powietrza w pomieszczeniu może być stężenie dwutlenku węgla CO2, które — jak się przyjmuje — nie powinno przekraczać w pomieszczeniach mieszkalnych wartości 1000 ppm. Norma EN 13779 definiuje poziomy jakości powietrza w pomieszczeniu w odniesieniu do wielkości stężenia dwutlenku węgla w powietrzu zewnętrznym. Norma DIN 1946-2 ogranicza stężenie dwutlenku węgla do 1500 ppm DIN 1946-2.
W tablicy 1 przedstawiono strumienie dwutlenku węgla wydzielane przez człowieka w funkcji wykonywanych czynności oraz odpowiadające im strumienie powietrza świeżego zapewniające utrzymanie stężenia dwutlenku węgla w pomieszczeniu w wysokości 1000 ppm, przy stężeniu w powietrzu zewnętrznym 350 ppm.
Powyższe wartości wskazują na możliwość ograniczenia wzrostu stężenia dwutlenku węgla poprzez strumień powietrza wynikający z wymogu higienicznego w szerokim zakresie aktywności fizycznej. Dla innych aktywności wymagane jest dostarczenie większych ilości powietrza świeżego. Choć następujące zabiegi nie wiążą się z ograniczaniem stężenia dwutlenku węgla należy w tym miejscu zauważyć, iż w budynkach pasywnych dla ograniczania niekorzystnych odczuć mieszkańców wskazane jest częste odkurzanie, stosowanie filtrów antyalergicznych oraz niskoemisyjnego wyposażenia.
Z punktu widzenia kryterium wilgotności względnej sugerowana krotność wymian na poziomie 0.3-0.4 h-1 jest najwyższą dopuszczalną wymianą w zimie. Ze względu na niską zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym jego podgrzanie prowadzi to obniżenia wilgotności względnej. W skrajnych przypadkach skutkuje to obniżeniem wilgotności względnej w pomieszczeniu poniżej 30%. Dlatego ograniczenie strumienia powietrza, przy zachowaniu lub zwiększeniu strumienia wilgoci wydzielanej w pomieszczeniu pozwala na wzrost wilgotności względnej. Jednak nie może to odbywać się kosztem potrzeb energetycznych budynku oraz jakości powietrza wewnętrznego.
W przypadku podgrzewania strumienia powietrza 120 m3/h od temperatury 5°C (90%) do 20°C, przy założeniu zysków wilgoci 330 g/h uzyskuje się wilgotność względną powietrza na poziomie 33.5%. Obniżenie strumienia powietrza do 75 m3/h pozwala na wzrost wilgotności do 44% [5].
Wymagany strumień powietrza w budynku z wentylacją naturalną wynosi 0.5-0.8 h-1, co wynika z konieczności ograniczenia ryzyka kondensacji na zimnych powierzchniach. Kryteria budynku pasywnego pozwalają na ograniczenie strumienia do wielkości 0.3-0.4 h-1, równej minimalnemu wymogowi higienicznemu, bez negatywnych skutków dla jakości powietrza w pomieszczeniu. Z tego względu recyrkulacja nie jest możliwa. Poza okresem użytkowania układ wentylacyjny może dostarczać mniejszą ilość powietrza, jednak nie mniejszą niż 0.2 h-1.
Zgodnie z cytowanym Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury (§ 150.1) układ wentylacyjny powinien zapewnić przepływ powietrza pomiędzy pomieszczeniami lub strefami o kierunku od pomieszczenia lub strefy o mniejszym do pomieszczenia lub strefy o większym stopniu zanieczyszczenia powietrza. § 150.2. stwierdza iż przepływ powietrza powinien odbywać się z pokoi do pomieszczenia kuchennego lub wnęki kuchennej i do pomieszczeń higienicznosanitarnych.
Powyższe założenia znajdują odzwierciedlenie w systemach wentylacji kaskadowej w budynkach pasywnych. Powietrze nawiewane jest do pomieszczeń o wysokich wymaganiach jakości powietrza (pokój dzienny, sypialnia), następnie przepływa przez pomieszczenia korytarza czy hallu, by w ostateczności trafić do strefy wywiewnej, pomieszczeń charakteryzujących się dużą emisją zanieczyszczeń i mniejszymi wymogami jakości powietrza, takich jak kuchnia czy łazienka.
Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono przykładowy podział na strefy budynku pasywnego. Należy zauważyć, iż przy średniej wymianie powietrza 0.4 h-1 w odniesieniu do całkowitej kubatury budynku, liczba wymian powietrza w strefie nawiewnej oscyluje powyżej wartości 0.5 h-1, a w pomieszczeniach kuchni i łazienki, o znacznie mniejszej kubaturze w porównaniu ze strefami nawiewu, krotność wymian może sięgnąć nawet 2.0 h-1.
Kompaktowe urządzenie grzewczo-wentylacyjne
W budynkach jednorodzinnych za przygotowanie CWU, szczątkowego ogrzewania CO i wentylację odpo-wiada zintegrowane kompaktowe urządzenie grzewczo-wentylacyjne. Układ ten został po raz pierwszy zaprezentowany przez Christofa Drexela w Austrii w roku 1997. Obecnie, dość jeszcze nieliczne urządzenia, produkowane są przez firmy Aerex, Drexel und Weiss, Tecalor, Paul, Stibel Elektron czy Viessmann.
Średni koszt zakupu urządzenia waha się w granicach 10.000*1 2.000 €. Szacowany koszt inwestycji związany z instalacją grzewczo wentylacyjną dla domku jednorodzinnego oscyluje w granicach 19.000*21.000 €, natomiast koszty eksploatacyjne w zakresie 150*200
Urządzenie korzysta tylko z energii elektrycznej i przyłącza zimnej wody, co pozwala na rezygnację z przyłączy gazu czy sieci cieplnej. Dla ograniczenia strat ciepła przez obudowę do otoczenia układ jest bardzo dobrze izolowany. W przypadku urządzenia Vitotres 343 firmy Viessmann sama konstrukcja centrali wentylacyjnej wykonana jest z materiału izolacyjnego, w którym osadzone są elementy centrali: nagrzewnica, wymiennik, wentylatory.
Centrala wentylacyjna
Grzałka/nagrzewnica elektryczna
Przygotowanie CWU
Przyłącza
Główny wpływ na sprawność kompaktowego urządzenia grzew-czo-wentylacyjnego ma zastosowany układ odzysku ciepła. W budynkach jednorodzinnych wykorzystywane są wymienniki przeciwprądowe o strukturze kanałowej, wykonane z aluminium lub tworzywa sztucznego.
Zgodnie z wytycznymi PHI, odzysk ciepła powinien charakteryzować się sprawnością cpnet> 75%.
Należy w tym miejscu zwrócić uwagę na sposób określania sprawności odzysku ciepła. Przyjęcie metodyka zakładającej osłonę bilansową na obudowie urządzenia i króćcach przyłączeniowych wprowadza błąd w odniesieniu do rzeczywistych warunków pracy, w których osłoną bilansową jest powłoka budynku. Rozbieżności wynikają z przyjęcia odmiennej osłony i interpretacji strat ciepła związanych z niewystarczającą izolacją oraz przeciekami wewnętrznymi i zewnętrznymi, a podawane przez producentów sprawności mogą być nawet o 5-M5% zawyżone w stosunku do sprawności wyznaczanych przez PHI. Dlatego PHI zaleca wykorzystywanie przy obliczeniach energetycznych budynku pasywnego z.p. pakietu do projektowania budynków pasywnych PHPP sprawności urządzeń certyfikowanych przez PHI lub niecertyfikowanych, podawanych przez producentów, zmniejszonych o 12%.
Urządzenia certyfikowane przez PHI charakteryzują się sprawnościami rzędu 84^-85%. Najlepsze urządzenie, Paul Thermos 200 DC, wykazuje się sprawnością netto 92%.
Jak wynika z wymogów sformułowanych przez PHI oraz z rysunku 13, w urządzeniach kompaktowych przeznaczonych dla budynków pasywnych stosować można wymienniki krzyżowo-przeciwprądowe i przeciwprądowe.
Kanały wentylacyjne w budynkach pasywnych wykonywane są w technologii kanałów okrągłych SPIRO, bądź też owalnych lub okrągłych aluminiowych i HDPE. Powinny się charakteryzować najwyższymi klasami szczelności C÷D (EN 12237), zwłaszcza w wypadku, gdy są prowadzone poza powłoką szczelną budynku w warstwie izolacji. Oprócz podstawowego zadania transportu powietrza dzięki wyższej od otoczenia temperaturze (nawet do 52°C) spełniają także dodatkową funkcję przekazywania ciepła do pomieszczeń na drodze promieniowania lub konwekcji. Przewody dobiera się na liniowe straty ciśnienia rzędu 0,7÷1,0 Pa/m, nie przekraczając prędkości przepływu 3 m/s, co w przypadku domu jednorodzinnego oznacza średnice kanałów Ø 100÷200 mm. Ze względu na niewielkie średnice (10÷15 cm) kanały wentylacyjne mogą być z powodzeniem prowadzone w materiale izolacyjnym konstrukcji ściany lub podłogi, w przestrzeni sufitu podwieszonego czy nawet w konstrukcyjnym stropie betonowym. Ostatnie rozwiązanie jest korzystne ze względu na możliwość akumulacji ciepła w strukturze stropu, należy jednak zwrócić uwagę na względy akustyczne oraz konieczność zapewnienia izolacji przeciwwilgociowej. Konieczność ograniczenia strat ciśnienia wymusza prowadzenie kanałów krótkimi odcinkami prostymi, z niewielką ilością kształtek. Dotyczy to przede wszystkim linii wywiewnych. Przekazywanie ciepła do otoczenia przez kanały nawiewne w efekcie zmniejsza temperaturę powietrza nawiewanego nie redukując efektu grzewczego instalacji. Instalacja musi być zrównoważona pod kątem wielkości strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego, różnice nie powinny przekraczać ± 10%. Wykorzystanie kanałów do transportu ciepła nakazuje przemyślane wykorzystanie izolacji cieplnej oraz paroszczelnej, charakteryzującej się wysoką szczelnością dyfuzyjną uniemożliwiającą wykraplanie wilgoci na po-wierzchni kanałów. Wskazana jest bardzo dobra izolacja cieplna i maksymalne ograniczenie długości kanałów łą-czących centralę z otoczeniem: powietrza czerpanego i wyrzucanego (rysunek 14). Z tego względu sugerowane jest umieszczanie centrali blisko powłoki cieplnej budynku, przy ścianie zewnętrznej lub w piwnicy. Samo urządzenie również powinno charakteryzować się dobra izolacją cieplną, zwłaszcza w wypadku umieszczania poza powłoka cieplną. Wykorzystanie wentylacji mechanicznej w budynku mieszkalnym zmusza do zapewnienia wysokiej ochro-ny akustycznej instalacji. Dotyczy to przede wszystkim zastosowania następujących rozwiązań:
W budynkach pasywnych wykorzystywane są nawiewniki podłogowe, sufitowe lub ścienne. Często stosowanym rozwiązaniem są nawiewniki, a nawet dysze dalekiego zasięgu, umieszczane nad drzwiami, w odległości 150÷200 mm pod sufitem. Pozwala to na skrócenie długości kanałów wentylacyjnych i wykorzystanie efektu Coandy. Lokalizacja nad drzwiami nie powoduje utrudnień przy ewentualnej późniejszej zmianie aranżacji i ustawienia mebli w pomieszczeniu. W instalacji należy unikać przepływu zwarciowego, co dotyczy przede wszystkim wywiewników zlokalizowanych w pomieszczeniach sanitarnych. Usuwanie powietrza powinno się odbywać możliwie blisko miejsc emisji zanieczyszczeń (np. prysznic, kuchenka gazowa), a także z dala od grzejników. W budynkach powinny być wyko-rzystywane efektywne okapy wentylacyjne kuchenne pracujące na obiegu zamkniętym. W celu zapewnienia prawidłowego przepływu powietrza pomiędzy pomieszczeniami niezbędne jest zastosowa-nie otworów transferowych. W budynkach pasywnych, ze względu na konieczność zapewnienia niskich oporów przepływu strata ciśnienia na otworze transferowym nie powinna przekraczać 1 Pa. Szczelina pomiędzy podłogą a drzwiami o wysokości 10÷20 mm pozwala na przepływ 40 m³/h przy stracie ciśnienia 1 Pa. Innym, stosowanym także rozwiązaniem, jest zintegrowanie otworów transferowych z ościeżnicami drzwi.
W cz. 2 przedstawimy Państwu charakterystyki źródeł ciepła, gruntowe powietrzne wymienniki ciepła oraz stosowane i proponowane rozwiązania dla budynków wielorodzinnych.