Budynki niskoenergetyczne i pasywne Podejście zintegrowane w budownictwie Prof. Edward Szczechowiak Politechnika Poznańska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Maj 2010 Swegon Air Academy Polen, 18-20. maja 2010 1
Zakres Budynek - środowisko - energia Rozwój zrównoważony w budownictwie Zmiany w prawodawstwie europejskim i polskim Rozwój procesu projektowania budynków Budynki pasywne zasady Budynki pasywne przykłady Uwagi końcowe 2
Rozwój budownictwa Rewolucja neolityczna (9000 lat p.n.e) Od NEOLITU do współczesności (ca. 11000 lat) Olbrzymi rozwój (intensywny w ostatnich 100 latach) style architektoniczne, materiały, technologie, techniki wznoszenia budynków Rewolucja przemysłowa, energia elektryczna (XIX wiek n.e.) Przejście z rozwiązań prymitywnych do skomplikowanych Wzrost znaczenia komfortu i jakości użytkowania Skutki negatywne wzrost zużycia zasobów środowiska i energii szczególnie w budownictwie, wzrost emisji zanieczyszczeń Gospodarowanie energią i zasobami środowiska w ostatnich 100 latach Porównanie Rodzaj zbieractwa i łowiectwa (przed okresem NEOLITU) 3
Budynek środowisko energia (1) Zasoby środowiska i zużycie energii Zasoby budowlane i zużycie energii (UE25 2008) Budynki 41% (700 mln Mg oleju eq.) Transport 31% Przemysł 28% Łącznie 1700 mln Mg oleju eq. (w tym Rolnictwo 3%) Zużycie energii przez budynki (30-50% zużycia energii danego kraju) Kryzysy energetyczne zmiana polityki energetycznej Budownictwo największe zużycie i największy potencjał redukcyjny Epizod ropy naftowej w historii ludzkości 1870 2130 Energia promieniowania słonecznego kąt życia 0,005 deg 4
Zmiany cen ropy naftowej surowej lata 1860-2010 Przekroczenie bariery cenowej 100 $/barrel kwiecień 2008 Max. w 2008-140 $/barrel Aktualnie (05.2010) 86 $/barrel 5
Strategia przyszłościowa zużycia energii 6
Budynek środowisko energia (2) Wymóg współczesności: Efektywniejsze gospodarowanie zasobami środowiska, w tym paliwami pierwotnymi Komfort cieplny i jakość powietrza (TC & IAQ) Wzrost efektywności w budownictwie (unikanie strat i optymalizacja zysków, a nie nadmierne zużycie energii dla uzupełnienia strat) Synergia między jakością energetyczną i ekologiczną budynku a efektywnością jego technicznego wyposażenia Ewolucje w budownictwie (nowe koncepcje projektowe, nowe materiały i technologie, technologie realizacji, profesjonalna eksploatacja) pozwalają na nową rewolucję Rozwój zrównoważony (Sustainable development) Standard BUDYNKU PASYWNEGO Buildings Science 7
Rozwój zrównoważony Zasady rozwoju zrównoważonego Elementy zrównoważenia w budownictwie 8
Modele oceny oddziaływania budynków na środowisko Metody oceny: LEED, BEPAS, BREEAM, GBC, BEES, ATHENA LEED (Leadingship in Energy and Environmental Design) BEPAS (Building Environmental Performance Assessment Model): urządzenia technicznego wyposażenia budynku, materiały budowlane i techniki budowy, lokalizacja. Wskaźniki oceny: obciążenie ekosystemu, zużycie zasobów środowiska, Eco wskaźniki. Wskaźniki podstawowe oceny: energia (nieodnawialna energia pierwotna), globalne ocieplenie (emisja CO2). 9
Oddziaływanie budynków na środowisko Oddziaływanie budynków na środowisko efekt roczny [%] (USA) 10
Budynki przyszłości Zasady projektowania budynków przyszłości Każdy budynek spełniający kryteria zrównoważonego rozwoju musi być budynkiem energooszczędnym 11
Efektywność energetyczna budynków Poziom zużycia energii Etap wznoszenia budynku Etap eksploatacji budynku Szerokie znaczenie Budynek i jego charakterystyka energetyczna* Techniczne wyposażenie (Building services) Sterowanie i zarządzanie (BEMS) Całkowite zużycie energii i energii pierwotnej Wzorce zużycia energii (benchmanking) Efektywne zużycie energii pierwotnej Wzrost znaczenia energii odnawialnej Charakterystyka energetyczna budynku * Directive 2002/91/EC on the energy performance of buildings (16 December 2002) Klasa energetyczna budynku 12
Kierunki zmian wynikające z prawodawstwa europejskiego Directive 2002/91/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 2002 on the energy performance of buildings Dyrektywa o charakterystyce energetycznej budynków (wymaganiach energetycznych budynków) Wdrożenie dyrektywy 2002/91/EC w Polsce od 1.01.2009r. 13
Świadectwa charakterystyki energetycznej budynków Świadectwa charakterystyki energetycznej: wymóg dyrektywy 2002/91/EC on the energy performance of buildings, ważne w krajach UE od 01.2006, w Polsce ważne od 01.2009, Zakres oceny energetycznej budynku: ogrzewanie i wentylacja, chłodzenia, podgrzewanie ciepłej wody użytkowej, oświetlenie (budynki użyteczności publicznej). Istotne wskaźniki oceny: nieodnawialna energia pierwotna, emisja dwutlenku węgla. 14
Ocena energetyczna budynków Budynek jest traktowany jako system energetyczny Zintegrowana analiza trzech modułów Budynek i jego właściwości cieplne (izolacja termiczna, szczelność powietrzna, wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w zimie, ochrona przed promieniowaniem w lecie, PN EN ISO 13790) energia użytkowa Technika instalacyjna odpowiedzialna za komfort cieplny i użytkowy oraz za oświetlenie (wysoka sprawność energetyczna) energia końcowa Efektywne wyprodukowanie i dostarczenie energii do budynku - energia pierwotna Energia pierwotna nieodnawialna i odnawialna 15
Zmiany w procesie projektowania budynków 16
Podejście zintegrowane w projektowaniu budynków Projektowanie zintegrowane ważne ogniwo procesu inwestycyjnego Rola głównego projektanta (architekta) i specjalistów branżowych w etapach planowania i projektowania Rola projektantów w czasie realizacji inwestycji Cel 1 realizacja funkcji celu (ludzie, technologia, otoczenie) Cel 2 oszczędność energii i zasobów naturalnych Cel 3 koszty w cyklu życia Ocena energetyczno-ekologiczna i ekonomiczna: Projektowanie budynków Realizacja inwestycji Eksploatacja budynku Likwidacja (rewitalizacja, przebudowa) 17
Projektowanie zintegrowane budynków Komfort klimatyczny osiągnięty przy minimalnym oddziaływaniu na środowisko i akceptowalnych kosztach (wznoszenie i eksploatacja); Cztery kluczowe zasady: Redukcja energii wbudowanej i zużycia zasobów naturalnych, Redukcja energii w czasie eksploatacji, Minimalizacja obciążenia i degradacji środowiska zewnętrznego, Minimalizacja obciążenia środowiska wewnętrznego i zdrowia Budynek współczesny energooszczędny 18
Projektowanie zintegrowane budynków Kluczowe elementy: Obudowa (envelope) Techniczne wyposażenie (building services, HVAC) Oddziaływanie użytkowników (human factors) Środowisko zewnętrzne (outdoor environment) Kluczowe elementy wpływające na zużycie energii 19
Elementy wpływające na właściwości energetyczne budynku 20
Droga do budynków pasywnych Ewolucja zmian zapotrzebowania ciepła i energii 21
Droga do budynku pasywnego (1) Komfort Wentylacja - Energia Współzależność między zdrowiem, przepływem powietrza i zużyciem energii 22
Droga do budynku pasywnego (2) Budynki mieszkalne pasywne ń ę ę ę Warunek 1: Sezonowe zapotrzebowanie ciepła ogrzewanie i wentylacja 15 kwh/(m 2 a). Warunek 2: Moc cieplna grzewcza mniej niż 10 W/m 2. Warunek 3: Zużycie nieodnawialnej energii pierwotnej mniej niż 120 kwh/ (m 2 a). Warunek 4: Komfort cieplny w lecie. Przegrzanie powyżej 25 0 C mniej niż 10% roku. Warunek 5: Bardzo dobra szczelność powietrzna obudowy budynku. Test Blower Door n 50 0,6 h -1. 23
Droga do budynku pasywnego (3) Budynki mieszkalne pasywne Jak to osiągnąć Zwarta struktura budynku (A/V e ). Bardzo dobra izolacja termiczna: dach 0,15 W/(m 2 K), ściany zewnętrzne 0,15 W/(m 2 K), strop piwnicy (posadzka) 0,15 W/(m 2 K), okna 0,80 W/(m 2 K); Budynek bez mostków cieplnych. Bardzo dobra szczelność powietrzna. Efektywne termicznie ramy okienne i szyby. Ustawienie względem stron świata. Bierne i czynne wykorzystanie energii słonecznej. Kontrolowana wentylacja z odzyskiem ciepła powyżej 75%; zużycie energii elektrycznej 0,45 Wh/m 3. System grzewczy zintegrowany (c.o., wentylacja, ciepła woda). Optymalne wykorzystanie energii elektrycznej. Standard zużycia nieodnawialnej energii pierwotnej 120 kwh/(m 2 a). Racjonalna eksploatacja budynku i urządzeń TWB. 24
Powietrze świeże Powietrze usuwane V wentylacja z odzyskiem ciepła I izolacja cieplna Filtr Nawiew Wywiew III okna dla budownictwa pasywnego II brak mostków cieplnych IV rozwiązania konstrukcyjne szczelne powietrznie 25
Komponenty układu wentylacyjnego Centrala wentylacyjna z rekuperatorem Układ wentylacyjny lokalny z rekuperacją ciepła 26
Centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepła rekuperator przeciwprądowy efektywny energetycznie Skuteczność odzysku ciepła oc1 = 0,90 27
Zmiany standardów energetycznych domów mieszkalnych (A/V = 0,9) Ciepło lub energia użytkowa WSVO 95 standard z 1995, EnEV 02 standard z 2002, NEH dom niskoenergetyczny, KfW60 budynek 60 kwh/(m 2 a), PH dom pasywny 28
Standardy energetyczne domów mieszkalnych (A/V = 0,9) po roku 2002 EnEV 02 standard z 2002, NEH dom niskoenergetyczny, KfW60 zużycie energii 60 kwh/(m 2 a), NEH-30 - zużycie energii 30 kwh/(m 2 a), PH dom pasywny 29
Droga do budynku pasywnego (4) 30
Droga do budynku pasywnego (5) 31
Potencjał oszczędności w budynkach istniejących Potencjału redukcji energii grzewczej w budynkach mieszkalnych Wskaźniki zużycia energii dla różnych standardów energetycznych budynków 32
Budynki pasywne mieszkalne Darmstadt Kranichstein 1991 Termogram fasady budynku Pierwszy pasywny dom mieszkalny Darmstadt 1991 Prof. Bo Adamson UNI Lund Szwecja (1988) Dr Wolfgang Feist D (realizacja - 1991) Rok 1991 Rok 2008 33
Budynki modernizowane (rewitalizacja) Budynek z roku 1950 i po modernizacji w 2006 Frankfurt a/main 2006-60 mieszkań Redukcja zużycia energii dla ogrzewania z 200 do 18 kwh/(m 2 a) 34
Budynki pasywne niemieszkalne 35
Budynki pasywne użyteczności publicznej Zwartość struktury budynku A/V e ; Powierzchnia użytkowa: 2 30 m 2 na osobę; Strumień powietrza wentylacyjnego: 15 1 m 3 /(hm 2 ); Sezonowe zapotrzebowanie ciepła ogrzewanie i wentylacja 15 kwh/(m 2 a), moc jednostkowa grzewcza 10 W/m 2 ; Bardzo dobra izolacja termiczna: dach 0,15 W/(m 2 K), ściany zewnętrzne 0,20 W/(m 2 K), strop piwnicy (posadzka) 0,25 W/(m 2 K), okna 0,80 W/(m 2 K); Budynek bez mostków cieplnych; Szczelność obudowy budynku n 50 0,6 h -1 ; Bierne wykorzystanie energii słonecznej; Kontrolowana wentylacja z odzyskiem ciepła 75%; zużycie energii elektrycznej 0,45 Wh/m 3 ; System grzewczy ciepła woda); zintegrowany (ogrzewanie, wentylacja, Efektywne energetycznie oświetlenie i urządzenia użytkowe; Algorytmy sterowania urządzeń TWB; Standard zużycia energii pierwotnej 120 kwh/(m 2 a). 36
Budynek pasywny biurowy - zasady 37
Niskoenergetyczny budynek biurowy Koncepcja systemu zaopatrzenia w ciepło i chłód z pompą ciepła 38
Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne Budynek biurowy Poznań 2007 Widok centrali klimatyzacyjnej z modułem do odzysku ciepła - GOLD SWEGON 39
Stropy uaktywnione termicznie (1) Schemat funkcjonalny i parametry systemu stropów chłodząco-grzewczych REHAU (BKT) Zastosowana rura przesyłowa z polietylenu sieciowanego PE-Xa RAUTHERM S [mm] DN 20, DN 25 Odstęp układanych przewodów [mm] 150 Zakres wydajności grzewczej systemu [ W/m 2 ] Zakres wydajności chłodniczej systemu [ W/m 2 ] Średnia grubość posadzki [ mm] 350-450 Średnia temperatura zasilania [ºC] Ogrzewanie Chłodzenie 35 40 20-30 18-21 40
Stropy uaktywnione termicznie (2) System stropów chłodząco - grzewczych prefabrykowanych 41
Budynek pasywny administracyjny Firmy Wagner & Co. Coelbe k. Marburga (1998) Pierwszy budynek biurowy w standardzie budynku pasywnego 42
Budynek pasywny administracyjny Firmy Wagner & Co. Coelbe k. Marburga (1998) 43
Budynek pasywny administracyjny Firmy Wagner & Co. Coelbe k. Marburga (1998) 44
Budynek pasywny administracyjny Firmy Wagner & Co. Coelbe k. Marburga (1998) Podstawowe parametry charakteryzujące budynek Bilans cieplny budynku w sezonie grzewczym (W/(m 2 K) Kolektory słoneczne 5,7 BHKW 5,0 45
Budynek biurowy LU-TECO w standardzie budynku pasywnego - Ludwigshafen (2006) największy na świecie pow. 11250 m 2 Inwestor: GAG Ludwigshafen 46
Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) największy na świecie pow. 11250 m 2 Widok od strony zachodniej Inwestor: GAG Ludwigshafen Powierzchnia użytkowa: 11250 m 2 Powierzchnia do wynajęcia (ogrzewana): 9875 m 2 Liczba osób: 550 Ściany: U = 0,124 W/(m 2 K); 20 cm PST Std: U = 0,131 W/(m 2 K); 30 cm PST Płyta denna: U = 0,254 W/(m 2 K); 16 cm PST Okna: U = 0,824 W/(m 2 K); 3 szyby n 50 = 0,125 h -1 (dop. 0,60) 47
Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) Inwestor: GAG Ludwigshafen Powierzchnia użytkowa: 10200 m 2 Powierzchnia do wynajęcia.: 9875 m 2 Liczba osób: 550 Technika: Wentylacja zdecentralizowana 12000 m 3 /h Odzysk ciepła 80% Obciążenie grzewcze 12 W/m 2 Obciążenie chłodnicze średnie 14 W/m 2 Widok elewacji z otworami instalacji wentylacji (czerpnie i wyrzutnie) 48
Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) Inwestor: GAG Ludwigshafen Powierzchnia użytkowa: 11250 m 2 Powierzchnia do wynajęcia.: 9875 m 2 Liczba osób: 550 E. Szczechowiak i Arch. W. Braun na tle certyfikatu PH w hallu wejściowym Technika: Ogrzewanie/chłodzenie stropy aktywne Pompy ciepła: 3 x VITOCAL 300 3x43 kw Sondy pionowe: 39 szt. głębokość 95 m. Kolektory fotowoltaiczne: 512 m 2 69 kwe (63900 kwh) Q H = 15 kwh/(m 2 a) Q P = 1 kwh/(m 2 a); E CO2 = 1,2 kg/(m 2 a) 49
Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) Podstawowe parametry charakteryzujące budynek 50
Przykłady rozwiązań budynków niskoenergetycznych 51
Budynki pasywne mieszkalne (1) Osiedle domów pasywnych Lindas Szwecja (2004) PH Hohen Neudorf (D 2004) 52
Pasywne budynki mieszkalne (2) PH Sophienhof Frankfurt D (2006) PH Pinnasberg Hamburg D (2003) PH Kassel Marbachhoehe D (2000) 53
Budynek modernizowany (rewitalizacja) Widok budynku przed zmianami (BJ 1960) Mundenheim GAG Ludwigshafen (Niemcy) 12 mieszkań zużycie ciepła 250 kwh/(m 2 a) Widok budynku po zmianach (2002) Mundenheim GAG Ludwigshafen (Niemcy) 12 mieszkań zużycie ciepła 17 kwh/(m 2 a) 54
Budynki niskoenergetyczne w Polsce (1) Osiedle domów niskoenergetycznych i pasywnych Gdańsk 2005 PH Lipińscy Smolec/Wrocław 2007 55
Budynki niskoenergetyczne w Polsce (2) Budynek biurowy niskoenergetyczny Poznań 2007 Politechnika Poznańska - WBiIŚ Centrum Budownictwa Pasywnego - 2007 Budynek doświadczalny w hali IKB 2007 BP wolnostojący IIŚ 2007 Studium podyplomowe: Budownictwo energooszczędne i pasywne oraz ocena energetyczna budynków (2007/08) 56
Budynki niskoenergetyczne w Polsce (3) Budynek biurowy niskoenergetyczny Katowice 2009 Stropy 30 cm aktywne termiczne BKT + PC Źródło dolne 4 studnie 18 m głęb. Powierzchnia 2400 m 2 Liczba osób 130-150 Zużycie ciepła Qu = 32 kwh/(m 2 a) Koszt 10,5 mln zł (o 10% wyższy od tradycyjnego) Koszt 1m 2 3800 zł/m 2 Izolacja termiczna: Ściany 20 cm styropianu Stropodach 30 cm styropianu Okna - trzyszybowe Park Naukowo-Technologiczny Euro-Centrum w Katowicach, ul. Ligocka 103 57
Wizja budynku przyszłości Stacja kosmiczna Pasywny budynek przyszłości Fraunhofer Institut Freiburg D (1992) 58
Uwagi końcowe (1) Fascynacja pragmatyka analityka kontrola środowiska wewnętrznego Wysokie wymagania (komfort cieplny, oszczędność energii, obciążenie środowiska, koszty całkowite) Zaawansowane technologie budowlane i technicznego wyposażenia Zmiana podejścia do projektowania, realizacji i eksploatacji budynków Rozwój projektowania zintegrowanego wspomaganego programami symulacyjnymi i diagnostycznymi Cel: zaplanowanie i wybudowanie budynku o akceptowalnej architekturze, zoptymalizowanego pod względem zużycia energii, obciążenia środowiska i kosztów w cyklu życia 59
Uwagi końcowe (2) Celowość wznoszenia budynków niskoenergetycznych i pasywnych: Niezbędne dla przyszłości Realizacja idei zrównoważonego rozwoju Obniżenie zużycia energii pierwotnej Obniżenie emisji CO 2 i innych zanieczyszczeń do środowiska Poprawa komfortu cieplnego w pomieszczeniach Obniżenie szkód substancji budowlanej i wzrost trwałości budynków Niskie koszty eksploatacyjne 60
We shape our buidings and afterwarts our buildings shape us. Sir Winston Churchill 61
Dziękuję za uwagę Thank you for your attention 62