budynki niskoenergetyczne i pasywne · energia • rozwój zrównowa ... ogrzewanie i wentylacja,...

_____________________________________________________________________________________ E. Szczechowiak 2010 SWEGON AIR ACADEMY 2010

1

Prof.

Edward SzczechowiakPolitechnika PoznańskaWydział Budownictwa i Inżynierii ŚrodowiskaMaj 2010

Budynki niskoenergetycznei pasywne

Podejście zintegrowane w budownictwie

Swegon

Air

Academy

Polen,

18-20.

maja 2010


2

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


3

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 energiąi zasobami środowiska w ostatnich 100 latach

Rodzaj zbieractwai łowiectwa (przed okresem NEOLITU)

Porównanie


4

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 ludzkości1870 … 2130

Energia promieniowania słonecznego– kąt życia 0,005 deg


5

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


6

Strategia przyszłościowa zużycia energii


7

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


8

Rozwój zrównoważony

Zasady rozwoju zrównoważonego

Elementy zrównoważenia w budownictwie


9

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).


10

Oddziaływanie budynków na środowisko

Oddziaływanie budynków na środowisko –

efekt roczny [%] (USA)


11

Budynki przyszłości

Zasady projektowania budynków przyszłości

Każdy budynek spełniający kryteria zrównoważonego rozwojumusi być budynkiem energooszczędnym


12

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

Klasa energetyczna budynku

* Directive

2002/91/EC on the

energy

performance

of

buildings

(16 December

2002)


13

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.


14

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.


15

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


16

Zmiany w procesie projektowania budynków


17

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)


18

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


19

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


20

Elementy wpływające na właściwości energetyczne budynku


21

Droga do budynków pasywnych Ewolucja zmian zapotrzebowania ciepła i energii


22

Droga do budynku pasywnego (1)

Komfort –

Wentylacja -

Energia

Współzależność między zdrowiem, przepływem powietrzai zużyciem energii


23

Droga do budynku pasywnego (2) Budynki mieszkalne pasywne

Budynek standardowy:• Strumień powietrza wentylacyjnego –

30 m3/(h osobę).

• Powierzchnia na osobę –

30 m2/osobę.

•

Warunek 1: Sezonowe zapotrzebowanie ciepła –

ogrzewanie i wentylacja 15 kWh/(m2a).

•

Warunek 2:

Moc cieplna grzewcza –

mniej niż 10 W/m2.•

Warunek 3: Zużycie nieodnawialnej energii pierwotnej –

mniej

niż 120 kWh/ (m2a).•

Warunek 4: Komfort cieplny w lecie. Przegrzanie powyżej 250C –

mniej niż 10% roku.

•

Warunek 5: Bardzo dobra szczelność powietrzna obudowy budynku. Test Blower

Door

–

n50

≤0,6

h-1.


24

Droga do budynku pasywnego (3) Budynki mieszkalne pasywne

•

Jak to osiągnąć•

Zwarta struktura budynku (A/Ve

).•

Bardzo dobra izolacja termiczna:

dach ≤0,15 W/(m2K),ściany zewnętrzne ≤0,15 W/(m2K),strop piwnicy (posadzka) ≤0,15

W/(m2K),okna ≤0,80

W/(m2K);•

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/m3.

•

System grzewczy zintegrowany (c.o., wentylacja, ciepła woda).•

Optymalne wykorzystanie energii elektrycznej.

•

Standard zużycia nieodnawialnej energii pierwotnej 120 kWh/(m2a).•

Racjonalna eksploatacja budynku i urządzeń

TWB.


25

Filtr

I izolacja

cieplna

III okna

dla

budownictwa

pasywnego

II brak

mostków

cieplnych IV rozwiązania

konstrukcyjne

szczelne

powietrznie

V wentylacja

z odzyskiem

ciepła

Powietrze świeżePowietrze

usuwane

WywiewNawiew


26

Komponenty układu wentylacyjnego

Układ wentylacyjny lokalny z rekuperacją ciepła

Centrala wentylacyjnaz rekuperatorem


27

Centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepła –

rekuperator przeciwprądowy efektywny

energetycznie

Skuteczność

odzysku ciepła

ηoc1

= 0,90


28

Zmiany standardów energetycznych domów mieszkalnych (A/V = 0,9)

Ciepło lub energia użytkowaWSVO’95 –

standard z 1995, EnEV’02 –

standard z 2002, NEH –

dom niskoenergetyczny,

KfW60 –

budynek 60 kWh/(m2a) , PH –

dom pasywny


29

Standardy energetyczne domów mieszkalnych (A/V = 0,9) po roku 2002

EnEV’02 –

standard z 2002, NEH –

dom niskoenergetyczny, KfW60 –

zużycie energii 60 kWh/(m2a) , NEH-30 -

zużycie energii 30 kWh/(m2a),PH –

dom pasywny


30

Droga do budynku pasywnego

(4)


31

Droga do budynku pasywnego

(5)


32

Wskaźniki zużycia energii dla różnych standardów energetycznych budynków

Potencjału redukcji energii grzewczej w budynkach mieszkalnych

Potencjał oszczędności w budynkach istniejących


33

Budynki pasywne mieszkalne Darmstadt Kranichstein

1991

Termogram fasady budynkuPierwszy pasywny dom mieszkalny Darmstadt 1991 Prof. Bo Adamson

–

UNI Lund Szwecja (1988)Dr Wolfgang Feist

–

D (realizacja -

1991)

Rok 1991Rok 2008


34

Budynki modernizowane (rewitalizacja) Budynek z roku 1950 i po modernizacji w 2006

Frankfurt a/Main

2006 -

60 mieszkańRedukcja zużycia energii dla ogrzewaniaz 200 do 18 kWh/(m2a)


35

Budynki pasywne niemieszkalne


36

Budynki pasywne użyteczności publicznej

•

Zwartość struktury budynku –

A/Ve

;•

Powierzchnia użytkowa: 2 –

30 m2

na osobę;•

Strumień powietrza wentylacyjnego: 15 –

1 m3/(hm2);

•

Sezonowe zapotrzebowanie ciepła –

ogrzewanie i wentylacja 15 kWh/(m2a), moc jednostkowa grzewcza 10 W/m2;

•

Bardzo dobra izolacja termiczna:dach ≤0,15 W/(m2K),ściany zewnętrzne ≤0,20

W/(m2K),strop piwnicy (posadzka) ≤0,25

W/(m2K),okna ≤0,80

W/(m2K);•

Budynek bez mostków cieplnych;

•

Szczelność

obudowy budynku –

n50

≤0,6

h-1;•

Bierne

wykorzystanie

energii słonecznej;

•

Kontrolowana wentylacja z odzyskiem ciepła 75%; zużycie energii elektrycznej 0,45 Wh/m3;

•

System grzewczy zintegrowany (ogrzewanie, wentylacja,

ciepła woda);

•

Efektywne energetycznie oświetlenie i urządzenia użytkowe;•

Algorytmy sterowania

urządzeń

TWB;

•

Standard zużycia energii pierwotnej 120 kWh/(m2a).


37

Budynek pasywny biurowy -

zasady


38

Niskoenergetyczny budynek biurowy

Koncepcja systemu zaopatrzenia w ciepło i chłód z pompą ciepła


39

Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne Budynek biurowy –

Poznań 2007

Widok centrali klimatyzacyjnej z modułem do odzysku ciepła -

GOLD SWEGON


40

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/m2]

35

Zakres wydajności chłodniczej systemu [ W/m2]

40

Średnia grubość

posadzki [ mm] 350-450

Średnia temperatura zasilania [ºC]OgrzewanieChłodzenie

20-3018-21


41

Stropy uaktywnione termicznie (2)System stropów chłodząco

-

grzewczych prefabrykowanych


42

Budynek pasywny administracyjny Firmy Wagner & Co.

Coelbe

k. Marburga (1998) Pierwszy budynek biurowy w standardzie budynku pasywnego


43

Budynek pasywny administracyjny Firmy Wagner & Co. Coelbe

k. Marburga (1998)


44


k. Marburga (1998)


45


k. Marburga (1998)

Bilans cieplny budynku w sezonie grzewczym (W/(m2K)

• Kolektory słoneczne 5,7

• BHKW –

5,0

Podstawowe parametry charakteryzujące budynek


46

Budynek biurowy LU-TECO

w standardzie budynku pasywnego -

Ludwigshafen

(2006)

największy na świecie –

pow. 11250 m2

Inwestor: GAG Ludwigshafen


47


w standardzie PH Ludwigshafen

(2006)

największy na świecie –

pow. 11250 m2

Widok od strony zachodniej

Inwestor: GAG LudwigshafenPowierzchnia użytkowa: 11250 m2

Powierzchnia do wynajęcia (ogrzewana): 9875 m2

Liczba osób: 550

Ściany: U = 0,124 W/(m2K); 20 cm PSTStd: U = 0,131 W/(m2K); 30 cm PSTPłyta denna: U = 0,254 W/(m2K); 16 cm PSTOkna: U = 0,824 W/(m2K); 3 szybyn50

= 0,125 h-1

(dop. 0,60)


48



(2006)


Powierzchnia do wynajęcia.: 9875 m2

Liczba osób: 550

Technika:Wentylacja zdecentralizowana –

12000 m3/h Odzysk ciepła 80%Obciążenie grzewcze –

12 W/m2

Obciążenie chłodnicze średnie –

14 W/m2

Widok elewacji z otworami instalacji wentylacji(czerpnie i wyrzutnie)


49



(2006)


Powierzchnia do wynajęcia.: 9875 m2

Liczba osób: 550

Technika:Ogrzewanie/chłodzenie –

stropy aktywnePompy ciepła: 3 x VITOCAL 300 –

3x43 kWSondy pionowe: 39 szt. –

głębokość 95 m. Kolektory fotowoltaiczne: 512 m2

–

69 kWe

(63900 kWh)•

QH

= 15 kWh/(m2a)•

QP

= 1 kWh/(m2a); ECO2

= 1,2 kg/(m2a)

E. Szczechowiak i Arch. W. Braun na tle certyfikatu PH w hallu wejściowym


50



(2006)

Podstawowe parametry charakteryzujące budynek


51

Przykłady rozwiązań budynków niskoenergetycznych


52

Budynki pasywne mieszkalne (1)

Osiedle domów pasywnych–

Lindas

Szwecja (2004)

PH Hohen

Neudorf

(D –

2004)


53

Pasywne budynki mieszkalne (2)

PH Pinnasberg

Hamburg D (2003)

PH Sophienhof

Frankfurt D (2006)

PH Kassel Marbachhoehe

D (2000)


54

Budynek modernizowany (rewitalizacja)

Widok budynku przed zmianami (BJ 1960)Mundenheim

–

GAG Ludwigshafen

(Niemcy)12 mieszkań – zużycie ciepła 250 kWh/(m2a)

Widok budynku po zmianach (2002)Mundenheim

–

GAG Ludwigshafen

(Niemcy)12 mieszkań – zużycie ciepła 17 kWh/(m2a)


55

Budynki niskoenergetyczne w Polsce (1)

Osiedle domów niskoenergetycznych i pasywnych

– Gdańsk 2005 PH Lipińscy –

Smolec/Wrocław 2007


56

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)


57

Budynki niskoenergetyczne w Polsce (3) Budynek biurowy niskoenergetyczny –

Katowice 2009

Park Naukowo-Technologiczny Euro-Centrum w Katowicach, ul. Ligocka 103

Powierzchnia 2400 m2

Liczba osób –

130-150

Zużycie ciepła Qu

= 32 kWh/(m2a)Koszt –

10,5 mln

zł (o 10% wyższy od tradycyjnego)Koszt 1m2

–

3800 zł/m2

Izolacja termiczna:Ściany –

20 cm styropianuStropodach –

30 cm styropianuOkna -

trzyszybowe

Stropy 30 cm aktywne termiczneBKT + PC Źródło dolne –

4 studnie 18 m głęb.


58

Wizja budynku przyszłości

Stacja kosmiczna

Pasywny budynek przyszłościFraunhofer

Institut

Freiburg

–

D (1992)


59

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


60

Uwagi końcowe (2)

•

Celowość wznoszenia budynków niskoenergetycznych i pasywnych:–

Niezbędne dla przyszłości

–

Realizacja idei zrównoważonego rozwoju–

Obniżenie zużycia energii pierwotnej

–

Obniżenie emisji CO2

i innych zanieczyszczeń do środowiska

–

Poprawa komfortu cieplnego w pomieszczeniach–

Obniżenie szkód substancji budowlanej i wzrost trwałości budynków

–

Niskie koszty eksploatacyjne


61

We shape

our

buidings

and

afterwarts our

buildings

shape

us.

Sir Winston

Churchill


62

Dziękuję za uwagę Thank

you

for your

attention

budynki niskoenergetyczne i pasywne · energia • rozwój zrównowa ... ogrzewanie i wentylacja,...

Documents