W tym wpisie pokażemy, jak powstał projekt dużego, nowoczesnego domu, którego koszty ogrzewania wynoszą niecałe 1.900 zł rocznie. Jeśli nie jesteście zainteresowani kwestiami architektonicznymi, od razu przejdźcie do pkt 7, 8 i 9, gdzie pokazujemy jak niewiele kosztuje utrzymanie tego domu.
1. Powierzchnia i bryła
Zwykle zaczynam od określenia podstawowych parametrów nowego budynku: metrażu, ilości kondygnacji i podstawowych funkcji. Następnie zaczynam pracę nad bryłą: powstają pierwsze odręczne rysunki. To dosyć trudny etap – bryła budynku powinna mieć ciekawą kompozycję, a przy tym musi być zwarta, by ograniczyć powstawanie mostków termicznych i zachować odpowiednie parametry energooszczędne. Zwykle projektujemy domy, które nie przekraczają powierzchni 200 m2, w tym jednak wypadku postanowiliśmy sprawdzić, jak będzie się kształtował bilans energetyczny budynku o większej powierzchni (prawie 300 m2). Poza tym bryła, którą chciałem zaprojektować, wymagała zdecydowanie większej kubatury.
2. Przeszklenia
Na tym etapie rozpoczynam również pierwsze prace nad elewacją: określam miejsca największych przeszkleń w budynku. Przeszklona elewacja od strony południowej będzie pozyskiwała energię słoneczną na podobnej zasadzie jak kolektory słoneczne lub fotowoltaiczne. Z drugiej jednak strony nieograniczona ekspozycja na słońce może powodować znaczny dyskomfort mieszkańców. Dlatego równocześnie trzeba pamiętać, by dostosować szerokość okapów dachowych do naszej szerokości geograficznej, tak by latem zapewniały one cień, a zimą wpuszczały jak najwięcej światła słonecznego. W tym projekcie zaproponowaliśmy rolety zewnętrzne, sterowane inteligentnym systemem zarządzania domem.
3. Rozwiązania konstrukcyjne
Kiedy wizja nowego budynku przybierze już realne kształty na papierze, zaczynam projektowanie w specjalistycznym programie. Nasza pracownia korzysta z programu Archicad .
Po wrysowaniu bryły zakładam możliwe do wykonania rozwiązania konstrukcyjne (rozmieszczenie słupów konstrukcyjnych i podciągów żelbetowych, na których opierają się stropy). Szacuję wielkość tych elementów i rozmieszczam w taki sposób, by później nie kolidowały z elementami wentylacji mechanicznej (poprowadzonej w przestrzeni sufitu podwieszonego pod stropem). Przeprowadzam konsultacje z konstruktorem.
Określam też, z jakiego materiału będą stawiane ściany zewnętrze: w projektach używamy cegieł silikatowych o grubości 18 cm i współczynniku lambda = 0,61W/mK. Materiał ten jest najbardziej ekologicznym i naturalnym materiałem dostępnym na rynku, charakteryzuje się też bardzo dużą wytrzymałością na ściskanie (ok. 15MPa), znakomicie kumuluje ciepło i pobiera z powietrza z wnętrza domu odpowiednią ilość wilgoci, którą następnie oddaje do otoczenia. W połączeniu z wełną skalną (izolacja) ściana z bloczków silikatowych stanowi zdrowy i ekologiczny materiał budowlany.
4. Podział funkcjonalny wnętrz
Ta praca to niezła łamigłówka: położenie budynku i poszczególnych pomieszczeń względem stron świata ma spory wpływ na koszty jego utrzymania. Główna elewacja naszego domu, z pomieszczeniami dziennymi na parterze i ogrodem zimowym na piętrze, zwrócona jest na południe (pomieszczenia te otrzymają najwięcej słońca, tak więc będą najjaśniejsze i najcieplejsze także zimą). Po stronie zachodniej umieściliśmy gabinet, aneks gościnny i dwie sypialnie. Kuchnia zajmuje wschodnią część salonu, a od strony północnej znajduje się garaż i 3 sypialnia. Pamiętajmy, że dobra lokalizacja domu względem stron świata, może nam zapewnić duże oszczędności energii. W pokoju dziennym zastosowaliśmy przesuwne panele, które w miarę potrzeb mieszkańców umożliwiają wyodrębnienie dodatkowej powierzchni (np. na pokój gościnny). Gabinet zlokalizowany blisko głównego wejścia i oddzielony od głównej części domu, pozwoli na spokojną pracę i swobodne przyjmowanie gości biznesowych.
Ściany działowe w budynku wykonane są z silikatów, czyli cegieł wapienno-piaskowych, które charakteryzują się wysoką kumulacją energii cieplnej. Oznacza to, że w nocy ściany oddają ciepło, które pobiorą w ciągu dnia. Na piętrze nad klatką schodową zlokalizowany jest świetlik, który oprócz funkcji doświetlenia korytarza pełni rolę komina – wyciągu powietrza.
5. Umiejscowienie szachtów instalacyjnych
W trakcie projektowania pomieszczeń, uzgadniam z instalatorem dokładny sposób poprowadzenia wentylacji mechanicznej. Określamy również rozmieszczenie szachtów instalacyjnych: są to otwory w stropach, w których poprowadzone będą piony sanitarne (kanalizacja, wentylacja, woda użytkowa i instalacja od kolektorów solarnych lub paneli fotowoltaicznych). Przyjmuje się, że w domach jednorodzinnych powinny wystarczyć dwa piony sanitarne. Dlatego wszystkie pomieszczenia w domu, do których trzeba doprowadzić wodę i z których będą odprowadzane nieczystości, powinny być zlokalizowane jak najbliżej siebie. Położenie pionów sanitarnych decyduje również o umiejscowieniu poszczególnych urządzeń sanitarnych w łazience (wanny, toalety, czy kabiny prysznicowej).
6. Elewacja
Sprawdzam kompozycję elewacji i wprowadzam detale architektoniczne. W tym wypadku ściany zewnętrzne wykończone są cienkowarstwowym tynkiem mineralnym w kolorze białym oraz ciemnoszarym. Stosujemy również elewacyjne płyty HPL w kolorze brązowym po stronie wschodniej. Projektuję również subtelne detale oświetlenia elewacji. Dobieram odpowiednią stolarkę okienną – okna (dla całego zestawu rama+szkło) powinny charakteryzować się współczynnikiem przenikania ciepła 1,1W/mK. Czym niższa wielkość wskaźnika „U” tym okno posiada lepszą izolacyjność cieplną.
7. Instalacje energooszczędne i izolacje
Dopełnieniem dobrze zaizolowanego domu są odpowiednio dobrane instalacje energooszczędne. W naszych projektach stosujemy następujące rozwiązania:
- Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła razem z glikolowym gruntowym wymiennikiem ciepła – to oprócz dobrze zaizolowanych przegród zewnętrznych najważniejszy z elementów uniemożliwiających duże straty ciepła w budynku.
- Panele fotowoltaiczne (zamiast kolektorów słonecznych). Panele umożliwiają produkcję energii elektrycznej na potrzeby domu oraz w celach odsprzedaży do zakładu energetycznego. Panele są dosyć drogą inwestycją: kosztują ok. 25.000, po kilku latach w instalacji należy wymienić akumulatory. Niemniej jednak umożliwiają pokrycie całkowitego zapotrzebowanie na energię elektryczną naszego domu, czyli niweluje największe koszty generowane przez użytkowanie domu. Warto udać się do swojego urzędu miasta: niektóre z nich dotują zarówno zakup paneli fotowoltaicznych, jak i kolektorów słonecznych.
- Kocioł gazowy kondensacyjny współpracujący z niskotemperaturowym ogrzewaniem podłogowym. Ogrzewanie podłogowe pozwala na równomierne podgrzanie powietrza i co bardzo praktyczne dzięki niemu w domu mamy mniej kurzu.
- W budynku zastosowaliśmy kominek z zamkniętą komorą spalania, z doprowadzeniem powietrza z zewnątrz budynku. Wyposażyliśmy go również w płaszcz wodny, co umożliwi awaryjne podgrzanie wody. Nie wybraliśmy kominka z dystrybucją gorącego powietrza (DGP) ponieważ kolidowałoby to z rozprowadzanymi przewodami wentylacji mechanicznej.
8. Obliczenia
Podczas projektowania domu energooszczędnego trzeba wykonać szereg obliczeń do charakterystyki energetycznej budynku, m.in.:
– obliczenia zużycia energii na potrzeby ogrzewania budynku,
– straty ciepła do gruntu (wymiana ciepła przez grunt),
– dokładne obliczenia pojemności cieplnej budynku
– obliczenia dot. współczynnika U przegród budynku (współczynnik
przenikalności ciepła),
– wyznaczyć współczynniki przenikania ciepła Uw oddzielnie dla każdego okna i
pary drzwi,
– wyznaczyć współczynniki liniowej straty ciepła dla mostków cieplnych budynku,
– precyzyjnie wyznaczyć strumienie powietrza wentylacyjnego potrzebne do
określenia współczynnika strat ciepła na wentylację,
– precyzyjnie określić wielkość zysków ciepła od słońca (współczynnik
zacienienia od sąsiadujących budynków i drzew).
W naszej pracowni dysponujemy programem PHPP (pakiet do projektowania budynków pasywnych) i dwoma programami do wyznaczania współczynników liniowej straty ciepła przez przenikanie dla mostków cieplnych: SAT (System Analizy Technicznej) oraz amerykańskim THERM.
9. Wyniki
Mimo zaprojektowania sporych przeszkleń na obu kondygnacjach, dużej i nietypowej bryły budynku, osiągnęliśmy bardzo dobry wynik w zakresie charakterystyki energetycznej budynku: EUco kształtuje się na poziomie 24KWh/(m2rok). Pokazuje to, jak ważne w projekcie domu energooszczędnego są odpowiednie rozwiązania techniczne: właściwa izolacja ścian, dobrze dobrane instalacje raz stolarka okienna charakteryzująca się niskim współczynnikiem U sprawią, że nawet duży dom może się charakteryzować wysokimi parametrami energooszczędnymi.
Na przykładzie tego projektu można zobaczyć, jak kształtują się koszty ogrzewania domu i zużycia energii elektrycznej, w zależności od zamontowanych instalacji energooszczędnych. Możemy znacząco obniżyć koszty, jeśli zastąpimy kolektory słoneczne panelami fotowoltaicznymi. Przy zastosowaniu paneli fotowoltaicznych (koszt zakupu 12.500 zł brutto) o uzysku rocznym 2.145KWh, za energię elektryczną zapłacimy 955 zł (z kolektorami słonecznymi 1.741 zł). Razem z kosztami gazu (930 zł), roczny koszt ogrzewania to 1.886 zł (157 zł miesięcznie).
Instalacje z kolektorami słonecznymi:
en. elektryczna: 4754,83 KWh, koszt 1.741 zł
gaz: 8.339,19 KWh, koszt 930,80 zł
suma: 2.672 zł rocznie
Instalacje z panelami fotowoltaicznymi:
en. elektryczna: 4.754,83KWh – 2.145KWh (produkcja z ogniw fotowoltaicznych) = 2609,83KWh, koszt = 955 zł
gaz: 8.339,19 KWh, koszt 930,80 zł
suma: 1.886 zł rocznie
Łatwo zauważyć że po kupnie paneli w cenie za ok. 25.000 zł brutto (4435KWh) możemy pokryć niemal całkowicie zapotrzebowanie na energię elektryczną domu. Inwestycja zwraca się po 10 latach – bez dopłat rządowych. Wydajność paneli producenci określają zwykle na 25 lat.
Inwestycja w kolektory słoneczne (po dopłatach rządowych) zwraca się po 25 latach. Gwarancja na kolektory słoneczne to 5 lat.
Niestety program PHPP (pakiet do projektowania budynków pasywnych, który jest jedynym tego typu narzędziem na rynku) nie posiada jeszcze modułu do obliczania oszczędności w kosztach z tytułu użycia paneli fotowoltaicznych. Policzyliśmy je sami, ale w poniższych planszach (zrzutach z PHPP) ukazany jest koszt ogrzewania z zastosowaniem kolektorów słonecznych.
Dane przyjęte do obliczeń:
ściany: U=0,146
stropodach, taras: U=0,113
podłoga na gruncie: U=0,195
Okna:
Rama: Uf=1,6 (przyjęta wartość dobrej ramy pcv)
Szyba: Ug=0,74, współczynnik g=0,52
Średnia dla wszystkich okien: U=1,02 W/m2K
Instalacje:
Wentylacja mechaniczna z rekuperatorem
Rekuperator sprawność znamionowa 75%, efektywność elektryczna 0,40Wh/(m3)
Kocioł gazowy kondensacyjny – sprawność kotła przy 30% obciążeniu – 99%
Oświetlenie energooszczędne – ilość 80%
Jak widać projektowanie budynków energooszczędnych wymaga wyobraźni, fachowej wiedzy i bardzo dużej koncentracji – najmniejszy błąd w obliczeniach może zafałszować obliczenia do charakterystyki energetycznej budynku. Każdy projekt to efekt pracy aż 4 osób: architekta, konstruktora, instalatora i elektryka.