Budownictwo pasywne

Pierwszym sposobem obniżania kosztów eksploatacyjnych jest szukanie tańszych nośników energii (miał węglowy, biomasa). Przy wyborze takich surowców należy brać pod uwagę nie tylko cenę, ale również wpływ na środowisko naturalne. Spalanie surowców emituje do atmosfery szkodliwe gazy. Ale to nie jedyne kryterium ekologiczności - ważna jest również "zawartość" w surowcu tzw. energii pierwotnej, czyli energii, która nie jest możliwa do regeneracji. Wszystkie surowce kopalne (węgiel, ropa naftowa) zawierają bardzo dużo energii pierwotnej. Słoma, drewno, rośliny energetyczne posiadają jej bardzo mało (surowce odnawialne). Drugim sposobem na oszczędzanie, jest wznoszenie budynków, które będą zużywały jak najmniej energii cieplnej.

Bardzo dobrym przykładem są budynki pasywne, które zużywają osiem razy mniej energii cieplnej na ogrzewanie, niż konwencjonalne budynki. Budynek pasywny to taki, który wykorzystuje energię słoneczną do ogrzewania budynku.

Podstawowe kryteria budynku pasywnego:

• roczne zapotrzebowanie na energię cieplną do ogrzewania max: 15 kWh/(m²a) (a oznacza rok), czyli przeliczając wg wartości energetycznej gazu ziemnego: 1,5 m³ gazu na m² powierzchni użytkowej na rok.
• Roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną max: 120 kWh/(m²a) (każdy nośnik energii (gaz, energia elektryczna, drewno, itp.) jest przeliczony według konkretnego współczynnika energii nie nadającej się odnowić) szczelność budynku na przenikanie powietrza max: n50 ≤ 0,6/n
• okna o specjalnych wymaganiach określonych przez Instytut Budownictwa Pasywnego w Darmstadt (Passivhaus Institut)

Okna takie muszą być:

• ciepłochronne, aby zmniejszyć straty ciepła (cechę tę określa współczynnik przenikania ciepła U W/(m²K)),
• przepuszczać energię słoneczną do wnętrza domu – współczynnik g określa procentową przepuszczalność energii całkowitej,
• inaczej zamontowane w murze lub ścianie lekkiej niż tradycyjne okna. Aby mieć pewność, że okno jest przeznaczone do budynku pasywnego, musi posiadać odpowiedni certyfikat. Istnieją trzy grupy certyfikowanych produktów: szyby, ramy oraz drzwi.

Wymagania dla szkła

Wartość współczynnika przenikania ciepła dla szyby powinien być U=0,8 W/(m²K)-kryterium komfortu cieplnego. Zaleca się stosować szyby o współczynniku co najwyżej 0,7. Wartość ta zapewnia jak najmniejsze straty ciepła oraz zapewnia odpowiedni komfort cieplny w pomieszczeniu (nawet bez potrzeby instalowania konwencjonalnych grzejników). Dzięki wysokiej izolacyjności okna, nie ma potrzeby stosowania grzejników pod oknami – zapobiegały one (w zwykłych budynkach) „spływowi” zimnego powietrza w dół i uczucia zimnych stóp. Aby zapewnić wykorzystanie energii słonecznej do efektywnego ogrzania pomieszczeń, należy spełnić kolejny warunek: Ug – 1,6 W/(m²K) (kryterium energetyczne) gdzie: Ug – współczynnik przenikania ciepła dla szyby, g – współczynnik przepuszczalności energii (zalecana wartość g > 50 %). Kryterium to zapewnia zyski z energii słonecznej dla południowej, nie zacienionej fasady również zimą (listopad, luty). Straty ciepła przez szybę są mniejsze niż energia docierająca do pomieszczenia.

Nazwa „pasywny” pochodzi od sposobu wykorzystania energii słonecznej – nie są użyte żadne aktywne sposoby (urządzenia) do zamiany jej na jakąkolwiek inną formę ciepła. Energia cieplna pochodząca od słońca wpada poprzez okna do wnętrza budynku. Kolektory słoneczne nie są wcale niezbędne do funkcjonowania budynku pasywnego. Pomagają one częściowo pokryć zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową. Takie urządzenia można zastosować w każdym budynku.

Okna budynków pasywnych działają jak kolektory słoneczne – pasywnie uzyskana energia słoneczna ma najbardziej znaczący udział w wyrównaniu strat ciepła. Celem nie jest jednak pozyskanie jak największej ilości energii słonecznej za każdą cenę – znacznie ważniejsze jest utrzymanie możliwie znikomego, pozostałego zapotrzebowania na energię cieplną. W Europie Środkowej budynek, który w zimie wymaga w bardzo niewielkim już stopniu aktywnego dogrzewania, w okresie przejściowym i letnim nie wykazuje żadnego dalszego zużycia ciepła (niezależnie od przyjętego rozwiązania). Powyższe dotyczy miesięcy od marca do listopada. Decydujące dla wielkości pozostałego zużycia są zatem miesiące zimowe, a więc grudzień, styczeń i luty. W zrealizowanych i zamieszkanych domach pasywnych poza tymi miesiącami, żadne ogrzewanie już nie funkcjonuje. Niestety w okresie środkowoeuropejskiej zimy zyski z energii słonecznej są niewielkie. Sytuację utrudnia kolejny problem wynikający z warunków klimatycznych: w miesiącach o małym nasłonecznieniu występują niskie temperatury zewnętrzne. W związku z powyższym straty ciepła są w tym okresie najwyższe. Nawet najlepsze transparentne przegrody mają wciąż wyraźnie wyższą przewodność cieplną w porównaniu z nieprzezroczystymi ścianami czy dachami. Konieczne jest utrzymanie strat ciepła, również przez powierzchnie przezroczyste, na jak najniższym poziomie: wymagane są przeszklenia wysokiej jakości gwarantujące przede wszystkim niską przewodność cieplną (niski współczynnik U) przy jednoczesnej wysokiej przenikalności energii słonecznej. Pozostałe straty ciepła związane z oknem muszą być jak najniższe: mostki termiczne spowodowane łącznikami szyb zespolonych, ramami okiennymi itp. znacząco podwyższają straty ciepła. Przeszklenie nie może w takim wypadku pełnić niezbędnej roli kolektora, przynosząc jedynie podwyższone straty ciepła. Wnioski są jednoznaczne: jakość jest wyraźnie ważniejsza niż wielkość przeszklenia (udział okien w powierzchni elewacji). Trzeba tu podkreślić, że domy pasywne nie muszą być bynajmniej za wszelką cenę wyposażone w duże, południowe okna.

Następująca tabela przedstawia przykładowe przeszklenia, które można stosować w budynkach pasywnych:

• okna przeznaczone dla budownictwa pasywnego dostarczają więcej energii słonecznej do pomieszczeń niż powodowane przez nie straty ciepła, nawet w okresie pełni środkowoeuropejskiej zimy,
• temperatura powierzchni okna jest zawsze na tyle wysoka, także w okresach chłodu, by nie dochodziło do odczuwalnego odbierania ciepła z pomieszczenia, ani do konwekcyjnego ruchu powietrza. Zyski ciepła z energii słonecznej może zniweczyć niedopuszczalne podwyższenie strat ciepła spowodowane złymi ramami okiennymi lub mostkami termicznymi w rejonie okna. Standardowe ramy okienne charakteryzuje współczynnik przewodności cieplnej od 1,5 do 2 W/(m2K). Utrata ciepła m² ramy jest więc ponad dwa razy większa niż przeszklenia odpowiedniego dla budynków pasywnych (0,7 W/(m²K)). Dochodzi do tego znaczący mostek termiczny spowodowany ramką łączącą szyby. Aby zyski ciepła z energii słonecznej nie zostały natychmiast utracone w wyniku wyżej wspomnianych dodatkowych strat, trzeba zastosować ramy okienne o szczególnie wysokiej jakości termicznej. Jakość budynku pasywnego wymaga ram okiennych, które po zamontowaniu szyb o współczynniku Ug=0,7 W/(m²K), umożliwią osiągnięcie wartości współczynnika U dla całego okna mniejszej niż 0,8 W/(m²K). Bezpośrednim uzasadnieniem dla tych kryteriów są wymogi komfortu cieplnego. Projektując budynek należy zwrócić szczególną uwagę na zapewnienie możliwie wolnego od mostków termicznych sposobu zamontowania okna w ścianę zewnętrzną. Pasywne wykorzystanie energii słonecznej jest szczególnie potrzebne zimą. Porównując zyski ciepła z energii słonecznej w zależności od zorientowania powierzchni staje się jasne, że kierunek południowy zimą osiąga zdecydowanie lepsze rezultaty. Dodatkowo słońce zimą operuje nisko nad horyzontem, dzięki czemu przenikanie promieni słonecznych przez szybę odbywa się niemal prostopadle i przepływ energii jest bardzo korzystny. Mniej znany, ale równie ważny jest fakt, że latem przeszklenie zorientowane na południe jest także optymalne. Na naszej szerokości geograficznej w pełni lata słońce pojawia się na elewacji południowej stosunkowo późno, stoi wówczas bardzo wysoko – efektem jest wąskie pasmo promieni i niewielka ilość energii. Dlatego też latem obciążenie słoneczne przeszkleń zorientowanych na południe jest niewielkie – nad warunkami termicznymi we wnętrzach można zapanować. Duże przeszklenia zorientowane na wschód lub zachód są niekorzystne. Nie tylko zyski ciepła zimą są małe, szkodliwe jest przede wszystkim bardzo duże obciążenie słoneczne latem, ponadto rozwiązanie zacienienia jest istotnie trudniejsze, niż w przypadku okien południowych. Północne okna nie mają powyższej wady, jednak zimowe zyski ciepła z energii słonecznej są bardzo małe, z tego właśnie powodu północne przeszklenia nie powinny być zbyt duże. Podsumowując, najbardziej optymalne w budownictwie pasywnym są (nie przesadnie duże) okna południowe, mało zacienione, z potrójnym ciepłochronnym szkleniem i bardzo dobrze zaizolowaną ramą okienną charakteryzujące się jak najmniejszym udziałem powierzchni ramy w stosunku do powierzchni całego okna.