Fot. InstalacjeOpracowanie koncepcji budownictwa pasywnego przypisywane jest Niemcowi, Wolfgangowi Fiestowi z Darmstad. Należy jednak podkreślić, że idea ta jest otwarta dla każdego zainteresowanego – nie została opatentowana, więc mogą korzystać z niej wszyscy, których celem jest zbudowanie domu zapewniającego idealny komfort cieplny, przyjaznego dla środowiska, wymagającego dostarczenia minimalnej ilości energii rocznie. Jak to jest możliwe? Czym jest budynek pasywny i jakie są jego zalety? Czym różni się od domów tradycyjnych?

Co to jest dom pasywny?

Nie jest to jakaś nowatorska, całkowicie odbiegająca od wcześniej znanych koncepcja. Wręcz przeciwnie, idea budownictwa pasywnego bazuje na znanych i sprawdzonych technologiach budowlanych, z tym że ogromny nacisk kładzie na poprawienie izolacyjności przegród zewnętrznych i minimalizację strat energii. Nierozerwalnie wiąże się także z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii. Została zdefiniowana przed niemal 30 laty.

dom pasywny energetycznie – to obiekt o wyjątkowo niskim zapotrzebowaniu na energię cieplną przy jednoczesnym zagwarantowaniu bardzo wysokiego komfortu cielnego. W obiekcie tym aktywne źródła energii zostają zastąpione pasywnymi: czyli energią cieplną wytwarzaną przez przebywających w pomieszczeniach ludzi, pracujące urządzenia elektryczne, ciepło słoneczne i odzyskane z wentylacji. Budynek ogrzewa się i ochładza sam – w sposób bierny. Dzięki maksymalnej redukcji zapotrzebowania na ciepło – max. ilość energii niezbędnej do ogrzania nie może przekroczyć rocznie 15 kWh/(m2/rok) - (budynek pasywny zużywa zaledwie ok. 15% energii jakiej należy dostarczyć do ogrzania tradycyjnego domu o tej samej kubaturze) brak w nim tradycyjnych systemów grzewczych – stosowane są za to takie rozwiązania, jak dogrzanie powietrza wentylacyjnego, promieniowanie słoneczne, odzysk ciepła z wentylacji.

Fot. InstalacjeNie ma jednej technologii, w której musi być realizowane budownictwo pasywne – obiekty te mogą być wznoszone w technologii tradycyjne, szkieletu drewnianego czy stalowego. Tak więc materiały, które są używane do wybudowania domu pasywnego, są też stosowane przy realizacji inwestycji tradycyjnych. Różnica tkwi w szczegółach: odpowiednim projekcie budynku, jego umiejscowieniu względem stron świata, grubości przegród zewnętrznych, najwyższych parametrach izolacyjnych stosowanych materiałów, obowiązkowym stosowaniu wentylacji i rekuperacji.

Jak zminimalizować zapotrzebowanie na energię?

Aby uzyskać maksymalne w stosunku do budownictwa tradycyjnego zmniejszenie zapotrzebowania na energie cieplną, niezbędne jest spełnienie – przy projektowaniu i realizacji obiektu – kilku warunków. Należą do nich:
- odpowiednia konstrukcja bryły budynku: powinna być ona możliwie zwarta, pozbawiona załamań, o prostym obrysie i niewielkiej powierzchni ścian zewnętrznych; optymalny jest piętrowy prostopadłościan z dachem płaskim lub klasycznym dwuspadowym o niskim nachyleniu połaci; niepodpiwniczony, zamiast balkonów lepszym rozwiązaniem jest taras; jeśli jednak inwestor zdecyduje się na balkon, powinien być on zbudowany jako odrębna konstrukcja nie połączona z konstrukcją ścian domu; pomieszczenia mieszkalne oraz ogrody zimowe powinny być zgrupowane po stronie południowej; pomieszczenia gospodarcze i techniczne, w których nie jest wymagana zbyt wysoka temperatura ani oświetlenie światłem słonecznym – po północnej, pozbawionej okien;
- odpowiednie oszklenie i usytuowanie obiektu na działce – szyby o możliwie największej powierzchni powinny znajdować się od strony południowej; północna strona budynku powinna być pozbawiona okien; aby uniknąć nadmiernego nasłonecznienia latem, przed budynkiem po stronie południowej powinny znajdować się drzewa liściaste (latem zapewnią pożądany cień, zimą nie będą stanowić przeszkody dla promieni słonecznych), za nim zaś, po stronie północnej, iglaste, które osłonią przed nadmiernymi wiatrami, a tym samym wychłodzeniem; optymalnie, jeśli północna część budynku jest dodatkowo osłonięta wzniesieniem;
- zaopatrzenie przeszkleń w zabezpieczenia w postaci żaluzji, markiz, wysuniętych okapów itp.;
- zabezpieczenie obiektu przed stratami ciepła poprzez bardzo dobrą izolację termiczną ścian zewnętrznych, dachu i podłóg, stosowanie szczelnej stolarki otworowej, eliminację mostków cieplnych (stosuje się specjalne rozwiązania dla balkonów, ścian piwnicznych - tzw. "odcinanie" murów od fundamentów), a także taką konstrukcję ścian, by zapewniała akumulację ciepła.

Fot. InstalacjeW budynku pasywnym współczynnik przenikania ciepła ścian, stropów powinien kształtować się na poziomie U 0.1 W/(m²K). Przyjmuje się, że grubość izolacji ścian – przy zastosowaniu wełny mineralnej lub styropianu – powinna wynosić powyżej 30 cm, w przypadku dachu niezbędna jest warstwa wełny mineralnej lub styropianu o gr. min. 35 cm, a posadzki od gruntu – od 20 cm wełny lub styropianu. Okna muszą być pozbawione mikrowentylacji, o miejscowym współczynniku przenikania ram okiennych niższym od 0.8 W/(m2K) i niskoemisyjnych, potrójnych szybach wypełnionych gazem szlachetnym, o współczynniku przenikania ciepła nie przekraczającym U=0.75 W/(m²K) i ponad 50% stopniu przepuszczania promieniowania słonecznego. Muszą mieć też specjalną ramę, szczelnie zamontowaną w murze, należy także zwrócić uwagę na ich odpowiedni montaż w warstwie izolacji cieplnej w celu minimalizacji mostków termicznych.

Niezwykle ważne jest także zapewnienie szczelności infiltracyjnej – szczelność przegród musi zapewniać wymianę powietrza przez nie mniejszą niż 0,6 1/h przy różnicy ciśnień 50 Pa (budynek musi być hermetyczny, o szczelnej konwekcyjnie powłoce – niewskazane jest tzw. oddychanie ścian, a wszystkie przejścia, połączenia itp. muszą być szczelnie zaizolowane). Innymi, charakterystycznymi dla budownictwa pasywnego, rozwiązaniami jest stosowanie jak najskuteczniejszej kontrolowanej wentylacji mechanicznej z rekuperacją, odzyskującej min. 80% ciepła, wykorzystanie gruntowych wymienników ciepła, kolektorów i baterii słonecznych, pomp ciepła.

Fot. Instalacje

Cechy budynku pasywnego

Przede wszystkim budynek pasywny jest bardzo ekonomiczny – w związku z tym, że jego maksymalne roczne zapotrzebowanie na energię cieplną nie może przekroczyć 15 kWh na m2, oznacza to, że rocznie ogrzanie 1 m2 domu wymaga dostarczenia ok. 1,5 m3 gazu czy 1,5 litra oleju.

Kolejnym walorem jest fakt, że wewnątrz wszystkich pomieszczeń panuje optymalna i równomierna temperatura, stale dopływa też świeże powietrze. Dzięki rezygnacji z tradycyjnych systemów grzewczych, odzyskowi ciepła, stosowaniu energooszczędnych urządzeń – budynek jest przyjazny środowisku. Zaletą jest też brak przeciągów, brak wrażenia chłodu, wyeliminowanie ryzyka zawilgocenia czy zagrzybienia mieszkania, co ma niebagatelne znaczenie dla alergików, ale nie tylko. Taki dom zapewnia idealny dla człowieka mikroklimat wnętrza: przyjemny zarówno latem, jak i zimą – i to bez zastosowania klimatyzacji.

Fot. InstalacjePozostaje więc pytanie – skoro rozwiązanie to jest korzystne dla człowieka i dla środowiska, dlaczego idea budownictwa pasywnego stosunkowo wolno przebija się do świadomości inwestorów? Powodów jest kilka. Przede wszystkim w Polsce – w przeciwieństwie np. do Niemiec czy Austrii – brakuje po pierwsze wiedzy na ten temat, po drugie – zachęt finansowych. Eksploatacja budynku pasywnego jest zdecydowanie tańsza od tradycyjnego oraz bardziej ekonomiczna niż energooszczędnego, na etapie inwestycji wymaga on poniesienia znacznie wyższych kosztów. Tym samym długo czeka się na moment wymiernych oszczędności – niekiedy do 20 lat. W Polsce nie ma funduszy rządowych czy pozarządowych, które wspierałyby w istotny sposób tego typu budownictwo. Choć na energooszczędność kładzie się nacisk i wdrażanie rozwiązań mających na celu zmniejszenie zużycie energii jest popierane poprzez preferencyjne pożyczki czy kredyty, to nie ma programu, który popularyzowałby budownictwo ekstremalnie energooszczędne, jakim jest właśnie budownictwo pasywne.

Biorąc zaś pod uwagę niską wiedzę na temat tego sposobu budowania, długi czas zwrotu poniesionych kosztów, brak zachęt finansowych i ograniczenia projektowe (mało interesująca architektonicznie bryła budynku, konieczność określonego posadowienia go na działce itp.), trudno się dziwić, że inwestorzy wolą – zamiast pasywnego - wybudować dom energooszczędny, za to o takim kształcie bryły i połaci dachu, jaki im się podoba. A przy tym będzie to inwestycja tańsza w realizacji, choć droższa w eksploatacji.

W Niemczech, gdzie wzniesionych zostało już kilkaset tego typu obiektów, ocenia się, że realizacja budynku pasywnego jest droższa o ok 10% od standardowego, a ponadto inwestor może liczyć na zwolnienia podatkowe, ulgi i preferencyjne pożyczki. W Polsce koszty te są wyższe ok. 20-30% i nie ma co liczyć na pomoc z zewnątrz lecz jedynie na własne środki. W porównaniu z budynkiem energooszczędnym, który przecież też jest przyjazny dla środowiska i dość tani w eksploatacji, dom pasywny wymaga grubszej izolacji, droższej i bardziej szczelnej stolarki otworowej, wysokosprawnej instalacji wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, kolektorów i baterii słonecznych, pomp ciepła. To podraża jego wykonanie, nawet biorąc pod uwagę fakt, że nie ma potrzeby budowy komina i montażu tradycyjnej instalacji grzewczej.

Fot. Instalacje

Wentylacja mechaniczna

Wentylacja w budownictwie pasywnym musi spełnić trzy podstawowe zadania: do minimum ograniczyć straty ciepła i zapewnić maksymalny odzysk ciepła z powietrza zużytego, zagwarantować takim poziom wymiany powietrza w pomieszczeniach, jakiego wymagają stosowne przepisy, umożliwić rozprowadzenie ciepła w całym domu, tak by zapewnić komfort cieplny. Dlatego też w tym rodzaju budownictwa stosuje się wentylację mechaniczną nawiewno-wywiewną, która bazuje na wymuszonym podłączonymi do prądu urządzeniami mechanicznymi ruchu powietrza. Zarówno nawiew świeżego powietrza z zewnątrz, jak i usuwanie zużytego z wnętrza pomieszczeń odbywa się niezależnie od warunków zewnętrznych; możliwe jest kontrolowanie procesu i jego regulacja. Dostarczone dzięki systemowi nawiewników świeże powietrze doprowadzane jest do poszczególnych pomieszczeń kanałami wentylacyjnymi, a na zewnątrz wyprowadzane jest przez wywiewniki.

Ważnym elementem systemu są wentylatory. Nie tylko wymuszają one ruch powietrza, ale też – dzięki specjalnym czujnikom, które znajdują się w ich wyposażeniu – dostosowują wielkość strumienia powietrza do aktualnych potrzeb wynikających z poziomu wilgotności, temperatury, stopnia zanieczyszczenia.

Na skuteczność wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej ogromny wpływ ma poprawność jej zaprojektowania (m.in. odpowiednie przekroje i długości przewodów wentylacyjnych, właściwe rozmieszczenie nawiewników i kratek wywiewnych) oraz jakość i odpowiedni dobór urządzeń, przede wszystkim wentylatora.

W budownictwie pasywnym stosowana jest wentylacja mechaniczna z rekuperacją i gruntowym wymiennikiem ciepła. Rekuperator, wspomagany np. niewielką grzałką, zapewnia odzysk ciepła poprzez pobieranie go z powietrza usuwanego i oddawanie powietrzu nawiewanemu. W zależności od zastosowanego urządzenia, możliwe jest odzyskanie ciepła nawet na poziomie 90%. Wymiennik ma za zadanie podgrzanie w gruncie wlotowego powietrza wentylacyjnego zimą (w ten sposób wymaga ono dostarczenia mniejszej ilości energii w celu podgrzania go do temperatury pokojowej), oraz ochłodzenie go latem. Zasada działania systemu polega na tym, ze świeże powietrze - po przejściu przez wymiennik gruntowy, w którym zimą zostaje podgrzane do temperatury powyżej 0oC, a latem schłodzone - trafia do rekuperatora. W nim następuje podgrzanie świeżego powietrza ciepłem uzyskanym z powietrza zużytego, wywiewanego. Jeżeli zachodzi taka potrzeba, jest ono dodatkowo podgrzewane grzałką elektryczną.

Przewód wentylacyjny doprowadzony jest do każdego pomieszczenia mieszkalnego (pokój dzienny, gabinet, sypialnie, jadalnia), dostarczając do niego świeże powietrze oraz – w chłodnych miesiącach - ciepło. Z nich trafia do kuchni, korytarza, a ostatnimi pomieszczeniami są łazienki i wc.

Powietrze w całym budynku podlega wymianie raz w ciągu godziny. W przypadku budynków o powierzchni przekraczającej 120 m2 i skomplikowanej architekturze (nie polecanej w przypadku obiektów pasywnych) może zaistnieć potrzeba zwiększenia częstotliwości wymiany powietrza.

Ważnym elementem systemu wentylacji mechanicznej jest centrala wentylacyjna, która wymusza obieg powietrza. Jest ona wyposażona w rekuperator i najczęściej sprzężona z gruntowym wymiennikiem ciepła.

Fot. Instalacjerekuperator – urządzenie wchodzące w skład systemu wentylacji, przeznaczone do minimalizacji strat ciepła przez system wentylacyjny. Jego zadaniem jest odbieranie zimą ciepła z usuwanego powietrza zużytego i przekazywanie go czystemu powietrzu nawiewanemu. Latem ma miejsce proces odwrotny. Tym samym urządzenie zawsze prowadzi do wymiany ciepła pomiędzy dwoma strumieniami powietrza: nawiewanym i wywiewanym.

gruntowy wymiennik ciepła – to rozwiązanie uzupełniające system wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła. Najogólniej mówiąc jest to rodzaj przestrzeni na określonej głębokości gruntu, gdzie panuje stała temperatura (4-8 st. C). Do niej wprowadzane jest powietrze zewnętrzne, które latem się wstępnie ochładza, a zimą wstępnie podgrzewa. Różnica temperatury pomiędzy powietrzem pobranym z zewnątrz a tym przekazanym do kanału czerpnego do budynku może sięgać nawet 20 st. C. GWC mogą być rurowe, bezprzeponowe, żwirowe, antybakteryjne.

Lokalizacja centrali powinna być jak najbardziej optymalna biorąc pod uwagę długość kanałów. Należy też przewidzieć ją z dala od pomieszczeń mieszkalno-sypialnych, a przewody dobrze zaizolować, by uniknąć zjawiska przegrzewania czy wychładzania powietrza.

W domach pasywnych zapotrzebowanie na ciepło kształtuje się na poziomie 2-4 kW (maksymalnie 15 kWh/m2a w ciągu roku). Aby zapewnić komfort cieplny, dogrzewanie powietrza może odbywać się za pomocą nagrzewnicy elektrycznej. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie centrali wentylacyjnej wyposażonej w pompę ciepła powietrze/powietrze – droższej na etapie inwestycji lecz znacznie tańszej w eksploatacji. Powietrze wentylacyjne można też ogrzewać korzystając z ciepła wytwarzanego przez kocioł spalający biomasę, gaz, olej.

Fot. Instalacje

Ciepła woda

W domu pasywnym instalacja wentylacyjna i produkcji c.w.u. są z sobą połączone, dzięki czemu ciepło pochodzące z wywiewanego powietrza może być wykorzystane do produkcji ciepłej wody, a kolektory słoneczne mogą wspomagać ogrzewanie obiektu. W systemach zintegrowanych jako źródło ciepła stosowana jest najczęściej pompa ciepła lub inne wspomniane wyżej źródła. Źródłem dodatkowym są też kolektory słoneczne.
W skład instalacji solarnej – poza kolektorami płaskimi lub próżniowymi– wchodzą m.in.:
a) zbiornik na wodę - może to być dowolny, typowy bojler z wymiennikiem ciepła; zbiornik z dwa wymiennikami ciepła lub z trzema - umożliwiającymi podłączenie nawet trzech źródeł ciepła np. kolektora słonecznego, pieca c.o. i pompy ciepła;
b) wymiennik ciepła - spiralna żebrowana rura (najczęściej miedziana) znajdująca się w zbiorniku, przez którą przepływa czynnik grzewczy ogrzewający wodę w zbiorniku;
c) pompa - pompuje czynnik grzewczy przez kolektory i wymiennik ciepła, najlepsze efekty daje instalacja solarna z tzw. obiegiem wymuszonym chociaż spotykane są również instalacje z obiegiem grawitacyjnym;
d) regulator (układ mikroprocesorowy) - steruje całością instalacji oraz włącza pompę, gdy temperatura w kolektorze jest wyższa niż temperatury wody w zbiorniku.

Kolektory próżniowe w porównaniu z płaskimi są bardziej efektywne, próżnia zmniejsza bowiem straty ciepła do otoczenia. Oferowane są one w wersji przepływowej, gdzie czynnik grzewczy przepływa przez rury przejmując ciepło z absorbera, oraz w wersji „heatpipe”. W tym drugim systemie czynnik grzewczy nie przepływa bezpośrednio przez rury kolektora. W specjalnym absorberze krąży czynnik nośny, odparowujący pod wpływem promieniowania słonecznego i oddający ciepło czynnikowi grzewczemu w wymienniku. Wymiana ciepła słonecznego następuje w wysokosprawnym, dwururowym wymienniku ciepła obejmującym prawie całą powierzchnię kondensatora rury "heatpipe". Odbywa się ono "na sucho", tzn. bez bezpośredniego kontaktu z czynnikiem nośnym. Wymiennik ciepła umożliwia uzyskanie bardzo wysokiej sprawności - nawet przy słabym nasłonecznieniu. Ponadto przez obrót wokół osi rury można optymalnie ustawić absorber względem słońca, co dodatkowo jeszcze zwiększa stopień wykorzystania energii słonecznej.

Fot. Instalacje

Dom pasywny a kominek

Przypomnijmy, że podstawową cechą budynku pasywnego jest szczelność i odzysk ciepła z wentylacji. Wyklucza to możliwość stosowania wentylacji grawitacyjnej. Dlatego w domu pasywnym wykluczone jest zainstalowanie kominka z otwartą komorą spalania. Natomiast nic nie stoi na przeszkodzie, by wyposażyć go w kominek z zamkniętą komorą spalania, pobierający niezbędne do procesu spalania powietrze z zewnątrz i bezpośrednio na zewnątrz odprowadzający produkty spalania. Bardzo ważną sprawą jest prawidłowa izolacja kanałów, wykluczająca zaistnienie mostków termicznych. Ciepło, emitowane przez kominek, może być wykorzystywane do ogrzewania czy to poprzez bezpośrednie emitowanie ciepła, czy za pomocą zaprojektowanych kanałów.