Środkiem do realizacji celu przekształcenia budynków w budynki o niemal zerowym zużyciu energii jest ich głęboka termomodernizacja. Definiowana jest ona jako zmniejszenie zapotrzebowania na energię o co najmniej 60% w stosunku do statusu quo lub spełnienie przez istniejący budynek wymagań stawianych przez prawo budowlane budynkom nowym, które dotyczy zarówno izolacyjności cieplnej przegród jak również zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną (wskaźnik EP).

W praktyce głęboka termomodernizacja polega na dociepleniu przegród zewnętrznych, wymianie stolarki, modernizacji systemów ogrzewania, ciepłej wody i wentylacji. Działania te, potwierdzane audytem energetycznym, prowadzą do znaczących oszczędności energii do ogrzewania. Poza analizą pozostaje często wpływ przeprowadzonych działań termomodernizacyjnych na zapotrzebowanie na chłód lub ryzyko przegrzewania budynku w okresie letnim. Symulacje energetyczne budynku wykazują, że zmiana izolacyjności cieplnej przegród z wartości wymaganych przez przepisy [3] dotyczące współczynnika przenikania ciepła U na wymagania budownictwa pasywnego, skutkuje redukcją zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania o 24,9%, ale także zwiększeniem zapotrzebowania na energię do chłodzenia o 27,7%! Termomodernizacja przeprowadzona bez zabezpieczenia budynku przed przegrzewaniem, skoncentrowana wyłącznie na ograniczeniu strat ciepła, oznaczać może zwiększenie zużywanej energii użytkowej lub pogorszenie komfortu użytkowania obiektu w okresie letnim.

Brak uwzględnienia energii do chłodzenia w trakcie projektowania i realizacji prac termomodernizacyjnych wynika najczęściej z braku występowania aktywnych systemów chłodzenia lub klimatyzacji w termomodernizowanych budynkach. Jeżeli przed termomodernizacją energia do chłodzenia nie była zużywana, w audytach energetycznych budynków i audytach efektywności energetycznej nie szacuje się jej zapotrzebowania po realizacji prac dociepleniowych. Problem zwiększonego zapotrzebowania na chłód jednak istnieje i rozwiązywany jest montowaniem dodatkowych urządzeń klimatyzacyjnych w budynkach, które przed termomodernizacją nie wymagały aktywnego chłodzenia.

Zjawisko przegrzewania docieplonych budynków wynika ze zmiany fizyki cieplnej obiektu, w którym zwiększa się wskaźnik wykorzystania zysków ciepła w budynku, akumulującym energię w przegrodach. Dobrze ocieplony budynek porównany może zostać do termosu wyposażonego w elementy pojemnościowe, który przez wiele godzin jest w stanie zatrzymać energię wewnątrz. Im wyższa pojemność cieplna obiektu, tym więcej energii jest w nim „magazynowane”, co jest cechą pożądaną w okresie zimowym, jednak latem oznacza wielogodzinne wypromieniowywanie z przegród zysków ciepła, zakumulowanych w ciągu dnia. Zjawisko to pogarsza latem odczucia cieplne użytkowników. Pojemność cieplna obiektu można być jednak energetycznym sprzymierzeńcem, nawet latem, jeżeli tylko nauczymy się ją prawidłowo wykorzystywać, np. poprzez nocne naturalne wietrzenie budynków, tzw. „free cooling”.

Model obliczeniowy

Obliczenia wpływu funkcjonowania systemu wentylacji budynku na zapotrzebowanie na energię wykonano metodą symulacyjną godzinową, wykorzystując program DesingBuilder. Dla skrócenia czasochłonności obliczeń przyjęto budynek jednokondygnacyjny, o prostej bryle i jednej strefie użytkowej (biurowej) o powierzchni netto 92,5 m². Założono, że:

• współczynnik przenikania ciepła U przegród zewnętrznych odpowiada wymaganiom przepisów WT2021;
• szczelność powietrzna wynosi n₅₀=2,0h^-1;
• wskaźnik ilości osób 0,108 os/m², przebywających w obiekcie od godz. 7:00 do 18:00;
• wewnętrzne zyski ciepła wynoszą 9,0 W/m²;
• jednostkowa moc wentylatorów wentylacji mechanicznej wynosi 1,30 W/m²;
• oświetlenie wewnętrzne jest włączone w godzinach użytkowania obiektu;
• analizowano wentylację naturalną i mechaniczną z odzyskiem ciepła, pracujące z wydajnością 30 m³/h/os i różnym harmonogramem funkcjonowania;
• okna o łącznej powierzchni 18,0 m² zorientowane są na wszystkie strony świata w takiej samej lokalizacji w przegrodzie i stosunku powierzchni. Nie są one wyposażone w elementy zacieniające i charakteryzują się współczynnikiem przepuszczalności promieniowania słonecznego równym 0,75;
• projektowane temperatury powietrza wewnętrznego wynoszą 20°C dla zimy i 26°C dla lata.

Zaprezentowane dalej wyniki zapotrzebowania na energię do ogrzewania i chłodzenia odpowiadają energii użytkowej. Poddane analizie warianty trybu funkcjonowania wentylacji opisano poniżej.

Wentylacja naturalna

W przypadku wentylacji naturalnej, ogrzewanie i chłodzenie powietrza świeżego jest najbardziej energochłonnym procesem w budynku o wysokiej charakterystyce energetycznej. Dla całodobowej wentylacji (wariant 1) straty ciepła drogą wentylacji są niemal 2,5 razy większe od strat ciepła przez przenikanie przez przegrody budowlane. Ograniczenie ilości ciepła zużywanego do ogrzewania budynku wymaga zmniejszenia strumienia powietrza wentylacyjnego w okresach, gdy nie wpływa to na komfort użytkowników. Literatura i praktyka zaleca krótkie, ale intensywne wietrzenie pomieszczeń w okresie zimowym. Budynek należy także wietrzyć latem, szczególnie w nocy. Wówczas zimne świeże powietrze odbiera zyski ciepła zakumulowane w przegrodach budynku. Latem strumień powietrza naturalnego jest jednak ograniczony niewielką siłą grawitacyjnego ruchu powietrza, z powodu niewielkich różnic temperatury pomiędzy powietrzem wewnętrznym a zewnętrznym. Intensywność wymiany powietrza zależy wtedy od prędkości wiatru i różnicy ciśnień stworzonych w budynku (przeciągów). Zaleca się otwieranie okien latem nie tylko w dzień, co jest naturalnym odruchem w użytkowników w warunkach wysokiej temperatury powietrza. Okna powinny zostać otwarte również w nocy, umożliwiając przewietrzanie i wychłodzenie budynku. Zamykanie okien na noc powoduje wzrost oporów napływu świeżego powietrza do budynku i ograniczenie intensywności wentylacji. Nie wolno zapominać jednak o zamykaniu okien zimą, ponieważ nominalny strumień powietrza świeżego, wynikający z warunków higienicznych w czasie przebywania ludzi w budynku, nawiewany również w nocy, spowoduje bardzo duże zużycie ciepła, co prezentuje wariant 1 i 2 przedstawiony na wykresie 1.

Wykres 1. Zapotrzebowanie na energię przy wentylacji naturalnej

Wykres 1 przedstawia zapotrzebowanie na energię użytkową budynku w podziale na zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania i chłodzenia. Najwyższą energochłonność wykazuje wariant 2, w którym w okresie grzewczym wentylacja pracuje przez całą dobę z nominalną wydajnością, latem zaś ograniczona jest do godzin, w których w budynku przebywają ludzie. Wariant ten, mimo iż jest najbardziej energochłonny odpowiada najczęściej realizowanej wentylacji budynków. Zimą powietrze świeże dostaje się do wewnątrz przez otwarte elementy nawiewne, które jeżeli sterowane są ręcznie, najczęściej pozostają otwarte przez całą dobę. Dodatkowo, wymiana powietrza wspierana jest wietrzeniem przez otwierane okna. Latem zaś, naturalna siła ciągu powietrza jest często zbyt niska, by mogło być ono nawiewane przez elementy nawiewne (jak np. nawiewniki szczelinowe) więc użytkownicy otwierają okna. Są one jednak często zamykane na noc, blokując nawiew świeżego powietrza do środka w okresie, w którym budynek nie jest użytkowany.

Najniższe zapotrzebowanie na chłód występuje, gdy powietrze nawiewane będzie z nominalną wydajnością przez całą dobę. Wyniesie ono wówczas 2607 kWh i będzie o 42% niższe od zapotrzebowania na energię do chłodzenia, w przypadku braku wietrzenia budynku w nocy. Należy pamiętać, by zimą strumień powietrza świeżego dostającego się do budynku był jak najmniejszy, szczególnie w okresie gdy budynek nie jest wykorzystywany. Różnica pomiędzy najniższym zapotrzebowaniem na ciepło do ogrzewania (wariant 3), a zapotrzebowaniem najwyższym (wariant 1) wynosi aż 273%. 

Najniższe zapotrzebowanie na energię otrzymano w wariancie 5. Zakłada on brak wentylacji zimą w okresach nocnych, gdy w budynku nie przebywają ludzie, a także nocny strumień powietrza świeżego wynoszący 50% wartości strumienia nominalnego w okresie letnim. Taki sposób pracy wentylacji pozwala osiągnąć bardzo duże oszczędności ciepła do ogrzewania i redukcję zapotrzebowania na chłód latem. Wymaga on jednak starannej i systematycznej obsługi budynku przez użytkowników. Muszą oni pamiętać o tym, by po zakończeniu pracy, tuż przed opuszczeniem budynku, zamykać dopływ powietrza świeżego do pomieszczeń zimą, a także by pozostawiać uchylone okna i drzwi wewnętrzne[2]  na noc w okresie letnim.

Wentylacja mechaniczna

Wentylacja mechaniczna posiada trzy zasadnicze przewagi nad naturalną. Należy do nich możliwość precyzyjnego sterowania strumieniem powietrza wentylującego, filtracja powietrza świeżego oraz odzysk ciepła z powietrza usuwanego. Zalety te opłacone są jednak kosztem w postaci zużywanej energii elektrycznej przez wentylatory, wymuszające przepływ powietrza w budynku. Co więcej nie jest to koszt bez znaczenia, ponieważ może stanowić nawet 70% wartości energii użytkowej do ogrzewania[3], co zaprezentowano na wykresie 2.

Wykres 2. Zapotrzebowanie na energię przy wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła

Otrzymane wyniki zapotrzebowania na energię użytkową w budynku z wentylacją mechaniczną prezentują pozytywny wpływ nocnego wentylowania budynku w okresie letnim. Wydłużenie czasu pracy wentylatorów pracujących nocą powoduje dodatkowy wzrost zużycia energii do ich pracy, jednak jest on niższy od oszczędności energii do chłodzenia, uzyskiwanych przez nocną wymianę powietrza. Oszczędność chłodu wyniesie bowiem 685 kWh/rok w stosunku do zwiększanego zużycia energii przez wentylatory o 118 kWh/rok[4]. Oszczędność ta topnieje jednak w odniesieniu do energii końcowej, czyli tej którą ostatecznie konsumuje budynek (urządzenie chłodnicze). Zakładając współczynnik sezonowej sprawności energetycznej SEER urządzenia chłodniczego (np. pompy ciepła powietrze/woda) równy 3,8[5], oszczędność energii końcowej (elektrycznej) do chłodzenia wyniesie 180 kWh/rok, a oszczędność netto[6] 62 kWh/rok.

Podobnie jak w przypadku wentylacji naturalnej, najniższe zapotrzebowanie na energię wystąpiło w wariancie 5. Łączne zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania i chłodzenia budynku oraz zużycie energii przez wentylatory central wyniesie wówczas 5 160,81 kWh/rok. Co ciekawe zużycie to jest tylko o 10% niższe od łącznego zużycia energii użytkowej dla wariantu 5 wentylacji naturalnej. Sprawdźmy więc, jakie będzie zapotrzebowanie na energię końcową[7] pomiędzy systemami wentylacji budynku, w odniesieniu do energii końcowej, czyli tej która decyduje o koszcie eksploatacji obiektu. Porównanie to zaprezentowano na wykresie 3.

Wykres 3. Zużycie energii końcowej w wariancie 5

Otrzymane wyniki wskazują także, że system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła może być bardziej energochłonnym sposobem wentylacji budynku, niż wentylacja naturalna (jednak jest to niemal niemożliwe do osiągnięcia w warunkach rzeczywistych). Przyczyną wysokiego zużycia energii w systemie wentylacji mechanicznej jest energochłonność wentylatorów central wentylacyjnych, a także to, że w obliczeniach nie uwzględniono pracy odzysku ciepła latem. W godzinach występowania zapotrzebowania budynku na chłód, gdy powietrze usuwane jest zimniejsze od powietrza zewnętrznego, oba strumienie powinny być kierowane na urządzenie do odzysku ciepła. Działanie to zmniejszy zapotrzebowanie na energię do chłodzenia powietrza nawiewanego. W przypadku, gdy centrala wentylacyjna nie realizuje tego trybu pracy (a zdarza się tak w rzeczywistych obiektach), wentylacja mechaniczna z wysokosprawnym odzyskiem ciepła może być systemem bardziej energochłonnym od dobrze wykorzystywanej wentylacji naturalnej. Podkreśla się jednak, że w odróżnieniu wentylacji mechanicznej, wentylacją naturalną bardzo ciężko sterować i korzystne efekty chłodzenia nocnego, wykazane w niniejszej analizie, nie zostaną osiągnięte w przypadku niekorzystnych warunków pogodowych (braku wystarczającej naturalnej siły powodującej ruch powietrza).

Podsumowanie

Wyniki przeprowadzonych analiz prowadzą do poniższych wniosków:

• naturalne chłodzenie budynku nocą pozwala na redukcję zapotrzebowania na chłód nawet o 42%;
• wielkość oszczędności w przypadku wentylacji naturalnej zależy od intensywności wymiany powietrza, ograniczonej do naturalnych sił powodujących ruch powietrza;
• w budynkach wyposażonych w wentylację naturalną należy pamiętać o zamykaniu elementów nawiewnych w okresach, gdy budynek nie jest wykorzystywany zimą, a także o pozostawianiu uchylonych okien[8] na noc w okresie letnim;
• w budynkach z wentylacją mechaniczną, pozytywny wpływ nocnego chłodzenia należy określać indywidualnie, biorąc pod uwagę energochłonność dystrybucji powietrza w budynku;
• w pewnych, ustalonych warunkach (jak dla wariantu 5) wentylacja naturalna może okazać się mniej energochłonnym systemem, w porównaniu do wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Należy jednak pamiętać, że regulacja strumienia powietrza w przypadku wentylacji naturalnej jest ograniczona i osiągnięcie zużycia energii, takiego jak w symulacjach komputerowych jest bardzo trudne.

Autor:

Piotr Krysik, Dział Budownictwa KAPE

Bibliografia

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/844 z dnia 30 maja 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków i dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej (Dz. U. L 156/75 z 19.6.2018)
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (Dz.U. 2015 poz. 376 z późn. zm.)
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie ( tj. Dz.U. 2019 poz. 1065 z późn. zm.)