Dom produkujący energię. Pasywny dom zerooenergetyczny czy plusenergetyczny?
Ten dom pasywny nie tylko oszczędza energię, ale także ją pozyskuje. Potrafi stać się czymś więcej niż domem zeroenergetycznym - domem plusenergetycznym, czyli produkować więcej energii, niż sam zużywa. Zawdzięcza to między innymi zastosowaniu technologii quad-deck, pompy ciepła i ogniw fotowoltaicznych.
Architekt adresuje swój projekt do przewidujących inwestorów – takich, którzy chcą za kilka, kilkanaście lat czerpać zyski z pozyskiwanej przez ich dom energii. Jej sprzedaż do sieci ma umożliwić planowana ustawa o odnawialnych źródłach energii. Jednak już wcześniej dom będzie atrakcyjny ekonomicznie – jego standard NF15 oznacza, że zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji nie przekroczy rocznie 15 kWh/m2.
Prosta bryła domu pasywnego
Dom nawiązuje kształtem do tradycyjnego domu. Jednak pozostała jedynie jego kwintesencja – prosta bryła z dwuspadowym dachem. Architekci zrezygnowali z okapów, a rynny i rury spustowe skrzętnie ukryli. – W tym projekcie tradycyjny kształt został zredukowany do elementarnej formy. Podkreślają to jednakowe materiały wykończeniowe połaci i sąsiadujących z nimi elewacji – mówi Piotr Kuczia. Charakterystyczne elementy, które nadają domowi oryginalny i nowoczesny wygląd, to imponujące narożne okno tarasowe i przełamana ściana szczytowa. Na takie rozwiązanie wpłynęło nie tylko zamiłowanie projektantów do wyrazistych form architektonicznych. Dzięki przełamaniu ściany szczytowej skrócona została najzimniejsza elewacja północna.
Dom zwrócony ku słońcu
Piotr Kuczia nazywa Mądriana „domem o czterech odmiennych twarzach”. Dlaczego? Projekt każdej z elewacji został podporządkowany orientacji względem słońca. Różnią je wielkość, liczba i położenie otworów okiennych oraz rodzaj materiału wykończeniowego. Elewacja południowa jest najbardziej otwarta na słońce. We wszystkich wersjach projektu ona oraz sąsiadująca połać dachu są wykończone ogniwami fotowoltaicznymi. Drugie miejsce pod względem otwarcia na promienie słońca zajmuje ściana zachodnia, kolejne wschodnia z mniejszą liczbą przeszkleń. Na obu tych elewacjach architekt zaleca wykorzystanie takich samych materiałów wykończeniowych, na przykład cegły. Elewacja północna jest zamknięta – pozbawiona okien i dzięki temu najlepiej izolowana. Jest odmienna od pozostałych. W jednej z wersji projektu architekt zaproponował wykończenie jej surowymi deskami, a sąsiadującej z nimi połaci dachu – deskami tarasowymi.
Kontrowersyjne rozmieszczenie okien
Niektóre rozwiązania wzbudzają kontrowersje, na przykład zamontowanie okien dachowych na północnej połaci dachu. Architekci jednak sprawdzili je w praktyce. Okna dachowe od strony północnej mają w swoim mieszkaniu w Niemczech i nie widzą żadnych przeciwwskazań, aby usytuować je z dowolnej strony domu. Wbrew powszechnej opinii przekonują, że można je umieścić nawet na północnej połaci domu pasywnego. Piotr Kuczia przyznaje, że w swoich projektach stara się pozostać bezkompromisowy wtedy, gdy estetyka pociąga za sobą pewne małe, sporadyczne niedogodności. Dobrze ilustruje to przykład wysoko położonych okien dachowych w osi schodów. Na co dzień gwarantują piękny widok na niebo i w niepowtarzalny sposób rozświetlają wnętrze. Dlatego warto znieść niedogodności podczas ich mycia – raz na kilka miesięcy.
Dom na odpowiednią działkę
Aby dom pozyskiwał energię z ogniw fotowoltaicznych, muszą być one odpowiednio nasłonecznione. Dlatego istotne są wymiary działki. Minimalną jej powierzchnię architekt oszacował na 490 m2 – przyjmując, że elewacja południowa będzie oddalona od granicy działki o 6 m, a zachodnia – o 4 m. Optymalna powierzchnia działki to około 780 m2, przyjmując, że zalecana odległość domu od południowej granicy działki to 14 m, a od zachodniej – 9 m. Są to jedynie dane szacunkowe – optymalne usytuowanie, zwłaszcza w przypadku domu energooszczędnego, zależy od warunków działki i jest elementem projektu architektonicznego.
Beton, styropian i drewno
Konstrukcja domu to betonowy monolit przykryty dachem z dwuteowych belek z drewna i płyt drewnopochodnych. Elementy fundamentu, zewnętrznych ścian oraz stropu między parterem a pierwszym piętrem będą betonowane na budowie w styropianowych formach, których się nie zdejmuje nawet po stwardnieniu betonu – są tak zwanym szalunkiem traconym. Zostają one jako integralny element przegrody, pełniąc funkcję izolacji termicznej. Wykonana w ten sposób monolityczna skorupa domu jest wytrzymała i ciepła oraz, co ważne w domu pasywnym, bardzo szczelna. Beton zapewnia całej konstrukcji trwałość na wiele lat, odpowiednią sztywność i odporność na czynniki atmosferyczne – nawet na huraganowe wiatry.
System szalunku traconego
Określa się tak systemy betonowania ścian w formach styropianowych. Bywają czasami nazywane systemami ICF (Insulated Concrete Forms). Ich zaletą jest sztywność konstrukcji, odporność na infiltrację powietrza oraz bardzo dobra izolacyjność. Konstrukcje monolityczne w formach styropianowych pozwalają na dużą swobodę w projektowaniu bryły budynku. Możliwe jest wykonanie ścian o nietypowych kształtach – styropianowe płyty szalunkowe można nacinać i dowolnie wyginać. Stropy w tej technologii przy zachowaniu odpowiedniej nośności są bardzo lekkie. Taka konstrukcja nadaje się na stropodachy, na których planowane są ogrody. Oprócz swojego ciężaru musi ona przenieść duże obciążenia od roślin oraz warstw gleby i izolacji. Dlatego świetnie sprawdzają się tu technologie redukujące masę samej konstrukcji. Domy zbudowane w tej technologii mogą przetrwać wiele lat – beton jest praktycznie niezniszczalny.
Płyta betonowa na poduszce z periporu
W Mądrianie projektanci zaproponowali płytę betonową w elementach szalunkowych z periporu o grubości 40 cm (Megatherm). Peripor to bardzo wytrzymały i gęsty styropian EPS. Produkowane z niego elementy łączy się ze sobą systemem zamków bez użycia pianek i klejów. Jest on w stanie przenieść ogromne obciążenia, z jakimi napiera od góry płyta fundamentowa, jednocześnie jest bardzo ciepły. Zaproponowana w Mądrianie przegroda jest bardzo ciepła. Jej U wynosi 0,091 W/(m2.K). Ciągłość izolacji pod całą powierzchnią płyty oraz z boków gwarantuje brak mostków cieplnych. Płyta betonowa nie tylko zastępuje warstwy posadzkowe. Jej masa wykorzystywana jest też jako akumulator ciepła. Podczas betonowania płyty zostaną w niej umieszczone przejścia przyłączy oraz część kanałów wentylacyjnych.
Styropian – beton – styropian
Na wybrany do projektu system ścian Quad-Lock składają się cztery elementy – styropianowe panele tworzące formę, w której układany jest beton, nakładane na panele klamry z tworzywa łączące ze sobą warstwy, kątowniki stabilizujące narożniki (również nakładane na panele) i metalowe prowadnice służące jako podwalina i będące elementami startowymi, od których zaczyna się wznoszenie ścian. Panele mają wysokość 30 cm i długość 120 cm. W systemie dostępne są różne grubości paneli, co pozwala na projektowanie przegród o różnych wartościach U. W projekcie ściany Mądriana architekci zastosowali najcieplejszy wariant. Od strony zewnętrznej znajdą się trzy warstwy Paneli Plus o grubości 10,8 cm, które dadzą w sumie izolację zewnętrzną szerokości 32,4 cm. Od wewnątrz beton osłaniają panele o grubości 5,7 cm. Warstwa wewnętrzna paneli jest spięta z zewnętrzną za pomocą szerokich klamer, które zahacza się o wystające styropianowe zaczepy. Zaczepy łączą ze sobą panele w sposób przypominający połączenia klocków lego. Między warstwami zewnętrznymi i wewnętrzną pozostawia się szczelinę o szerokości 14,6 cm, w którą ostrożnie wprowadza się mieszankę betonową. Wzmacniające zbrojenie poziome układa się na klamrach. Powstała w ten sposób ściana ma monolityczny rdzeń żelbetowy. Jej U wynosi 0,1 W/(m2.K). Ma całkowitą grubość 47,8 cm – pomimo solidnej konstrukcji i bardzo dobrych parametrów izolacyjnych nie jest przesadnie szeroka.
Strop Quad-Deck
To monolityczny strop gęstożebrowy z paneli styropianowych, które po zabetonowaniu tworzą jego wypełnienie. Strop działa na podobnej zasadzie jak ceramiczne stropy gęstożebrowe, z tym że elementy wypełniające ze styropianu są o wiele większe niż ceramiczne pustaki stropowe. Panele dostarczane są na plac budowy już docięte. Ich długość dopasowywana jest indywidualnie do projektu. Ponieważ są ze spienionego polistyrenu, są bardzo lekkie i pomimo dużych wymiarów mogą być przenoszone bez specjalistycznego sprzętu. Układa się je jeden obok drugiego na ułożonych poprzecznie belkach montażowych podpartych stemplami. Następnie między skośnymi ściankami paneli oraz nad nimi układane jest zbrojenie stropu oraz zbrojenie łączące strop z wieńcem. Całość jest betonowana. Po osiągnięciu co najmniej 70% zakładanej wytrzymałości betonu belki montażowe i stemple są usuwane. Zużycie betonu w stropie z panelami styropianowymi jest o połowę mniejsze niż w stropie o podobnej rozpiętości i nośności wykonanym w technologii monolitycznej płyty betonowej. Jest on też o wiele lżejszy niż płyta. W Mądrianie, gdzie rozpiętość stropu nie jest zbyt duża, zastosowano typowe rozwiązania dla stropu Quad-Deck. We wnętrzu nie ma konstrukcyjnych słupów, które mogłyby stanowić przeszkodę w aranżacji pomieszczeń. Jedynie antresola wysunięta na wsporniku opartym na pomieszczeniu technicznym oraz zakotwienie schodów wymagają indywidualnie projektowanego zbrojenia.
Dach z drewnianych belek dwuteowych
Dom o takim niskim zapotrzebowaniu na energię użytkową wymaga ogromnych ilości izolacji w dachu - do kilkudziesięciu centymetrów. Dlatego konstrukcją dachu są dwuteowe belki Steico, których środnik wykonany jest z płyty drewnopochodnej, a stopki z litego drewna. Tak zbudowane belki mogą być bardzo szerokie. Można między nimi rozłożyć grubą 40-centymetrową warstwę wełny. Dwuteowy kształt belki minimalizuje też mostek cieplny, którym są krokwie. Dźwigary i wełna od spodu osłonięte są paroizolacją, która jednocześnie stanowi barierę powietrzno-szczelną. Spód konstrukcji dachu wykończony jest dwiema warstwami płyt g-k na ruszcie drewnianym. Przestrzeń między rusztem drewnianym wykorzystana jest na ułożenie dodatkowych 4 cm izolacji z wełny mineralnej. Ta w sumie 44-centymetrowa warstwa izolacji umożliwia uzyskanie parametru U dachu równego 0,074 W/(m2.K). Zaproponowanym przez projektantów wykończeniem połaci są modrzewiowe deski tarasowe układane na ukośnym ruszcie lub alternatywnie płyty włóknocementowe albo polimerowa membrana dachowa, a na południowej elewacji – panele fotowoltaiczne.
Okna
Projektanci zaproponowali zastosowanie w budynku okien do domów pasywnych firmy Vetrex, które posiadają badania IFT w Rosenheim oraz ITB w Warszawie. Wykonane są one z PCW. U okna referencyjnego o takich parametrach wynosi 0,76 W/(m2.K), dzięki poszerzonej do 90 mm ramie z klinem izolacyjnym oraz ciepłej ramce międzyszybowej. Okno jest częściowo nieotwieralne, co dodatkowo je usztywnia i wpływa korzystnie na szczelność. Projektanci zalecają montaż okien polegający na wysunięciu ich w izolację na konsolach wsporczych. Na fragmencie dachu doświetlającym schody architekt zaplanował ciepłe okna połaciowe do budynków pasywnych Fakro FTT U6 o U wynoszącym 0,81 W/(m2.K) (od strony południowej) i Fakro FTT U8 o U wynoszącym 0,58 W/(m2.K) (od strony północnej).
Wykończenie domu
Elewacje wschodnia i zachodnia Mądriana wykończone są cegłą klinkierową lub wariantowo tynkiem. Połączenia między materiałami elewacyjnymi w narożnikach (cegłą elewacyjną, deskami lub z panelami fotowoltaicznymi) są na styk bez ram lub opasek. Pod deskowanie projektanci zaproponowali zamiast tradycyjnego podwójnego rusztu krzyżowego, składającego się z łat i kontrłat, pojedynczy ruszt ukośny. Wyeliminowali w ten sposób jedną z warstw. Jednocześnie ukośne łaty umożliwiają wentylację przestrzeni pod okładziną. A jak podczepi się ruszt do styropianowych paneli? Jest na to sposób – na zewnętrzną warstwę trzeba zastosować specjalny typ paneli Quad-Lock z wbudowanymi w styropian co 30 cm listwami, do których można mocować elementy rusztu. W systemie Quad-Lock również od strony wnętrza na ścianach znajdą się styropianowe panele. Wykończone one będą tynkiem gipsowym na siatce.
Energia na plus
Projektanci Mądriana nie ograniczyli się do jak najlepszego zabezpieczenia go przed stratami energii. Założyli, że ma być domem plusenergetycznym, i przygotowali go do tego, żeby także ją pozyskiwał w znacznej i lości. Panele z ogniw fotowoltaicznych umieszczone na ścianie mają powierzchnię 32,40 m2, a na dachu 75,24 m2 – łącznie jest to 96 paneli. Autorzy projektu obliczyli, że z pozyskiwanej przez nie energii słonecznej będzie powstawać rocznie 8910 kWh energii elektrycznej. Zainwestowanie w tak dużą elektrownię słoneczną ma sens tylko wtedy, gdy uzyskiwane nadwyżki energii można oddawać, a dokładniej sprzedawać, do sieci elektroenergetycznej. Wtedy roczny bilans sprzedaży i zakupu energii może być dodatni. Przy założeniu, że mieszkańcy domu będą potrzebowali 3400 kWh energii rocznie do działania oświetlenia (energooszczędnego) i korzystania z wszelkich domowych urządzeń elektrycznych, otrzymuje się sporą nadwyżkę – 5510 kWh. Co z nią robić? Można ją wykorzystać do ogrzewania pomieszczeń i przygotowywania ciepłej wody użytkowej.
Energia na plus
Projektanci Mądriana nie ograniczyli się do jak najlepszego zabezpieczenia go przed stratami energii. Założyli, że ma być domem plusenergetycznym, i przygotowali go do tego, żeby także ją pozyskiwał w znacznej i lości. Panele z ogniw fotowoltaicznych umieszczone na ścianie mają powierzchnię 32,40 m2, a na dachu 75,24 m2 – łącznie jest to 96 paneli. Autorzy projektu obliczyli, że z pozyskiwanej przez nie energii słonecznej będzie powstawać rocznie 8910 kWh energii elektrycznej. Zainwestowanie w tak dużą elektrownię słoneczną ma sens tylko wtedy, gdy uzyskiwane nadwyżki energii można oddawać, a dokładniej sprzedawać, do sieci elektroenergetycznej. Wtedy roczny bilans sprzedaży i zakupu energii może być dodatni. Przy założeniu, że mieszkańcy domu będą potrzebowali 3400 kWh energii rocznie do działania oświetlenia (energooszczędnego) i korzystania z wszelkich domowych urządzeń elektrycznych, otrzymuje się sporą nadwyżkę – 5510 kWh. Co z nią robić? Można ją wykorzystać do ogrzewania pomieszczeń i przygotowywania ciepłej wody użytkowej.
WIDEO: Dom niemal zero energetyczny. Przyszłość budownictwa
Wszystko na prąd
W budynku zastosowano ogrzewanie elektryczne. Jego instalacja jest zdecydowanie tańsza, a do ogrzewania potrzeba jej niewiele. Do rozprowadzania ciepła projektanci wykorzystali instalację wentylacyjną, w której umieścili nagrzewnice elektryczne podgrzewające powietrze do 45oC. Jest ona dość skomplikowana – oprócz sieci przewodów systemu nawiewno-wywiewnego, którego zadaniem jest wymiana powietrza w pomieszczeniach w wymaganej ilości, jest jeszcze niezależnie działający układ zapewniający jedynie jego ogrzewanie – recyrkulacyjny. Do pomieszczeń są więc doprowadzone po dwa przewody nawiewne i wywiewne. Ta komplikacja wynika z dążenia projektantów do ograniczenia i lości wymienianego w budynku powietrza, by straty ciepła były jak najmniejsze. Minimum niezbędne ze względów higienicznych to zaledwie 120 m3/h – zbyt mało, by przetransportować do poszczególnych pomieszczeń ciepło w i lości niezbędnej do utrzymania w nich żądanej temperatury. Dlatego gdy na zewnątrz jest poniżej –5oC, uruchamia się układ recyrkulacji z nagrzewnicą, przez którą przepływa kolejne 100 m3/h powietrza – krąży ono jedynie wewnątrz budynku, więc nie wynikają z tego dodatkowe straty ciepła. Gdy temperatura na zewnątrz jest wyższa niż –5oC, straty ciepła są już na tyle małe, że do zapewnienia wymaganych 20oC w pomieszczeniach wystarcza działanie jedynie systemu wentylacji wymieniającego powietrze.
Pompa ciepła zamiast kolektorów
Mądrian nie został wyposażony w kolektory słoneczne do podgrzewania wody użytkowej. Zamiast nich robi to powietrzna pompa ciepła. Taki wybór jest oczywiście podyktowany wyposażeniem domu w 96 paneli z ogniwami fotowoltaicznymi. Dostarczają one tak dużo darmowej energii elektrycznej, że za działanie pompy ciepła nie trzeba płacić (przy założeniu, że energia elektryczna z paneli fotowoltaicznych może być sprzedawana latem, co pokrywa koszt jej zakupu zimą). Zdecydowano się zastosować pompę ciepła współpracującą z instalacją wentylacyjną – odbierającą ciepło nie z powietrza na zewnątrz domu, tylko z wywiewanego z pomieszczeń. Jego temperatura jest zimą dużo wyższa niż na dworze. Dzięki temu pompa osiąga wysoki współczynnik COP = 3,68 – przy założeniu, że podgrzewa wodę o temperaturze 15oC do 45oC, a powietrze, z którego odbiera ciepło, ma nie mniej niż 20oC.
