W moim pasywnym domu…
Współcześnie ciepło w domach możemy mieć niekoniecznie dzięki węglowi, olejowi opałowemu, gazowi i energii elektrycznej. Do starego zestawu paliw i źródeł energii dołączyła w ostatnich latach energia słoneczna, geotermalna, a nawet wiatrowa.
Nie będziemy w tym raporcie zajmować się systemami w Polsce wciąż najpopularniejszymi, opartymi na paliwie węglowym czy też na oleju opałowym lub gazie, bo celem naszego opracowania nie jest pokazanie tego, co już dobrze znamy, lecz przedstawienie nowoczesnych, atrakcyjnych z punktu widzenia ochrony środowiska - ale też ekonomii energetycznej - alternatyw.
Oczywiście, ogrzewanie oparte na spalaniu gazu ziemnego i jego pochodnych też jest całkiem ekologiczne. Z polskiego punktu widzenia ma jednak taką wadę, że nie ma u nas wystarczających na krajowe potrzeby zasobów tego paliwa.
Woda i powietrze
Większość domów i budynków mieszkalnych w Polsce ogrzewanych jest za pomocą tradycyjnych systemów kotłów i kaloryferów.
Centralny kocioł znajduje się w zakładzie ciepłowniczym lub indywidualnej kotłowni dla budynku. Jego działanie opiera się na parze wodnej albo gorącej wodzie transportowanej przez rury do grzejników rozmieszczonych w pomieszczeniach. Klasyczny grzejnik - żeliwna konstrukcja pionowa - zwykle umieszczony jest w pobliżu okien (1).
Nowoczesne systemy grzejnikowe cyrkulują ciepłą wodę do grzejników za pomocą pomp elektrycznych. Ciepła woda uwalnia swoje ciepło w grzejniku, a schłodzona powraca do kotła w celu dalszego ogrzewania.
Grzejniki mogą być wymienione na mniej "inwazyjne" estetycznie grzejniki płytowe lub ścienne - czasem są to wręcz tzw. grzejniki dekoracyjne, zaprojektowane z myślą o designie i wystroju pomieszczeń.
Grzejniki tego typu mają znacznie mniejszą masę (i zwykle też wymiary) od grzejników żeberkowych, z żeliwa. W handlu dostępnych jest obecnie wiele rodzajów kaloryferów tego typu, różniących się przede wszystkim wymiarami zewnętrznymi.
Wiele nowoczesnych systemów grzewczych współdzieli komponenty z urządzeniami chłodzącymi, a niektóre zapewniają zarówno ogrzewanie, jak i chłodzenie.
Termin HVAC (heating, ventilation, and air-conditioning) jest używany do opisania całego systemu klimatyzacji i wentylacji w domu. Bez względu na to, jaki system HVAC jest stosowany, celem wszystkich urządzeń grzewczych pozostaje wykorzystanie energii cieplnej ze źródła paliwa i przeniesienie jej do pomieszczeń mieszkalnych w celu utrzymania komfortowej temperatury otoczenia.
W systemach grzewczych używa się różnych paliw, takich jak np. gaz ziemny, propan, olej opałowy, biopaliwo (np. drewno), lub energii elektrycznej.
Systemy z wymuszonym obiegiem powietrza wykorzystujące piec z dmuchawą, która przez sieć kanałów doprowadza ogrzane powietrze do różnych pomieszczeń w domu, są popularne w Ameryce Północnej (2).
W Polsce to wciąż jeszcze stosunkowo rzadkie rozwiązanie. Jest stosowane głównie w nowych budynkach o charakterze komercyjnym, a w domach jednorodzinnych zwykle w połączeniu z kominkiem. Systemy powietrzne z wymuszonym obiegiem (w tym wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła) bardzo szybko regulują temperaturę w pomieszczeniu.
W chłodne dni służą jako ogrzewanie, a w gorące stają się układem klimatyzacji chłodzącej. Typowe dla Europy i dla Polski systemy CO z piecami, kotłowniami, wodnymi i parowymi kaloryferami, służą wyłącznie do ogrzewania.
Instalacje wymuszonego obiegu powietrza zazwyczaj również je filtrują, w celu usunięcia kurzu i alergenów. Z systemem bywają też zintegrowane urządzenia nawilżające (lub osuszające).
Wady tych systemów to konieczność instalowania kanałów wentylacyjnych i zarezerwowanie dla nich miejsca w ścianach. W dodatku wentylatory bywają niekiedy głośne, a ruchome powietrze może rozprowadzać alergeny (jeśli instalacja nie jest odpowiednio serwisowana).
Poza systemami, które znamy najlepiej, czyli grzejnikami i instalacjami opartymi na nawiewie powietrza, są jeszcze inne - przede wszystkim nowoczesne ogrzewanie podłogowe. Różni się od ogrzewania centralnego opartego na wodzie i od systemów z wymuszonym obiegiem powietrza tym, że ogrzewa meble i podłogi, a nie tylko powietrze.
Wymaga zainstalowania wewnątrz betonowych stropów lub pod drewnianymi posadzkami - rur z tworzywa sztucznego, przeznaczonych dla ciepłej wody. Jest to system cichy i ogólnie energooszczędny. Nie nagrzewa się szybko, ale dłużej zachowuje ciepło.
Istnieją również "podłogówki", które wykorzystują zainstalowane pod posadzkami (zazwyczaj tymi z płytek ceramicznych lub kamiennych) instalacje elektryczne. Są mniej efektywne energetycznie niż systemy ciepłej wody i zazwyczaj stosuje się je tylko w małych pomieszczeniach, takich jak łazienki.
Inną, bardziej nowoczesną formą ogrzewania jest system hydroniczny. Grzejniki hydroniczne na listwę przypodłogową są instalowane nisko na ścianie, dzięki czemu mogą pobierać zimne powietrze z dolnej części pomieszczenia, a następnie podgrzewać je i wymuszać jego powrót do wnętrz. Pracują w niższych temperaturach niż wiele innych typów grzejników.
Systemy te wykorzystują również centralny kocioł do podgrzewania wody, która przepływa przez system rur do dyskretnych urządzeń grzewczych. Jest to w zasadzie zaktualizowana wersja starych systemów grzejników pionowych.
W podstawowych systemach ogrzewania domów nie są powszechnie stosowane elektryczne grzejniki płytowe i inne rodzaje grzejników elektrycznych, głównie ze względu na wysokie koszty energii elektrycznej. Pozostają jednak popularną opcją dodatkowego ogrzewania, np. w pomieszczeniach sezonowych (takich jak werandy).
Nagrzewnice elektryczne są łatwe i niedrogie w instalacji, a do tego nie wymagają montowania przewodów, pomp, urządzeń wentylacyjnych i innych urządzeń dystrybucyjnych.
Oprócz konwencjonalnych grzejników płytowych dostępne są również grzejniki elektryczne promiennikowe (3) lub lampy grzewcze przenoszące energię do obiektów o niższej temperaturze przez promieniowanie elektromagnetyczne.
W zależności od temperatury ciała emitującego, długość fali promieniowania podczerwonego ma zakres od 780 nm do 1 mm. Elektryczne promienniki podczerwieni emitują do 86% mocy wejściowej jako energię w postaci promieniowania. Prawie cała pobrana energia elektryczna jest przekształcana w ciepło promieniowania podczerwonego żarnika i kierowana dalej przez odbłyśniki.
Polska geotermiczna
Coraz więcej zainteresowania budzą systemy ogrzewania geotermalnego - bardzo zaawansowane np. na Islandii, gdzie w ramach Iceland Deep Drilling Project (IDDP) inżynierowie odwiertami schodzą coraz niżej do wewnętrznego źródła ciepła naszej planety.
W 2009 r., podczas wierceń w ramach IDDP przypadkowo przedostano się do zbiornika magmy znajdującego się ok. 2 km pod powierzchnią Ziemi. W ten sposób uzyskano najpotężniejszy odwiert geotermalny w historii, o mocy ok. 30 MW energii.
Naukowcy mają nadzieję, że uda im się dotrzeć do Grzbietu Śródatlantyckiego - najdłuższego grzbietu śródoceanicznego na Ziemi, czyli naturalnej granicy między płytami tektonicznymi.
Magma podgrzewa tam wodę morską do temperatury 1000°C, a ciśnienie jest dwieście razy wyższe niż atmosferyczne. W takich warunkach możliwe jest wytworzenie pary w stanie nadkrytycznym, o mocy energetycznej na poziomie 50 MW, czyli ok. dziesięć razy więcej niż zapewnia typowa studnia geotermalna. Oznaczałoby to możliwość zasilenia 50 tys. domów.
Gdyby projekt okazał się skuteczny, podobne można by realizować w innych częściach świata, m.in. w Japonii czy Kalifornii.
W Polsce teoretycznie panują bardzo dobre warunki geotermalne, gdyż 80% powierzchni kraju jest pokryte przez trzy prowincje geotermalne: centralno-europejską, przedkarpacką i karpacką. Realne możliwości wykorzystania wód geotermalnych dotyczą jednak 40% obszaru kraju.
Temperatura wody tych zbiorników wynosi 30-130°C (lokalnie nawet 200°C), a głębokość występowania w skałach osadowych - od 1 do 10 km. Naturalny wypływ zdarza się bardzo rzadko (Sudety - Cieplice, Lądek Zdrój).
Czym innym jest jednak głęboka geotermia z odwiertami sięgającymi 5 km, a czym innym tzw. płytka geotermia, w której ciepło źródłowe jest pobierane z gruntu za pomocą stosunkowo płytko wkopanej instalacji (4), sięgającej zazwyczaj od kilku do 100 m.
Systemy te oparte są na pompach ciepła, które stanowią podstawę - podobnego co do zasady do geotermii - pozyskiwania ciepła z wody lub z powietrza. Szacuje się, że w Polsce działa już kilkadziesiąt tysięcy tego typu rozwiązań, a ich popularność stopniowo rośnie.
Pompa ciepła pobiera ciepło z zewnątrz i przekazuje je do wnętrza domu (5). Zużywa mniej energii elektrycznej niż konwencjonalne systemy grzewcze. Gdy na zewnątrz jest ciepło, może działać odwrotnie, jak klimatyzator.
Popularnym typem pompy ciepła ze źródłem powietrznym jest system mini-split, zwany też bezkanałowym. Opiera się na stosunkowo niewielkim zewnętrznym agregacie sprężarkowym i jednym lub więcej wewnętrznym urządzeniu do uzdatniania powietrza, które da się z łatwością dodawać do pomieszczeń lub odległych obszarów domu.
Pompy ciepła są polecane do instalacji raczej w stosunkowo łagodnym klimacie. Pozostają bowiem mniej efektywne w bardzo gorących i bardzo zimnych warunkach pogodowych.
Absorpcyjne systemy ogrzewania i chłodzenia nie są napędzane energią elektryczną, lecz energią słoneczną, geotermalną lub gazem ziemnym. Absorpcyjna pompa ciepła działa zasadniczo tak samo jak każda inna pompa ciepła, ma jednak inne źródło zasilania, a jako czynnik chłodniczy wykorzystuje roztwór amoniaku.
Hybrydy lepsze
Energetyczną optymalizację osiąga się z powodzeniem w systemach hybrydowych, w których również można zastosować pompy ciepła i odnawialne źródła energii.
Jedną z form systemu hybrydowego jest pompa ciepła w połączeniu z kotłem kondensacyjnym. Pompa przejmuje częściowo obciążenie w czasie, gdy zapotrzebowanie na ciepło jest ograniczone. Gdy potrzeba więcej ciepła, kocioł kondensacyjny bierze na siebie zadania grzewcze. Na tej samej zasadzie pompa ciepła może być połączona z kotłem na paliwo stałe.
Przykładem systemu hybrydowego jest też połączenie agregatu skraplającego z instalacją solarno-termiczną. Taki układ może być instalowany zarówno w budynkach istniejących, jak i w nowych. Jeśli właściciel instalacji chce dużej niezależności w zakresie źródeł energii, pompę ciepła może połączyć z instalacją fotowoltaiczną i w ten sposób wykorzystać do celów grzewczych energię elektryczną wytworzoną przez własne domowe rozwiązania.
Instalacja solarna zapewnia tanią energię elektryczną do zasilania elektrycznego pompy ciepła. Nadmiar energii elektrycznej wytwarzanej przez słońce, która nie jest wykorzystywana bezpośrednio w budynku, może zaś posłużyć do ładowania budynkowego akumulatora lub być sprzedawany do ogólnodostępnej sieci.
Warto podkreślić, że nowoczesne generatory i systemy ciepła wyposażone są zwykle w interfejsy internetowe i mogą być zdalnie sterowane za pomocą aplikacji na tablecie lub smartfonie, często z dowolnego miejsca na Ziemi, co dodatkowo pozwala właścicielom nieruchomości optymalizować i oszczędzać koszty.
Nie ma jak energia domowego wyrobu
Oczywiście każdy system ogrzewania będzie tak czy inaczej potrzebował źródeł energii. Rzecz w tym, aby było to rozwiązanie najoszczędniejsze i możliwie najtańsze.
Docelowo takie cechy ma energia produkowana "u siebie" w modelach nazywanych mikrokogeneracją (micro-cogeneration) lub microCHP (Micro Combined Heat and Power).
Według definicji chodzi o proces technologiczny polegający na skojarzonej produkcji energii cieplnej i energii elektrycznej (off-grid) w oparciu o wykorzystanie przybudynkowych urządzeń małych i średnich mocy.
Mikrokogeneracja może być stosowana we wszystkich obiektach, w których występuje jednoczesne zapotrzebowanie na energię elektryczną i cieplną. Najczęstszymi użytkownikami układów skojarzonych są zarówno odbiorcy indywidualni (6), jak również szpitale i ośrodki edukacyjne, centra sportowe, hotele i rozmaite obiekty użyteczności publicznej.
Dziś przeciętny domowy energetyk ma już do dyspozycji kilka technologii produkcji energii w domu i zagrodzie: solarne, wiatrowe i oparte na gazie (biogazie - jeśli mają być naprawdę "własne").
Może więc zamontować na dachu panele fotowoltaiczne, których nie należy mylić z kolektorami słonecznymi, służącymi do wytwarzania ciepła i które najczęściej wykorzystywane są do podgrzewania wody.
Może też sięgnąć po małe turbiny wiatrowe, na potrzeby indywidualne. Najczęściej umieszcza się je na masztach osadzonych w gruncie. Najmniejsze z nich, o mocy 300-600 W i napięciu 24 V, da się instalować na dachach, pod warunkiem że ich konstrukcja będzie do tego przystosowana.
W warunkach przydomowych najczęściej spotyka się elektrownie 3-5 kW, co - zależnie od potrzeb, liczby użytkowników itd. - powinno starczyć na oświetlenie, działanie rozmaitych urządzeń domowych, pomp wody do CO i inne drobniejsze potrzeby.
Systemy microCHP, o mocy cieplnej poniżej 10 kW i mocy elektrycznej 1-5 kW, stosowane są głównie w pojedynczych gospodarstwach domowych. Idea działania takiej "mikroelektrociepłowni domowej" polega na umiejscowieniu źródła zarówno energii elektrycznej, jak i cieplnej wewnątrz zasilanego budynku.
Technologia domowej produkcji energii z wiatru wciąż jest doskonalona. Przykładowo, małe turbiny wiatrowe Honeywell oferowane przez WindTronics (7) przy obudowanej, przypominającej nieco koło rowerowe z domontowanymi łopatkami konstrukcji o średnicy ok. 180 cm, produkują 2,752 kWh przy średniej prędkości wiatru 10 m/s. Podobne moce oferują turbiny Windspire o nietypowej, wertykalnej konstrukcji.
Spośród innych technologii pozyskiwania energii z odnawialnych źródeł warto zwrócić uwagę na biogaz. Tym ogólnym terminem określa się gazy palne tworzące się w procesach rozkładu związków pochodzenia organicznego - np. ścieków, odpadów komunalnych, odchodów zwierzęcych, odpadów rolniczych i przemysłu rolno-spożywczego itp.
Technologia microCHP, która wywodzi się ze starszej kogeneracji, czyli połączonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w elektrociepłowniach, w swojej "małej" wersji jest dość młoda. Wciąż trwają poszukiwania lepszych, efektywnych rozwiązań. Obecnie możemy wyróżnić kilka głównych systemów, w tym: silniki tłokowe, turbiny gazowe, układy z silnikami Stirlinga, organiczny obieg Rankine’a, a także ogniwa paliwowe.
Silnik Stirlinga przetwarza ciepło na energię mechaniczną bez gwałtownego procesu spalania. Ciepło doprowadzane jest do czynnika roboczego, czyli gazu, poprzez nagrzewanie zewnętrznej ścianki nagrzewnicy. Wskutek dostarczania ciepła z zewnątrz możliwe staje się zasilanie silnika energią pierwotną praktycznie z dowolnego źródła: związków ropopochodnych, węgla, drewna, wszelkiego rodzaju paliw gazowych, biomasy, a nawet energii słonecznej.
W skład tego typu silnika wchodzą: dwa tłoki (zimny i ciepły), regeneracyjny wymiennik ciepła, a także wymienniki ciepła pomiędzy czynnikiem roboczym a zewnętrznymi źródłami. Jednym z istotniejszych elementów pracujących w obiegu jest regenerator, który przejmuje ciepło od czynnika roboczego w czasie jego przepływu z przestrzeni ogrzewanej do chłodzonej.
W układach tych źródłem ciepła są głównie spaliny wytworzone w procesach spalania paliw. Natomiast ciepło z obiegu odprowadzane jest do źródła o niskiej temperaturze. Ostatecznie sprawność obiegu zależy od różnicy temperatury między tymi źródłami. Czynnikiem roboczym tego rodzaju silników jest hel, wodór lub powietrze.
Zalety silników Stirlinga to m.in. wysoka sprawność całkowita, niski poziom hałasu, oszczędność paliwa w porównaniu z innymi układami, niskie obroty. Oczywiście nie można zapomnieć o wadach, z których główna to cena instalacji.
Kogeneracyjne mechanizmy, takie jak obieg Rankine’a (regeneracja ciepła w obiegach termodynamicznych) czy właśnie silnik Stirlinga do działania potrzebują tylko ciepła. Jego źródłem może być np. energia słoneczna albo geotermalna. Wytwarzanie tą drogą energii elektrycznej przy wykorzystaniu kolektora i ciepła jest tańsze niż z zastosowaniem ogniw fotowoltaicznych.
Trwają też prace nad rozwojem ogniw paliwowych i wykorzystaniem ich w agregatach kogeneracyjnych. Jednym z pionierskich na rynku rozwiązań tego typu jest ClearEdge. Oprócz funkcji typowych dla systemu microCHP, technologia ta konwertuje gaz z butli na wodór, za pomocą zaawansowanej technologii. Nie ma tu zatem spalania.
Ogniwo wodorowe produkuje energię elektryczną, która wykorzystywana jest również do produkcji ciepła. Ogniwa paliwowe stanowią nowy rodzaj urządzeń, umożliwiających wysokoefektywne przetwarzanie energii chemicznej paliwa gazowego (zwykle wodoru lub paliwa wodoronośnego) na drodze reakcji elektrochemicznej w energię elektryczną i ciepło - bez konieczności spalania gazu i wykorzystania pośrednictwa energii mechanicznej, jak to ma miejsce np. w silnikach czy turbinach gazowych.
Niektóre ogniwa mogą być zasilane nie tylko wodorem, ale także gazem ziemnym lub tzw. reformatem (gazem reformowanym), pochodzącym z przetwarzania paliwa węglowodorowego.
Akumulator ciepłej wody
Wiemy, że ciepłą wodę, czyli ciepło, można przez pewien czas gromadzić i przechowywać w specjalnym zasobniku domowym. Widać je np. często obok kolektorów słonecznych. Nie każdy być może wie jednak o tym, że istnieje coś takiego jak wielkie magazyny ciepła, na wzór wielkich akumulatorów energii (8).
Standardowe zasobniki krótkoterminowe pracują przy ciśnieniu atmosferycznym. Są dobrze zaizolowane i wykorzystywane przede wszystkim do regulacji zapotrzebowania w czasie jego szczytów. W takich zasobnikach panują temperatury nieco niższe niż 100°C. Warto dodać, że niekiedy na potrzeby systemu ciepłowniczego w zasobniki ciepła przekształca się stare zbiorniki na olej.
W 2015 r. uruchomiono w Norymberdze pierwszy niemiecki zasobnik dwustrefowy. Technologia ta została opatentowana przez firmę Bilfinger VAM..
Rozwiązanie oparte jest na zastosowaniu elastycznej warstwy pomiędzy górną i dolną strefą wody. Ciężar górnej strefy wytwarza ciśnienie na strefie dolnej, dzięki czemu woda w niej magazynowana może mieć temperaturę powyżej 100°C. Woda w górnej strefie jest odpowiednio chłodniejsza.
Korzyściami takiego rozwiązania są większa pojemność cieplna przy zachowaniu tej samej objętości w porównaniu do zasobnika atmosferycznego, a jednocześnie niższe koszty związane ze standardami bezpieczeństwa w porównaniu do zbiorników ciśnieniowych.
W ostatnich dekadach rozwinięte i przetestowane zostały także rozwiązania związane z magazynowaniem energii pod ziemią. Podziemny akumulator wodny może mieć strukturę wykonaną z betonu, stali bądź tworzyw sztucznych o wzmocnionych włóknach. Zasobniki betonowe buduje się, wylewając beton na miejscu lub z elementów prefabrykowanych.
Dodatkowa powłoka (polimerowa lub ze stali nierdzewnej) jest zwykle montowana po wewnętrznej stronie zasobnika, celem zapewnienia szczelności dyfuzyjnej. Warstwę izolacyjną montuje się od zewnątrz zasobnika. Są też konstrukcje zabezpieczone wyłącznie żwirem lub wykopane bezpośrednio w ziemi, także w warstwie wodonośnej.
Ekologia z ekonomią w parze
Ciepło w domu zależy nie tylko od tego, jak go nagrzejemy, ale przede wszystkim od tego, jak będziemy chronić go przed utratą ciepła i zarządzać w nim energią. Rzeczywistość współczesnego budownictwa to nacisk na energooszczędność, tak by powstające obiekty spełniały najwyższe wymagania zarówno pod kątem oszczędności, jak i eksploatacji.
Chodzi tu niejako o podwójne "eko" - ekologię i ekonomię. Coraz częściej stawiane budynki energooszczędne charakteryzują się zwartą bryłą, w której minimalizowaniu ulega ryzyko powstawania tzw. mostków termicznych, czyli miejsc strat ciepła. Ma to znaczenie w odniesieniu do uzyskania najniższych parametrów dotyczących stosunku powierzchni przegród zewnętrznych, które liczone są łącznie z podłogą na gruncie, do całościowej kubatury podlegającej ogrzewaniu.
Do całej bryły należy dołączyć powierzchnie będące buforami, np. ogrody zimowe. Te skupiają odpowiednią ilość ciepła, oddając ją jednocześnie przeciwległej ścianie budynku, która staje się nie tylko jego magazynem, ale także i naturalnym kaloryferem.
Zimą tego rodzaju buforowanie zabezpiecza budynek przed nadmiernym działaniem zimnego powietrza. Wewnątrz stosuje się zasadę buforowego układu pomieszczeń - usytuowanie po stronie południowej pokoi, a po północnej pomieszczeń gospodarczych.
Podstawę wszystkich domów energooszczędnych stanowi odpowiedni, niskotemperaturowy system grzewczy. Stosuje się wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła, a więc z rekuperatorami, które wywiewając "zużyte" powietrze na zewnątrz, zatrzymują jego ciepło, by nagrzać nim nawiewane do budynku świeże powietrze.
Standardem jest sięganie po systemy solarne pozwalające na ogrzewanie wody energią słoneczną. Inwestorzy stawiający na pełne wykorzystanie dobrodziejstw natury instalują również pompy ciepła.
Jednym z głównych zadań, jakie muszą spełnić wszystkie materiały, jest zapewnienie najwyższej termoizolacji. Stąd też wznosi się wyłącznie ciepłe przegrody zewnętrzne, które pozwolą by dach, ściany oraz podłogi przy gruncie cechowały się odpowiednim współczynnikiem przenikania ciepła U.
Ściany zewnętrzne muszą być co najmniej dwuwarstwowe, chociaż chcąc osiągnąć najlepsze wyniki, lepiej zastosować system trójwarstwowy. Inwestuje się też w okna najwyższej jakości, często o trzech szybach i odpowiednio szerokich, zabezpieczonych termicznie profilach. Ewentualne duże okna to domena strony południowej budynku - na północnej przeszklenia umieszcza się raczej punktowo i w najmniejszych rozmiarach.
Jeszcze dalej idzie technologia domów pasywnych, znana od kilku dekad. Za twórców tej koncepcji uważa się Wolfganga Feista i Bo Adamsona, którzy w 1988 r. na Uniwersytecie Lund przedstawili pierwszy projekt budynku, który prawie nie wymaga dodatkowego ocieplania poza tym pochodzącym z energii słonecznej. W Polsce pierwsza budowla pasywna powstała w 2006 r. w Smolcu pod Wrocławiem.
W konstrukcjach pasywnych do zbilansowania zapotrzebowania budynku na ciepło wykorzystuje się promieniowanie słoneczne, odzysk ciepła z wentylacji (rekuperacja), a także zyski cieplne pochodzące z wewnętrznych źródeł, takich jak urządzenia elektryczne i mieszkańcy. Jedynie w okresach szczególnie niskich temperatur stosuje się dogrzewanie powietrza nawiewanego do pomieszczeń.
Dom pasywny to bardziej idea, pewien architektoniczny koncept, niż konkretna technologia i wynalazki. Pod tę ogólną definicję podpina się bardzo wiele rozmaitych rozwiązań budowlanych, które łączy dążenie do minimalizacji zapotrzebowania na energię - poniżej 15 kWh/m² na rok - i strat cieplnych.
Aby osiągnąć takie parametry i oszczędności, wszystkie przegrody zewnętrzne w budynku charakteryzują się niezwykle niskim współczynnikiem przenikania ciepła U. Zewnętrzna powłoka budynku powinna być nieprzepuszczalna dla niekontrolowanych ucieczek powietrza. Podobnie stolarka okienna wykazuje znacznie mniejsze straty cieplne niż rozwiązania stosowane standardowo.
W oknach stosuje się różne rozwiązania minimalizujące straty, np. szyby podwójne, pomiędzy którymi znajduje się izolująca warstwa argonu, czy potrójne. Technologia pasywna obejmuje m.in. również budowę domów z białymi lub jasnymi dachami, które latem odbijają energię słoneczną zamiast ją pochłaniać.
Zielone systemy ogrzewania i chłodzenia czynią kolejne kroki naprzód. Systemy pasywne maksymalizują zdolność natury do ogrzewania i chłodzenia bez pieców i klimatyzatorów. Istnieją jednak realizowane już koncepcje domów aktywnych - produkujących z naddatkiem energię. Wykorzystuje się w nich różne mechaniczne systemy ogrzewania i chłodzenia, zasilane energią słoneczną, geotermalną lub innymi źródłami tzw. zielonej energii.
Poszukiwania nowych sposobów pozyskiwania ciepła
Naukowcy wciąż poszukują nowych rozwiązań energetycznych, których twórcze wykorzystanie mogłoby dać nam nowe niezwykłe źródła energii, a przynajmniej sposoby na jej odzyskiwanie i oszczędzanie.
Kilka miesięcy temu pisaliśmy o pozornie przeczącym drugiej zasadzie termodynamiki eksperymencie prof. Andreasa Schillinga z Uniwersytetu w Zurychu. Stworzył on urządzenie, które przy użyciu modułu Peltiera schłodziło bez zewnętrznego źródła zasilania dziewięciogramowy kawałek miedzi z temperatury ponad 100°C do znacznie niższej niż pokojowa.
Skoro działa to w kierunku chłodzenia, to powinno również ogrzewać, co być może stwarza szanse na nowsze, sprawniejsze urządzenia niewymagające np. montażu pomp ciepła.
Z kolei profesorowie Stefan Seelecke i Andreas Schütze z Uniwersytetu w Saarze wykorzystali te właściwości do stworzenia wysoce wydajnego, przyjaznego dla środowiska urządzenia grzewczego i chłodzącego, opierającego się na wydzielaniu ciepła lub chłodzeniu poddanych działaniu sił drucików. Układ ten nie potrzebuje żadnych pośredniczących czynników, co jest jego ekologiczną zaletą.
Doris Sung, profesor nadzwyczajna w szkole architektury Uniwersytetu Południowej Kalifornii, chce z kolei zoptymalizować gospodarkę energetyczną w budynkach, wykorzystując powłoki z termobimetali (9), inteligentnych materiałów, które działają podobnie jak ludzka skóra - dynamicznie i responsywnie osłaniają pomieszczenie od słońca, umożliwiając samowentylację lub w razie potrzeby izolując je.
Wykorzystując tę technologię, Sung zaprojektowała system okien termoreaktywnych. Gdy słońce porusza się po niebie, każda tworząca system płytka porusza się niezależnie, równo z nim, a całość optymalizuje warunki termiczne w pomieszczeniu.
Budynek staje się jak żywy organizm, który sam reaguje na ilość dostarczanej z zewnątrz energii. Nie jest to jedyny pomysł na "żyjący" dom, ale wyróżnia się tym, że nie potrzeba w nim dodatkowego zasilania elementów ruchomych. Wystarczają same właściwości fizycznej powłoki.
Prawie dwie dekady temu w szwedzkim Lindås niedaleko Goeteborga zbudowano osiedle domów pozbawionych systemów grzewczych w tradycyjnym tego słowa znaczeniu (10). Pomysł zamieszkania w budynkach bez pieców i kaloryferów w chłodnej Skandynawii budził mieszane uczucia.
Rodziła się idea domu, w którym dzięki nowoczesnym rozwiązaniom architektonicznym i materiałom, a także odpowiedniemu wpasowaniu w warunki naturalne eliminowano tradycyjne myślenie o cieple jako koniecznym rezultacie połączenia z zewnętrzną infrastrukturą - ciepłowniczą, energetyczną - czy nawet z dostawcami paliw. Jeśli zaczynamy już podobnie myśleć o cieple w naszych własnych domach, to oznacza, że jesteśmy na właściwej drodze.
Czyli ciepło, cieplej... gorąco!
Centralne ogrzewanie (CO) - we współczesnym rozumieniu oznacza instalację, w której ciepło dostarczane jest do zlokalizowanych w pomieszczeniach elementów grzejnych (grzejników). Do dystrybucji ciepła wykorzystuje się wodę, parę wodną lub powietrze. Znane są systemy CO obejmujące pojedyncze mieszkanie, budynek, kilka budynków, a nawet całe miasta. W instalacjach obejmujących jeden budynek woda krąży grawitacyjnie w wyniku zmian gęstości przy zmianach temperatury, choć można ten obieg wymusić pompą. W większych instalacjach stosuje się wyłącznie systemy z wymuszonym obiegiem.
Ciepłownia - zakład przemysłowy, którego głównym zadaniem jest produkcja czynnika (najczęściej wody) o wysokiej temperaturze dla miejskiej sieci ciepłowniczej. Konwencjonalne układy (opalane paliwami kopalnymi instalacje z kotłem) są obecnie spotykane rzadko. Wynika to z faktu, iż dużo wyższą sprawność uzyskuje się, produkując w sposób skojarzony energię cieplną i elektryczną w elektrociepłowniach. Natomiast na popularności zyskuje wytwarzanie samego ciepła z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii. Najpowszechniej używa się do tego celu energii geotermalnej, ale coraz częściej budowane są duże ciepłownie słoneczne, w których baterie
kolektorów ogrzewają wodę do celów użytkowych.
Dom pasywny, dom energooszczędny - standard budowania, który cechują wysokie parametry izolacyjne przegród zewnętrznych oraz zastosowanie szeregu rozwiązań mających na celu minimalizowanie zużycia energii w trakcie eksploatacji. Zapotrzebowanie energetyczne w budynkach pasywnych wynosi poniżej 15 kWh/(m²·rok) - podczas gdy w zwykłych domach może osiągać nawet 120 kWh/(m²·rok). W domach pasywnych redukcja zapotrzebowania na ciepło jest tak duża, że nie stosuje się w nich tradycyjnego systemu grzewczego, a jedynie dogrzewanie powietrza wentylacyjnego. Do zbilansowania zapotrzebowania na ciepło wykorzystuje się również
promieniowanie słoneczne, odzysk ciepła z wentylacji (rekuperacja), a także zyski cieplne pochodzące z wewnętrznych źródeł, takich jak urządzenia elektryczne czy nawet sami mieszkańcy.
Grzejnik (potocznie nazywany kaloryferem, z fr. calorifère) - wymiennik cieplny typu woda-powietrze lub para-powietrze, stanowiący element układu centralnego ogrzewania. Obecnie najczęściej stosowane są grzejniki płytowe, zbudowane ze zgrzewanych płyt stalowych. W nowych instalacjach centralnego ogrzewania praktycznie nie pojawiają się już grzejniki żebrowe, mimo że w niektórych rozwiązaniach modułowość konstrukcji pozwala na dodanie większej liczby żeber, a dzięki temu prostą zmianę mocy grzejnika. Przez grzejnik przepływa gorąca woda lub para, która zazwyczaj nie pochodzi bezpośrednio z elektrociepłowni. Woda zasilająca całą instalację jest ogrzewana w wymienniku ciepła przez wodę z sieci ciepłowniczej lub w kotle, a następnie płynie do odbiorników ciepła, jakimi są grzejniki.
Kocioł centralnego ogrzewania - urządzenie do spalania paliw stałych (węgla, drewna, koksu itp.), gazowych (gaz ziemny, płynny), olejowych (olej opałowy), w celu podgrzania nośnika ciepła (zwykle jest to woda), cyrkulującego w obiegu centralnego ogrzewania. W potocznym języku kocioł centralnego ogrzewania błędnie nazywany jest piecem. W odróżnieniu od pieca, który wytworzone ciepło oddaje do otoczenia, kocioł oddaje ciepło substancji przenoszącej je, a podgrzane medium trafia w inne miejsce, np. do grzejnika, gdzie jest wykorzystywane.
Kocioł kondensacyjny - urządzenie z zamkniętą komorą spalania. Kotły tego typu odbierają dodatkową ilość ciepła ze spalin, które w tradycyjnych kotłach uciekają przez komin. Dzięki temu pracują z wyższą sprawnością, sięgającą do 109%, podczas gdy w tradycyjnych modelach wynosi ona do 90% - czyli lepiej wykorzystują paliwo, co przekłada się na niższe koszty ogrzewania. Efekt pracy kotłów kondensacyjnych najlepiej widać po temperaturze spalin. W tradycyjnych kotłach spaliny mają temperaturę ponad 100°C, a w kondensacyjnych wynosi ona tylko 45-60°C.
Mirosław Usidus
