Nizkoenergijske in pasivne hiše

Vir: KLIMATERM d.o.o., www.gi-zrmk.si/ensvet.htm

Pri načrtovanju nizkoenergijske ali pasivne hiše nas pogosto zanima, koliko dražja je takšna gradnja v primerjavi z gradnjo klasične hiše. Pri primerjavi stroškov je vzeta klasična hiša, načrtovana v skladu s predpisi o toplotni zaščiti, ki so veljavni ob nastanku tega članka.

Za primerjavo rabe energije za različne stavbe uporabljamo energijsko število, ki predstavlja celotno rabo energije v stavbi na površinsko enoto uporabne površine bivalnega prostora v obdobju enega leta. Energijsko število je seštevek energijskih števil za ogrevanje prostorov, pripravo tople sanitarne vode in za drugo opremo (razsvetljava, gospodinjski aparati ipd).

Letna raba energije za ogrevanje v klasično grajenih zgradbah znaša v povprečju približno 200 kWh/m2leto (kilovatnih ur na kvadratni meter na leto), kar preračunano na porabo goriva pomeni 20 litrov olja na kvadratni meter uporabne stanovanjske površine na leto. Večji del teh stavb so zgradili pred 20 in več leti in v večini primerov brez zadostne toplotne izolacije. Takšna raba energije, ki je občutno prevelika, v bodoče ne bo več možna. Z uveljavitvijo Pravilnika o toplotni zaščiti in učinkoviti rabi energije (Ur. list RS 42/2002) je največja letna raba energije za ogrevanje predpisana kot 45 + 40 · fo, kjer je fo faktor oblike objekta (fo = A / Ve in predstavlja razmerje med celotno zunanjo površino stavbe A in ogrevano prostornino stavbe). Za stavbe to pomeni med 60 in 80 kWh/m2leto ali preračunano na porabo goriva med 6 in 8 litri ekstra lahkega kurilnega olja na kvadratni meter stanovanjske površine na leto. Če upoštevamo še dodatne toplotne izgube na ogrevalnem sistemu, ki so lahko med 10 in 20 %, znaša poraba kurilnega olja med 7 in 10 litrov na kvadratni meter na leto. Vnaprej predpisana letna raba energije za ogrevanje je tudi v skladu z zakonodajo v Evropski skupnosti, kjer je ta vrednost približno 70 kilovatnih ur toplotne energije na kvadratni meter uporabne površine na leto (70 kWh/m2leto).

Primer: letna raba energije za ogrevanje nizkoenergijske hiše, ki je zgrajena v Salzburgu:

Neto površina (NPE) ogrevalnih površin znaša 130 m2 in bruto površina (BPE) znaša 190 m2. Osnovni ovoj je zidan iz opečnega bloka debeline 25 cm z vgrajeno toplotno izolacijo iz mineralne volne debeline 17 cm. Vgrajenih je 31 m2 sprejemnikov sončne energije. Na južni strani so velike zastekljene površine za pasivno izkoriščanje sončne energije. Osnovni podatki:

Konstrukcija

• zunanja stena: 25 cm opečni blok, 17 cm toplotne izolacije
• streha: 30 cm toplotne izolacije
• tla na terenu pri talnem ogrevanju: 12 cm toplotne izolacije

U - vrednost

• zunanje stene: 0,19 W/m2K
• streha: 0,16 W/m2K
• strop nad kletjo: 0,22 W/m2K
• okna (okvir + steklo): 0,9 W/m2K

Ogrevanje, priprava tople vode, prezračevanje

• ogrevanje: 40 % s solarnim sistemom, ostalo z zemeljskim plinom
• priprava tople vode: s sprejemniki sončne energije (SSE) izkoristek približno 80 %
• površina SSE: 31 m2
• kontrolirano prezračevanje

Energijsko število ogrevanja

• bruto površina (BPE): 190 m2
• energijsko število ogrevanja Eog = 33 kWh/m2BPEa
• toplotna energija, pridobljena s kurilno napravo: 20 kWh/m2BPEa
• toplotna energija za ogrevanje, pridobljena s SSE: 13 kWh/m2BPE ali 40 %

Energijsko varčna in pasivna hiša

Z dobro izolacijo lahko občutno zmanjšamo toplotne izgube in se tako približamo razredu energijsko varčnih hiš, pri katerih letna rabe energije za ogrevanje in pripravo tople vode ne presega 80 kWh/m2leto. Za nizkoenergijske hiše tako velja, da za ogrevanje prostorov porabimo največ 55, za pripravo vode pa 25 kilovatnih ur na kvadratni meter uporabne površine na leto.

Glede na količino porabljene letne energije za ogrevanje ločimo med nizkoenergijskimi hišami s porabo med 20 in 55 kWh/m2leto ter pasivnimi hišami, kjer ta vrednost znaša manj od 20 kWh/m2leto.

V svetu je zgrajenih že precej poskusnih stavb, ki imajo povečano toplotno zaščito ovoja in vgrajene sodobne sisteme ogrevanja in prezračevanja, pri katerih je raba energije za ogrevanje od 0 do 20 kWh/m2leto (Zero Heating Energy House).

Med nizkoenergijske hiše lahko štejemo tudi klasične hiše, pri katerih je poudarek na zadostni toplotni izolaciji in vgrajenih kakovostnih oknih. Za ogrevanje teh zgradb koristimo nižje temperature dovoda, kar nam omogoča izkoriščanje alternativnih virov toplote. Pri načrtovanju novih objektov lahko izbiramo med različnimi vrstami nizkotemperaturnih ogrevalnih sistemov, ki jih uporabimo tudi poleti za hlajenje prostorov. Za hlajenje potrebujemo dodatno hladilno napravo; odločimo se lahko za uporabo toplotne črpalke in vgradnjo površinskega ali ploskovnega ogrevanja (stensko, talno, stropno ogrevanje).

Pri obstoječih zgradbah lahko z dobro toplotno izolacijo in zamenjavo oken porabo toplotne energije za ogrevanje toliko zmanjšamo, da zgradbo štejemo med nizkoenergijske. Pri tem obstaja nevarnost, da obstoječi ogrevalni sistem postane predimenzioniran, kar ima za posledici znižanje izkoristka kotla in ponavadi zaradi neustrezne regulacije tudi znižanje izkoristka ogrevalnega sistema. Poleg tega z vgradnjo tesnih oken zmanjšamo ventilacijske izgube in izmenjavo zraka v prostoru. Iz teh razlogov je treba za dovod zadostne količine svežega zraka najpogosteje vgraditi prezračevalni sistem. V nasprotnem primeru lahko povzročimo neugodje v prostoru, pojavi se lahko vlaga in z njo povezana plesen. Če si pomagamo s prekomernim odpiranjem oken, povzročamo znatne toplotne izgube.

Za takoimenovano trilitrsko nizkoenergijsko hišo, to je s porabo treh litrov ekstra lahkega kurilnega olja na kvadratni meter uporabne stanovanjske površine na leto, veljajo vrednosti s preglednice 1.
Preglednica 2 pa prikazuje najvišje vrednosti toplotne prehodnosti U_max za posamezne gradbene konstrukcije in okna, da lahko dosežemo tako nizko rabo energije.

V nizkoenergijski hiši pomemben del energije za potrebe objekta (ogrevanje, pripravo tople vode in drugo) zagotovimo z elementi za nizkotemperaturno pretvarjanje sončnega obsevanja in sicer:

• z aktivnimi solarnimi sistemi (sprejemniki sončne energije, fotovoltaika),
• s pasivnimi solarnimi sistemi (velike zastekljene površine na južni strani, stekleniki).

Analiza stroškov za izgradnjo nizkoenergijske hiše je pokazala, da so ti za približno 33.000 EUR višji, če jih primerjamo s stroški za izgradnjo stanovanjske klasične hiše, ki je načrtovana glede rabe energije v skladu z veljavnimi predpisi o toplotni zaščiti. Višji stroški pri gradnji nizkoenergijske hiše nastanejo zaradi vgradnje kontroliranega prezračevanja, večje debeline toplotne izolacije ter gradnje, pri kateri z ustreznim načinom preprečimo prekomerne pojave toplotnih mostov in je zagotovljena ustrezna zrakotesnost ovoja.

Za pasivne hiše je značilna takšna arhitektura, da v čim večji možni meri izkorišča sončno energijo za ogrevanje v zimskem času. Debelina toplotne izolacije ovoja stavbe je še bolj izdatna kot pri nizkoenergijskih hišah in znaša od 30 do 40 centimetrov. Zaradi nizkih potreb po ogrevanju kot vir ogrevanja najpogosteje uporabljamo toplotne črpalke v kombinaciji s sprejemniki sončne energije za pripravo in hranjenje ogrevalne in sanitarne vode. Nadaljnje prihranke dosežemo s prisilnim prezračevanjem in vgradnjo naprav za vračanje toplote odtočnega zraka (rekuperacija). Elementi za pretvarjanja sončnega obsevanja so v večini nameščeni na ovoju stavb in jih imenujemo tudi elementi za naravno ogrevanje stavb z soncem.

Stavbo pripravimo tako, da sama sprejema sončno energijo, da je hkrati hranilnik toplote in ogrevalni sistem. To naredimo tako, da stavbo dobro toplotno izoliramo in na severni strani predvidimo kar najmanj zastekljenih odprtin. Za takšne hiše je značilna postavitev v smeri sever - jug. Južna stena je zastekljena z ustreznimi stekli, na severni steni pa je delež zasteklitve majhen. Toplotna prehodnost okna (skupaj za okvir in steklo) znaša manj od 0,8 W/m2K. Stavba naj bo z bivalnimi prostori obrnjena proti jugu in z drugimi pomožnimi prostori proti severu. Na južni strani lahko namestimo pasivne elemente (okna, zastekljene zidove, steklenike in prezračevane fasadne elemente), omogočimo dobro kroženje zraka med prostori ter predvidimo zaščito pred poletnim soncem. Pri večini teh naprav segrevamo neposredno zrak v stavbi. Za shranjevanje toplote v gradbenih elementih najpogosteje uporabimo kar maso gradbene konstrukcije. Med gradbeni materiali so to predvsem opeka, beton in silikatna opeka. Pri tem je treba omeniti, da nobeden gradbeni material po sposobnosti shranjevanja toplote ne dosega vode.

Kroženje zraka v stavbi (toploto med prostori prenaša zrak) je lahko naravno ali prisilno. Naravno kroženje zraka je možno, če je stavba arhitektonsko zasnovana tako, da so toplejši prostori na jugu (dnevna soba, jedilnica), hladnejši pa na severu (spalnice, hodniki), vendar ga težko nadzorujemo, odvisno je od temperaturnih razmer v stavbi in od vdora zunanjega zraka skozi reže oken in vrat. Da dosežemo bolj enakomeren prenos toplote med prostori, uporabljamo ventilatorje in kanale za prisilno kroženje zraka. Notranja razporeditev prostorov v tem primeru ni tako pomembna. Sistem za prisilno kroženje zraka je treba dimenzionirati tako, da se zrak med osončenimi in neosončenimi prostori izmenja vsaj petkrat na uro.

Velike steklene površine v zimskem času omogočajo naravno ogrevanje stavb, v poletnem času pa so lahko vzrok za pregrevanje. Toploto, ki jo prek dneva sprejmejo gradbene konstrukcije, moramo prenesti iz stavbe z močnim nočnim prezračevanjem s petkratno izmenjavo zraka na uro. To pomeni, da samo masivne gradbene konstrukcije brez urejenega nočnega prezračevanja ne preprečujejo pregrevanja stavb v poletnem času. Primerno bivalno ugodje v stavbah v poletnem času zagotovimo le s senčenjem, to je vgradnjo ustreznih naravnih ali umetnih senčil.

Za pasivno hišo, ki porabi manj kot liter in pol ekstra lahkega kurilnega olja na kvadratni meter uporabne stanovanjske površine na leto, veljajo vrednosti s preglednice 3. Da te vrednosti dosežemo, so potrebne takšne najvišje toplotne prehodnosti Umax posameznih gradbenih konstrukcij, kot jih prikazuje preglednica 4.

V preglednici 5 so prikazana energijska števila ogrevanja za klasično hišo z rabo energije glede na obstoječe avstrijske predpise o toplotni zaščiti ter energijska števila ogrevanja za nizkoenergijsko hišo in pasivno hišo.

Pri gradnji pasivne hiše je treba v primerjavi z nizkoenergijsko hišo investirati približno 4.000 EUR več in približno 37.000 EUR več v primerjavi s klasično hišo. Višji stroški pri gradnji nizkoenergijske hiše v primerjavi s klasično hišo nastanejo zaradi vgradnje kontroliranega prezračevanja z vračanjem toplote odtočnega zraka, vgradnje optimalnega ogrevalnega sistema, vgradnje povečane debeline toplotne izolacije ter tudi takšnega načina gradnje, da preprečimo pojav toplotnih mostov in zagotovimo ustrezno zrakotesnost ovoja.

Z ustrezno zasnovo stavbe in določitvijo optimalne toplotne zaščite lahko zmanjšamo količino potrebne dodatne energije za ogrevanje, kajti absolutna količina sončne energije se manjša z naraščanjem kakovosti toplotne zaščite stavbe.

V Nemčiji teče projekt sanacije starih stavb tako, da bodo dosegli letno rabo primarne energije 30 kWh/m2, kar znaša preračunano v kurilno olje 3 l/m2. Projekt teče pod imenom "Trilitrska hiša" (Das Drei-Liter- Haus). Pojavlja se vprašanje, kakšne ukrepe je treba izvesti, da bomo tudi pri nas dosegli porabo tri litre kurilnega olja na kvadratni meter neto stanovanjske površine. Izračun za takšne ukrepe naredimo z metodo, ki je določena v novem pravilniku (standard SIST EN 832).

Kot primer je izbrana hiša:

• enostanovanjska hiša s 160 m2 uporabne površine,
• zunanja stena 8 do 10 cm toplotne izolacije iz mineralne volne (l =0,03 - 0,04 W/mK),
• strop proti nepohodnemu podstrešju 20 cm toplotne izolacije iz mineralne volne,
• poševna streha 20 cm toplotne izolacije iz mineralne volne,
• tla 6 cm izolacije iz mineralne volne,
• okna s 5-komornimi PVC profili in stekli z U  = 1,1 W/m2K,
• ogrevalni sistem z ekstra lahkim kurilnim oljem (ELKO),
• letni ogrevalni izkoristek ηog = 0,75,
• temperaturni primanjkljaj (3300 K/dan, klimatski pogoji za Maribor),
• 0,5 - kratna izmenjava zraka,
• notranji viri 5 W/m2.

Izračunana letna raba primarne energije za ogrevanje brez priprave sanitarne vode znaša 73 kWh/m2 ali 7,3 litra kurilnega olja na kvadratni meter. Da bi dosegli letno rabo primarne energije za ogrevanje približno 30 kWh/m2, preračunano v porabo goriva 3 litre na kvadratni meter, je treba na zgradbi povečati debelino toplotne izolacije, zamenjati okna in posodobiti ogrevalni sistem.

Spremembe so naslednje:

• zunanje stene imajo 20 cm toplotne izolacije iz mineralne volne (l = 0,035 W/mK),
• strop proti nepohodnemu podstrešju ima 30 cm toplotne izolacije iz mineralne volne,
• poševna streha ima 25 cm toplotne izolacije iz mineralne volne,
• tla 10 cm izolacije iz mineralne volne,
• grajena so okna s skupno toplotno prehodnostjo (okvir + steko) Uokna = 0,8 W/m2K,
• ogrevalni sistem je izboljšan, z vgrajenim kondenzacijskim kotlom, ustrezno regulacijo ter letnim izkoristkom ogrevalnega sistema ηog = 0,90.

Če želimo še dodatno zmanjšati toplotne izgube, je treba vgraditi prisilno prezračevanje s prenosnikom toplote za vračanje toplote odtočnega zraka.

Dokaj enostaven izračun pokaže, da je tudi pri nas možno z določenimi ukrepi zgraditi hiše, ki spadajo v razred s porabo treh litrov olja na kvadratni meter uporabne površine. Glede na stroške gradnje trilitrske hiše, posebej pa pasivne hiše s porabo manjšo od dveh litrov olja na kvadratni meter uporabne površine, se lahko pojavi problem ekonomske upravičenosti, ker so vračilni roki takšne investicije lahko precej dolgi. Drugače razmišljajo v Avstriji, kjer so za graditelje, ki se odločijo za gradnjo nizkoenergijskih in pasivnih hiš, na voljo zelo ugodni krediti.