Grijanje i Klimatizacija Niskoenergetskih i Pasivnih Kuća

Grijanje i klimatizacija

Uvod Enegetska učinkovitost u zgradarstvu prepoznata je danas kao područje koje ima najveći potencijal za smanjenje ukupne potrošnje energije,čime se direktno utiče na ugodniji i kvalitetniji boravak u zgradi, duţi ţivotni vijek zgrade te ujedno doprinosi zaštiti okoliša i smanjenju emisija štetnih plinova.Mjere energetske učinkovitosti u zgradarstvu uključuju cijeli niz različitih područja mogućnosti uštede toplinske i električne energije, uz racionalnu primjenu fosilnih goriva, te primjenu obnovljivih izvora energije u zgradama, gdje god je to funkcionalno izvedivo i ekonomski opravdano. Zgrade su najveći pojedinačni potrošači energije i veliki izvori štetnih emisija staklenih plinova, posebno CO . Ukoliko se promatra potrošnja energije u najvećem sektoru potrošnje – sektoru opće potrošnje, u kojem su najveći potrošači stambene i nestambene zgrade, moţe se primjetiti stalan porast potrošnje finalne energije.

1. Cilj energetske učinkovitosti u zgradarstvu Temeljni cilj energetske učinkovitosti u zgradarstvu je uspostava mehanizama koji će trajno smanjiti energetske potrebe pri projektovanju, izgradnji i korištenju novih zgrada, kao i rekonstrukciji postojećih, te uklanjanje barijera uvoĎenjem mjera energetske učinkovitosti u postojeći i novi stambeni i nestambeni fond zgrada. Uspješna implementacija mjera energetske učinkovitosti u zgradarstvu temelji se na:        

promjeni zakonodavnog okruţenja i usklaĎivanja s propisima na području toplinske zaštite i uštede energije te primjene obnovljivih izvora energije, povećanju toplinske zaštite postojećih i novih zgrada, povećanju učinkovitosti sistema grijanja, ventilacije i klimatizacije, povećanju učinkovitosti sistema rasvjete i energetskih potrošača, energetskoj kontroli i upravljanju energijom u postojećim i novim zgradama, propisivanju ciljne vrijednosti ukupne godišnje potrošnje zgrade po m² ili m³, uvoĎenju energetskog certifikata kao sistema označavanja zgrada prema godišnjoj potrošnji energije i stalnoj edukaciji i promociji mjera povećanja energetske učinkovitosti.

2. Niskoenergetske i pasivne kuće Koncept niskoenergetske kuće danas nije tačno definiran, a kreće se okvirno od 30 do 40 kWh/m2 godišnje potrebne energije za grijanje. Za zadovoljavanje zahtjeva pasivne kuće, potrebna energija za grijanje mora biti manja od 15 kWh/m2 godišnje. U pasivnoj kući, ulaganje koje se inače koristi za grijanje prostora ovdje se koristi za više izolacije, bolje prozore i ventilaciju. Kao rezultat toga ukupna energija koja se koristi u pasivnoj kući najčešće je 2,5 puta manja od energije za niskoenergetsku kuću, a deset puta manja od prosječne potrošnje energije u zgradama danas. Pasivna kuća se danas moţe definirati kao graĎevina bez aktivnog sistema za zagrijavanje konvencionalnim izvorima energije.Popularno se naziva i kuća bez grijanja ili jednolitarska kuća, jer se energetska potrošnja takve kuće moţe izraziti samo jednom litrom loţ ulja po m2 godišnje. Godišnja potreba za zagrijavanje savremene pasivne kuće kreće se oko 15 3


kWh/m2 i manje, a ukupne energetske potrebe za grijanje, potrošnu toplu vodu i el. energiju iznose manje od 42 kWh/m2. Ukidanjem konvencionalnog sistema grijanja pasivna kuća ostvaruje dodatne uštede i postaje ekonomski isplativa.Za razliku od niskoenergetskih kuća, kod kojih to nije uvjet, pasivne kuće uvijek imaju mehanički sistem ventilacije s rekuperatorom. Osnovna ideja pasivne kuće je da se oblikovanjem, orijentacijom i visokom razinom toplinske izolacije vanjske strane kuće, uz kvalitetnu ventilaciju prostora, stvori optimalna kuća koja ne treba konvencionalne izvore grijanja. Dakle, pravilo za uspješno projektiranje i optimiziranje pasivne kuće je:   

minimizirati gubitke topline iz kuće maksimizirati dobitke topline u kuću dovesti optimalnu količinu svjeţeg zraka sistemom prisilne ventilacije, uz rekuperaciju dijela energije iz iskorištenog zraka

Slika 1. Presjek kroz pasivnu kuću

Koeficijent prolaska topline za sve graĎevne presjeke vanjskog omotača ne smije biti veći od 0,15 W/m2K, a prozora i vanjskih vrata 0,80 W/m2K te uz broj izmjena zraka na sat manji od 0,6.Za energetski prinos od pasivnog zahvata sunčevog zračenja potrebna je što veća otvorenost juţnog pročelja, uz izuzetno visoku razinu toplinske izolacije cijele vanjske ovojnice kao i visoku gustoću uz kontroliranu ventilaciju.Za grijanje i potrošnu toplu vodu često se koriste toplinski kolektori.Brojni realizirani projekti pasivnih kuća u Europi pokazali su da dodatne investicije u toplinsku izolaciju i ventilaciju, kompenzirano smanjenim ulaganjima u tehniku grijanja, dovode do prosječnog povećanja ukupnih troškova gradnje od oko 10-20 posto. Računajući da će se ta dodatna ulaganja kroz minimalne troškove grijanja amortizirati u prvih 10 godina korištenja kuće,dolazi se do jasnih rezultata koji ukazuju na ekonomsku opravdanost ovakve gradnje. Glavni pozitivni efekt pasivne kuće je zaštita okoliša.Uspješni dizajn pasivne kuće podrazumijeva promatranje kuće kao jedinstvene cjeline raznih komponenti koje zajedno 4


tvore optimalnu cjelinu u svako godišnje doba. Opskrba svjeţim zrakom, grijanje, hlaĎenje, svjetlo i naravno vanjski omotač zgrade, moraju formirati ugodan i funkcionalan prostor za ţivot.

Slika 2. Energetska bilanca prosječne zgrade građene 70-tih godina, prije rekonstrukcije i bilanca nakon rekonstrukcije primjenom standarda niskoenergetske i pasivne gradnje

Pasivna kuća je paţljivo arhitektonski-graĎevinsko-termodinamički-ekonomsko izbalansirana kuća. Prije projektiranja konkretne graĎevine potrebno je analizirati prirodne datosti parcele, klimatske uvjete, i eventualne utjecaje izgraĎene okoline.Orijentacijom i oblikom kući se mora omogućiti maksimalno osunčanje, izbjeći svako nepoţeljno zasjenjenje, izloţenost udarima vjetra, i dr.U pasivnoj kući energetske potrebe za zagrijavanje prostora pokrivene su već opisanim standardom gradnje. Sve ostale energetske potrebe - za zagrijavanjem potrošne tople vode i električnom energijom - mogu se pokriti sunčevom energijom, tj. aktivnim toplinskim i fotonaponskim sistemima te u kombinaciji s drugim obnovljivim izvorima energije, uz odgovarajuću ventilaciju prostora.Pasivna kuća arhitektonskim elementima i oblikovanjem ne odstupa posebno od konvencionalnih zgrada. Raznolikost ovakve izgradnje je svakim danom sve izraţenija, a uspješnim projektom smatra se onaj koji principe pasivne arhitekture ne postavlja kao ograničenja nego ih shvaća kao nove elemente oblikovanja. Iz dvadesetogodišnjeg istraţivanja, projektiranja i realizacija niskoenergetskih i nulenergetskih kuća proizašle su slijedeće projektantske smjernice:        

smještaj na parceli - dovoljna udaljenost od drugih kuća za prihvat niskog zimskog sunca kuću otvoriti prema jugu, a zatvoriti prema sjeveru zelenilom spriječiti pretjerano osunčanje ljeti i stvoriti bolju mikroklimu kompaktan volumen zgrade, s ograničenom dubinom kvalitetan sistem zaštite od ljetnog sunca, usmjeravanje dnevnog svjetla graĎevne elemente koji mogu posluţiti i kao zaštita od sunca - istake, balkone, smjestiti na juţnoj fasadi visoki stupanj toplinske izolacije cijele graĎevinske opne izbjegavati toplinske mostove 5


                        

prozori moraju biti s minimalno dvoslojnim izo staklom,preporuka troslojno izo staklo, visoke termičke kvalitete,s dobrim brtvljenjem vanjska vrata ispunjena toplinskom izolacijom smjestiti pomoćne prostorije na sjeveru povezati meĎusobno grijane prostorije skratiti duljine cjevovoda za grijanje i toplu vodu da bi se smanjili gubici prostorije slične funkcije grupirati zajedno optimirati orijentaciju ploha za aktivno i pasivno korištenje sunčeve energije zoniranje i podjela prostorija prema korisnim zonama slične unutarnje temperature smjestiti zidove spremnike topline tako da su izloţeni suncu izolirati unutarnje prostorije prema negrijanim prostorijama teţiti što većem stupnju nepropusnosti graĎevinskih elemenata. Kod ureĎaja za ventilaciju postaviti više zahtjeve nego kod prirodnog prozračivanja kroz prozore kod prozračivanja kroz prozore dati mogućnost dvostranog prozračivanja predvidjeti mehaničku prisilnu ventilaciju prostora dati mogućnost predgrijavanja zraka prije ulaska u prostor preporučuje se kontrolirani dovod i odvod zraka s podzemnim izmjenjivačem topline i s rekuperacijom topline iz iskorištenog zraka odabrati nisku temperaturu sistema grijanja i kombinirati ga s obnovljivim izvorima energije pojačati izolaciju cjevovoda, čak i kod prolaska cijevi kroz graĎevni element poboljšati izolaciju toplinskog spremnika ugraditi vremenske regulatore planirati solarni sistem za grijanje i potrošnu toplu vodu ukupne toplinske potrebe svesti ispod 15 kWh/m2 visoka toplinska izolacija prozora je vaţnija od solarnih dobitaka kroz velike staklene plohe u kritičnom razdoblju decembar/januar optimalan nagib krovnih ploha za smještaj solarnih kolektora,preporuča se juţna orijentacija i nagib krova ili kolektora 50- 60º po završetku izgradnje, provjeriti kvalitetu gradnje termografskim snimanjem provjeriti i pregledati sve ugraĎene ureĎaje.

Kod preporuka za arhitektonsko oblikovanje kuće treba naglasiti da uz poštivanje osnovnih smjernica pasivne kuće, projektant moţe imati potpunu slobodu u projektiranju. Cilj pasivne kuće nije tipizirati i unificirati arhitektonsko oblikovanje, već naprotiv ponuditi što inovativnije rješenje s paţljivo usklaĎenim i optimiranim sistemom.U sistemu ventilacije najčešće se koristi podzemni izmjenjivač s rekuperatorom, koji omogućava predgrijavanje ulaznog zraka zimi, odnosno pothlaĎivanje ljeti. Uz visoku razinu toplinske zaštite, i smanjene potrebe za toplinskom energijom na ispod 15 kWh/m2, konvencionalni sistem grijanja nije potreban iako ga ljudi često instaliraju jednostavno iz nepovjerenja u funkcioniranje pasivne kuće. Dodatne potrebe za toplinom umjesto sistema grijanja mogu se realizirati putem manje centralno smještene peći na pelete/brikete, koja će u najhladnijim danima sasvim sigurno dati dovoljnu ugodu topline prostora.Kako bi se minimizirala ukupna potrošnja energije pasivne kuće, preporučuje se korištenje štedne rasvjete i visokoučinkovitih kućanskih ureĎaja.U ukupnoj energetskoj bilanci kuće vaţnu ulogu igraju i toplinski dobici od Sunca. U suvremenoj arhitekturi puno paţnje 6


posvećuje se prihvatu Sunca i zaštiti od pretjeranog osunčanja, jer se i pasivni dobici topline moraju regulirati i optimizirati u zadovoljavajuću cjelinu. Suvremeni tzv. “daylight” sistemi koriste optička sredstva kako bi potakli refleksiju, lomljenje svjetlosnih zraka ili za aktivni ili pasivni prihvat svjetla. Suvremeni sistemi kontrole prolaska svjetla i upravljanja dnevnim osvjetljenjem novi su doprinos energetskoj učinkovitosti i odrţivom razvoju. Ti sistemi se danas uključuju u arhitekturu još u fazi najranijeg projektiranja. Pretjerano zagrijavanje ljeti treba spriječiti sredstvima za zaštitu od Sunca, usmjeravanjem dnevnog svjetla, zelenilom, prirodnim provjetravanjem i sl.Zbog djelotvorne zaštite od preintenzivnog osvjetljenja primjenjuju se sljedeća rješenja:    

arhitektonska geometrija: zelenilo, trijemovi, strehe, nadstrešnice, balkoni i dr. elementi vanjske zaštite od sunca: razni pokretni i nepokretni brisoleji, vanjske ţaluzine, rolete, tende, inteligentna pročelja, savremena ostakljenja i dr. elementi unutarnje zaštite od sunca: rolete, ţaluzine, roloi, zavjese i dr. elementi unutar stakla za zaštitu od sunca i usmjeravanje svjetla - holografski elementi, reflektirajuća stakla i folije,staklo koje usmjerava svjetlo, staklene prizme i dr.

Bez obzira na vrstu zaštite od sunca treba nastojati ugraditi maksimalno efikasna sredstva. Ukoliko se radi o klasičnim roletama, posebnu paţnju treba obratiti na toplinsku izolaciju kutija za rolete, te na mogućnost ugradnje dodatno toplinski izoliranih lamela plastičnih ili aluminijskih roleta.

3. Projektovanje pasivne kuće U Europi i svijetu je do danas izvedeno više od 9000 certificiranih pasivnih kuća od kojih je većina u Njemačkoj i Austriji. Razvoj i izgradnja pasivnih kuća, istraţivačkim projektom Europske unije CEPHEUS (Cost Efficient Passive Houses as European Standards – Učinkovite Pasivne kuće kao EU standard) sa znanstvenim monitoringom, potvrdilo je energetsku i ekonomsku učinkovitost pa se pasivna kuća u novom akcijskom planu EU predlaţe kao standard gradnje. Koncept pasivnih kuća temelji se na odrţivoj i energetski učinkovitoj gradnji.Osnovno načelo takvih kuća je smanjiti zahtjeve za energijom potrebnom za zagrijavanje prostora, odnosno reducirati toplinske gubitke što je više moguće jer će time toplinski dobici biti gotovo u cijelosti dovoljni kako bi se postigla i odrţala ţeljena temperatura u unutrašnjosti objekta. Takvi se uvjeti prije svega postiţu povoljnom orijentacijom i oblikovanjem kuće, visokim nivoom njene toplinske izolacije vanjske opne te kvalitetnim sustavom provjetravnja (ventilacije) prostora koji je neophodan u takvom konceptu.

3.1 Orijentacija i koncept oblikovanja Već je Sokrat prije 2500 godina shvatio da kuća moţe biti prijemnik Sunčeve energije i da je njen poloţaj u prirodi te izgled jako vaţan. Optimalna orijentacija objekta i nepostojanje bilo kakvih prepreka koje bi na objekt stvarale sjenu predstavljaju daljnje pretpostavke kako bi pasivna sunčeva energija – svjetlost i toplina - nesmetano prodirala u unutrašnjost.

7


Pravilno oblikovanje zgrade omogućiti će manje vanjskih površina na kojima se gubi toplina. Staklene površine sa juţne strane moraju biti relativno velike, a one sa sjeverne strane dovoljne da zadovolje potrebe za osvjetljenjem.

Slika 3. Konstrukcijski materijali

Vaţno je da prozori omogućavaju maksimalno iskorištenje dnevnog svjetla i da se izbjegavaju prevelika osunčavanja tjekom ljetnih perioda, dobro je predvidjeti i sjenila, odnosno nadstrešnice koje će osigurati umjerenu osunčanost prozora ljeti. Zgrada mora biti što kompaktnija, bez razvedenih krila, dogradnji, masivnih neizoliranih balkona i sl. jer svaki dio objekta koji je izloţen ili izbačen povećava potrošnju energije. Stoga je u pogledu konfiguracije kuće veoma vaţno da su omotač kuće i njen unutrašnji prostor usklaĎeni, odnosno da postoji minimalna površina omotača prostora koji se grije, jer gubitak topline i troškovi izgradnje su to niţi što je površina omotača manja.Ako je pasivna kuća graĎena u izvedbi na kat odnosno na dva i više katova standard pasivne kuće moţe funkcionirati i bez da je objekt orijentiran prema juţnoj strani. Prije svega valja obratiti pozornost na to da graĎevinski teren bude što osunčaniji, da nije u kotlini ili na vlaţnom močvarnom području. Uglavnom, „prava lokacija“ i smještaj objekta stvara uštede već na početku.

3.2 Toplinska zaštita i izbjegavanje toplinskih mostova Temeljno načelo smanjenja energetskih potreba za grijanje kuće ili povećanja energetske efikasnosti je optimalna toplinska zaštita cijele vanjske ovojnice i izbjegavanje toplinskih mostova. Zadaća toplinske izolacije jest smanjenje toplinskih gubitaka i posredno troškova energije, ali i zaštita nosive konstrukcije pred vanjskim vremenskim utjecajima.

8


Slika 4. Toplinska izolacija

Dobra i kvalitetna toplinska izolacija pojedinačnih dijelova – krova, vanjskog zida ili podruma, je najsigurniji i najodrţiviji način da se izbjegnu toplinski gubici. Svi neprozirni elementi omotača kuće trebaju imati, prema standardima pasivne gradnje, toplinsku izolaciju čiji koeficijent prolaza topline U – vrijednost nije veći od 0,15 W/m2K. Ne smije se izgubiti više od maksimalnih 0,15 W energije za grijanje za svaki stupanj promjene temperature i svaki kvadratni metar vanjskog prostora. To se postţe primjenom izolacije debljine od 25 cm do 30 cm što je značajno više od klasične gradnje. Cijeli je vanjski omotač kuće potrebno izvesti u kvalitetnoj toplinskoj izolaciji. Rubovi, uglova, spojna mjesta i otvori moraju se dobro isplanirati kako bi se izbjegla pojava toplinskih mostova.

Slika5. Debljina toplinske izolacije u zavisnosti od vrste gradnje

Toplinski most je manje područje u omotaču grijanog dijela zgrade kroz koje je toplinski tok povećan radi promjene materijala, debljine ili geometrije graĎevnog dijela. Zbog smanjenog otpora toplinskoj propustljivosti u odnosu na tipični presjek konstrukcije, temperatura unutarnje površine pregrade na toplinskom mostu manja je nego na ostaloj površini, što povećava opasnost od kondenziranja vodene pare. Ovisno o uzroku povišene toplinske propustljivosti, imamo dvije vrste toplinskih mostova koji su prikazani na slici 6. :

9


 

konstruktivni toplinski mostovi - nastaju kod kombinacija različitih vrsta materijala; geometrijski toplinski mostovi - nastaju uslijed promjene oblika konstrukcije

Slika 6. Primjeri toplotnih mostova

Uz kvalitetnu toplinsku izolaciju vanjske ovojnice kuće, izbjegavanje jakih toplinskih mostova preduvjet je energetski efikasne gradnje. Najveći gubici topline se ostvaruju kroz prozore i vanjske zidove, te se njihovom kvalitetno izvedenom izolacijom postiţu velike uštede, kao i izolacijom krova iznad negrijanog prostora. Neka od potencijalnih mjesta nastanka toplinskih mostova su na slici 7. Postavom toplinske izolacije s vanjske strane moţemo izbjeći većinu toplinskih gubitaka kod toplinskih mostova.

Slika 7. Potencijalna mjesta nastanka toplinskih mostova 10


3.3 Prozori i vrata Prozor je element vanjske ovojnice zgrade koji omogućava dnevnu rasvjetu prostora, pogled u okolicu, propuštanje Sunčeve energije u zgradu i prozračivanje prostora. Ujedno vaţno je i da bude dobar izolator i da omogućuje zadrţavanje topline unutar objekta.

Slika 8. Toplinski mostovi

Prozor kao najdinamičniji dio vanjske ovojnice zgrade, koji istovremeno djeluje kao prijemnik koji propušta Sunčevu energiju u prostor, te kao zaštita od vanjskih utjecaja i toplinskih gubitaka mora biti paţljivo odabran. Ako zbrojimo transmisijske toplinske gubitke kroz prozore i gubitke provjetravanjem, ukupni toplinski gubici kroz prozore predstavljaju više od 50 posto toplinskih gubitaka zgrade. Gubici kroz prozore obično su deset pa i više puta veći od onih kroz zidove, pa je jasno koliku vaţnost igra energetska efikasnost prozora u ukupnim energetskim potrebama zgrada. Dok se na starim zgradama koeficijent U prozora kreće oko 3,00 - 3,50 W/m2K i više , europska zakonska regulativa propisuje sve niţe i niţe vrijednosti, i one se danas kreću u rasponu 1,40 - 1,80 W/m2K. Na suvremenim niskoenergetskim i pasivnim kućama taj se koeficijent kreće izmeĎu 0,80-1,10 W/m2K. Koeficijent prolaska topline za prozore i balkonska vrata moţe iznositi maksimalno U =1,80 W/m2K.

3.4 Povrat topline i obnovljivi izvori energije Pasivna se kuća moţe definirati kao graĎevina bez aktivnog sustava za zagrijavanje konvencionalnim izvorima energije, a neophodnu energiju moguće je akumulirati iz alternativnih izvora, odnosno iz zemlje, vode, zraka ili pak tehnologijom solarnih kolektora. Kod ispunjavanja zahtjeva koji se postavljaju na pasivne kuće, toplinske su pumpe gotovo neizbjeţne. Primjena klasičnog ureĎaja za provjetravanje i otvora kroz koji bi u prostorije ulazio vanjski zrak, u pasivnoj bi kući značio preveliki gubitak topline koji bi se javljao kao posljedica odlaska toplog potrošenog zraka. Gledano kroz energetsku bilancu, takvi bi veliki toplinski gubici bili nadoknadivi samo uz učestalo i snaţno zagrijavanje ili hlaĎenje. Pomoću toplinske crpke iskorištava se toplina sunca akumulirana u tlu, vodi i zraku odnosno obnovljive izvore energije.

11


Slika 9. Obnovljivi izvori energije

Povrat topline pomoću toplinskih pumpi ili izmjenjivača topline ne bi smio biti manji od 80%. Toplinska pumpa (dizalica topline) je ureĎaj koji vrši oduzimanje topline nekom toplinskom spremniku, koju taj radni medij moţe prenositi dalje kao korisnu toplinu. Ukoliko je taj toplinski spremnik konstantne temperature (npr. morska voda, toplina tla i sl.), postiţe se dobra efikasnost procesa pa ovakav ureĎaj predstavlja energetski najpovoljnije rješenje u slučaju korištenja električne energije za grijanje. Velika zrakonepropusnost je nuţna kao i nepostojanost klasičnog provjetravanja. Provjetravanje se postiţe pomoću sistema ventilacije a prilikom izbacivanja zraka dio energije se preuzima pomoću izmjenjivača topline. U današnjem vremenu energetskih kriza korištenje obnovljivih izvora energije je sve učestalije. Prednosti su višestruke: jeftinija, pouzdanija, „čišća“ energija koja je svima dostupna. Obnovljivi izvori su oni izvori energije koji su sačuvani u prirodi i obnavljaju se u cijelosti ili djelomično, a posebno : energija vodotoka, vjetra, Sunčeva energija, biogoriva, biomasa, bioplin, geotermalna energija, morskih mijena i morskih valova. Neki od obnovljivih izvora su prikazani na slici 10.

Slika 10. Obnovljivi izvori energije

Biomasu je moguće pretvoriti u razne oblike korisne energije: toplinu, električnu energiju te tekuća goriva za upotrebu u prijevozu. Tehnologije pretvorbe biomase mogu se podijeliti na primarne (konačni proizvod je toplina odnosno para te tekuća i plinovita goriva) i sekundarne (konačni proizvod je električna energija, toplina za kućanstva/industriju te goriva za korištenje u prijevozu). Proizvodnja toplinske energije uobičajen je način korištenja biomase, posebno 12


ogrjevnog drva u raznim oblicima (briketi, peleti, drvna sječka, cjepanice). Peći za izgaranje peleta i drvne sječke, posebice one manje snage za primjenu u domaćinstvima i područnom grijanju zgrada i manjih naselja, dostigle su visoki stupanj tehnološke i komercijalne zrelosti. Sunčeva energija je neiscrpan izvor energije koji u zgradama koristimo na tri načina:   

Pasivno - za grijanje i osvjetljenje prostora Aktivno - sustav sa sunčanim kolektorima i spremnikom tople vode Fotonaponske sunčane ćelije za proizvodnju električne energije

U pasivnoj sunčanoj arhitekturi koriste se sva tri načina iskorištavanja Sunčeve energije. Korištenjem Sunčeve energije moţe se smanjiti potrebe za energijom u kućama za 70 - 90 %. Sunčani kolektori pretvaraju Sunčevu energiju u toplinsku energiju vode (ili neke druge tekućine). Fotonaponske ćelije su poluvodički elementi koji direktno pretvaraju energiju Sunčeva zračenja u električnu energiju. Fotonaponske ćelije mogu se koristiti kao samostalni izvori energije ili kao dodatni izvor energije. Proizvodnja električne energije iz vjetra i sunca preporučuje se u uvjetima gdje ne postoji mogućnost priključka na elektroenergetsku mreţu. Vjetroturbine zahtijevaju lokaciju izloţenu vjetru i montaţu na relativno visok stub, ali je cijena proizvedene energije znatno manja uz veću raspoloţivost sistema. Raspoloţivost sistema se značajno povećava kombinacijom sunčanih ćelija i vjetroturbine, zbog sezonskog nepodudaranja proizvodnje.

4. Načini grijanja niskoenergetskih i pasivnih kuća 4.1 Aktivno i pasivno korištenje sunčeve energije u zgradama Budući da je prividni put Sunca preko nebeskog svoda u hladnijem dijelu godine kraći u odnosu na ljetne mjesece, a upadni ugao znatno manji, mijenja se i najpovoljniji ugao pod kojim je potrebno postaviti kolektor da bi se postigle najveće vrijednosti prikupljenog zračenja. U području graditeljstva, energija Sunca moţe se iskorištavati aktivno i pasivno. Aktivno korištenje Sunčevog zračenja podrazumijeva njegovo izravno pretvaranje u toplinsku ili električnu energiju. To pretvaranje vrši se pomoću različitih ureĎaja, a najčešći su solarni kolektori za stvaranje toplinske energije i fotonaponski paneli za stvaranje električne energije. Korištenje Sunčeve energije u zgradama na pasivan način ne traţi nikakve nove i komplicirane tehnologije. Sustav funkcionira tako da se pomoću dobro ukomponiranih tradicionalnih materijala za graĎenje, kao što su beton, kamen, staklo, drvo i metal, maksimalno iskoristi snaga vječnog izvora topline Sunca. Temeljni princip pasivnog korištenja Sunčeve energije sastoji se u tome da se zgrada otvara prema Suncu i koristi njegovu energiju. Čim Sunca nestane i čim vanjski uvjeti postanu nepovoljni, treba se zaštititi od gubitaka topline zatvaranjem prema okolini. Realizacija ovih nimalo jednostavnih zahtjeva nalazi se u sveobuhvatnom proučavanju fizikalnih procesa koji se odvijaju nakon prodora Sunčevih zraka u unutrašnjost zgrade. U svakom projektu treba zasebno analizirati što će se dešavati s energijom Sunca koja uĎe u zgradu i elemente zgrade prilagoditi tako da se pasivno korištenje Sunčeve energije provede na praktično izvodiv i ekonomski prihvatljiv način.

13


Slika 11. Aktivno i pasivno korištenje sunčeve energije u zgradama

Zadatak pasivnih solarnih sustava je prihvatiti, odnosno akumulirati što više Sunčeve energije u elementima zgrada kada je to korisno u sezoni grijanja, a da se prostorije ne pregriju. Isto tako treba se maksimalno zaštititi od jakog djelovanja Sunca u ljetnom periodu, jer će ono stvoriti prekomjerno zagrijavanje prostorija.

4.2 Akumulacija topline u elementima zgrada Općenito, akumulacija topline je svojstvo graĎevinskih materijala da mogu prihvatiti dovedenu im toplinu, u sebi je akumulirati (sačuvati) i kod hlaĎenja okoline ponovo je predavati okolini. Ova karakteristika vrlo je bitna u zgradama tijekom zimskog perioda kada grijanje ne radi kontinuirano cijeli dan, već se u pravilu prekida preko noći. Akumulirana toplinska energija omogućuje da se temperatura u prostorijama bitno ne smanji tijekom noći. 14


Količina toplinske energije koja se akumulira u graĎevinskom elementu ovisi najviše o razlici temperatura elementa i okolnog zraka, te o specifičnom toplinskom kapacitetu i masi elementa. Koeficijent akumulacije topline (W) je količina topline koju graĎevinski element akumulira po jedinici površine, za jediničnu razliku temperatura unutarnjeg i vanjskog zraka, kada je postignuto stacionarno stanje. Da bi se ostvarili što bolji preduvjeti za akumulaciju topline u graĎevinskim elementima, potrebno je materijale s većom specifičnom teţinom u višeslojnim pregradama postaviti s unutrašnje, tople strane. To znači da toplinsku izolaciju obodnih konstrukcija uvijek treba postavljati s vanjske strane. Ovaj način postave toplinske izolacije u zgradama nuţno je ostvariti, jer nepostojanje akumulirane topline u obodnim konstrukcijama loše se odraţava na ostvarivanje toplinskog komfora i racionalnu potrošnju energije.

Slika 12. Izvori akumulacije topline u građevinskim elementima

Sunčevo zračenje koje pada na jedinicu površine nekog graĎevinskog elementa razlaţe se u nekoliko dijelova. Omjer tih dijelova ovisi o koeficijentu apsorpcije, refleksije i transparentnosti površine graĎevinskog elementa na koji pada Sunčevo zračenje. Količina apsorbiranog kratkovalnog Sunčevog zračenja ovisi najviše o boji površine graĎevinskog elementa. Svijetle boje više reflektiraju Sunčevo zračenje, a tamne površine puno više apsorbiraju Sunčevu energiju. Koeficijent apsorpcije za bijelu boju je 20-30 %, a za crnu 90-100 %.

4.3 Direktan zahvat sunčevog zračenja Direktan zahvat Sunčevog zračenja je najjednostavniji oblik pasivne tehnike grijanja prostora. Sunčeva svjetlost direktno ulazi kroz prozore na juţnoj strani kuće, izravno zagrijava prostor, čak i za oblačnih dana. Tako se toplina akumulira (pohrani) u konstrukciji i elementima zgrade, a tijekom noći vraća se okolini. Prozori su postavljeni na način da upijaju zračenje niskog zimskog Sunca. Prozori tako izloţeni Suncu koriste 60–75% Sunčeve energije (slika 13). Svijetlo obojene površine odrţat će više svjetla unutar prostora, dok bi tamnije boje omogućile veću akumulaciju Sunčeve topline. Vrijeme kašnjenja i trajanje prijenosa topline prema van ovisi o debljini, materijalu i toplinskoj izolaciji. Konstrukcija kuće u kojoj se akumulira toplina mora biti izolirana izvana, jer inače ubrzano gubi toplinu. Toplinu gubi i kada je direktno povezana sa zemljom ili je u kontaktu sa zrakom koji je na niţoj temperaturi. Upotrebom teških graĎevinskih materijala, odnosno dobrom toplinskom izolacijom, postiţe se manja razlika u temperaturi 15


prostorija za vrijeme noći i dana te bolja akumulacija toplinske energije za vrijeme perioda bez Sunca. Termički dobri lagani materijali (lagani beton, porozna opeka, izolatori) više će se zagrijati od teških (armirani beton, kamen) jer imaju niţi toplinski kapacitet akumulacije topline. To znači da će lagani materijali lakše i brţe izgubiti akumuliranu toplinu nego teški materijali. Pod ne bi trebalo prekrivati tepisima, a treba voditi računa i o razmještaju namještaja kako bi Sunce grijalo pod, a ne tepih i namještaj.Treba koristiti prozore s višestrukim staklom, a korisno je i prozore prekriti velikim debelim zastorima kako bi reducirali gubitak topline preko noći. Gubitak topline moţe se dodatno smanjiti zastorima, griljama, roletama.

Slika 13. Direktan zahvat sunčevog zračenja

4.4 Solarni kolektori za pripremu topple vode Solarnim rješenjima transformira se slobodna energija Sunčevih zraka u energiju za grijanje i pripremu tople vode. Time se doprinosi zaštiti okoliša i smanjenju računa za energiju. U prosjeku solarni sistem moţe uštedjeti i do 60% godišnje energije potrebne za pripremu tople vode i do 30% energije za grijanje. Iskoristiv vijek upotrebe i trajanja toplinske instalacije moţe biti dulji od dvadeset godina uz pravilnu upotrebu.Solarni kolektori funkcioniraju na način da sunčeve zrake zagrijavaju tekućinu u solarnom kolektoru. Cirkulaciona pumpa provodi zagrijanu tekućinu do spremnika vode. Tako zagrijanan tekućina prijenosi toplinu i uz pomoću izmjenjivaća predaje toplinu vodi. U slučaju da nema dovoljno sunčeve energije voda se dogrijava uz pomoć grijača. Praksa je pokazala da solarni kolektor po 1 m2 godišnje uštedi 750 kWh energije. Solarni sistem u ljetnom periodu zadovoljava potrebe tople vode od 90 do 100%, u prelaznom periodu od 50 do 70%, a u zimskom periodu od 10 do 25 %.

16


Slika 14. Sistem za pripremu topple vode

4.5 Fotonaponske ćelije Fotonaponski sistemi mogu se podijeliti u dvije skupine; a) samostalni kod koji se energija sprema u akumulatore i b) spojeni na mreţu kod kojih se proizvedena električna energija predaje u elektroenergetsku mreţu. Fotonaposki sistemi spojeni na mreţu su logičan izbor jer ne zahtjevaju akumulatore za spremanje energije koji pridonose kompleksnosti i cijeni samog sistema. Pomoću ovog sistema predaje se dobivena energija preko dvosmjernog brojila distributeru električne energije. Sistem radi na način da sunčeva svjetlost koja obasjava solarni modul pretvara svjetlo u fotonaponskoj čeliji u istosmjernu električnu energiju. Isplativost investicije ponajviše ovisi o poziciji krova u odnosu na strane svijeta. Optimalno je da krov na koji se postavljaju moduli gleda na jug. Vaţno je znati da za električnu energiju koja se prodaje distributeru proizvoĎač dobiva trostruko veću cijenu od cijene el. Energije iz gradske mreţe.

Slika 15. Sistem za proizvodnju električne energije 17


4.6 Grijanje na biomasu Biomasa je obnovljivi izvor energije u koji se ubraja; ogrjevno drvo, grane, drvni otpad, piljevina, pelete, slama, drvene ostatci rezidbe, ostatci poljoprivrede, komunalni i industrijski otpad. Za grijanje obiteljskih kuća, stambenih i poslovnih prostora najčešće se koristi ogrjevno drvo ili razni otpatci, piljevina, briketi i pelete. Vaţno je da drvo ili otpaci koji se koriste imaju što manje vlage.

Slika 16. Sistem grijanja na biomasu

4.7 Sistemi grijanja i hlađenja pomoću dizalica topline Dizalice topline su ureĎaji koji energiju zemlje, vode ili zraka pretvaraju u iskoristivu toplinu. Rade na termodinamičkom načelu dizalica topline, dovode energiju s niţe temperature uz dodatnu energiju na višu temperaturnu razinu uz pomoću prikladnog rashladnog medija. Najčešće se rabi toplina tla. Primjenom prirodnih energetskih izvora zgrada se povezuju s okolišem, te se tijekom zime vrši izmjena energije u smjeru okoliša prema objektu, dok je tijekom ljeta energetski tok suprotan, od zgrade prema zemlji. Koriste se kao samostalni sistemi ili dodatni izvor energije. Dizalice topline najčešće se koriste u sistemima grijanja i pripreme tople vode. U najvećem broju slučaja u niskotemperaturnim sustavima toplovodnog grijanja kod kojih su najprikladniji sistemi površinskog grijanja (podnog, zidnog, stropnog).

18


Slika 17. Funkcionalni pikaz dizalice topline

5. Ventilacijski sistem Kod pasivne kuće potrebno je osiguravanje dovoljne količine svjeţeg zraka. Taj problem, u ranije izgraĎenim objektima, gotovo da i nije postojao jer su prozori s drvenim okvirima bili nezabrtvljeni, pa je kroz spojeve iskrivljenih drvenih okvira cirkuliralo i više zraka nego je bilo potrebno, pritom gubeći znatne količine topline. Današnjom tehnologijom proizvode se prozori koji omogućavaju potpunu zabrtvljenost pa se postavlja zahtjev nuţnosti postojanja ventilacijskog sistema. Zadaća ventilacije u zgradama je kontinuirana zamjena onečišćenog zraka iz prostorije, svjeţim zrakom iz slobodne atmosfere radi odrţavanja potrebnih higijenskih uvjeta neophodnih za zdrav i ugodan boravak ljudi. Uloga ventilacije je takoĎer zagrijavanje zraka ukoliko je potrebno, odstranjivanje suvišne vlage i štetnih plinova iz prostora, te rashlaĎivanje zraka u ljetnom razdoblju. Kontroliranim sistemom cirkulacije zraka postiţe se ušteda energije i veća udobnost unutar same graĎevine.

Slika 18. Ventilacijski sistem

U proljetnom, ljetnom i jesenskom periodu potrebna količina zraka od 10 do 30 m 3 po osobi postiţe se povremenim otvaranjem prozora. MeĎutim, ovakav način provjetravanja u zimskom periodu nije prihvatljiv. Za jednu spavaću sobu za dvije osobe, čija je uobičajena veličina 20m2, 19


tj. 50m3, bez otvaranja prozora bi količina svjeţeg zraka bila dovoljna za 2,5 sata. Ako se uzme u obzir da je unutrašnja zapremnina sobe umanjena namještajem, te da zrak u uglovima sobe slabije cirkulira, dolazi se do rezultata da će se svjeţi zrak potrošiti za 1,5 sat, a ostatak vremena se udiše vlastiti ugljični dioksid. Kao rješenje ovog problema najprikladnija se pokazala primjena kontroliranog mehaničkog sistema provjetravanja. Koristeći neznatnu količinu električne energije za pogon svojih elektromotora odnosno ventilatora, ovaj sistem moţe toplinskim izmjenjivačima vratiti do 80% topline koja bi se izgubila kod uobičajenog načina provjetravanja. Zbog svoje efikasnosti kontrolirani system provjetravanja za stambene objekte se sve više primjenjuje i u konvencijalnoj stambenoj gradnji, dok je kod pasivne kuće obavezni sastavni dio objekta, jer bez njega kuća kao takva ne bi mogla funkcionirati. Sistem je koncipiran tako da se zbog povećanja inertnih dobitaka energije u zimskom periodu svjeţi vanjski zrak predgrijava toplinom tla uz pomoć zemljanih kolektora, ili toplinom podzemne vode. U ljetnom periodu je situacija obrnuta – tlo je puno hladnije od vanjskog zraka pa se prolaskom kroz cijevi zemljanog kolektora zrak hladi te rashlaĎuje prostorije. Sistem za provjetravanje s centralnim ureĎajem uz funkciju odvoĎenja i dovoĎenja zraka, posredstvom izmjenjivača vrši oduzimanje topline istrošenom izlazećem zraku. Sa stupnjem učinka do 80% izmjenjivači uspijevaju sačuvati najveći dio topline, tako da je za nadoknadu gubitaka dovoljan grijač koji po potrebi dogrijava ulazeći svjeţi zrak.

Slika 19. Šema sistema za provjetravanje

Toplina dodatnog grijača u dovodima svjeţeg zraka dolazi iz sistema za pripremu tople sanitarne vode. Za razliku od konvencionalne kuće kod koje je zagrijavanje sanitarne vode sporedna funkcija sistema grijanja, u pasivnoj kući je zbog vrlo malih gubitaka topline iz kuće, zagrijavanje prostorija sporedna funkcija ureĎaja za pripremu tople vode. Jasno je da se primjenom ovakvih sistema te uvaţavanjem svih prethodno objašnjenih načela projektovanja pasivne kuće, potrošnja električne energije bitno smanjuje. Rezultat je energetski učinkovita kuća koja smanjenjem potrošnje električne energije doprinosi smanjenju emisije ugljičnog dioksida.

20


Zaključak Pojam energetska učinkovitost predstavlja racionalno korištenje energije, kroz smanjenu potrošnju energenata. Plan energetske učinkovitosti prednost daje potrebu sistemske i sveobuhvatne obnove postojećeg fonda zgrada s ciljem poboljšanja njihovih energetskih svojstava kao i na poboljšanje energetske učinkovitosti ureĎaja i opreme koja se u njima koristi. Nedovoljna razina svjesti, znanja i informacija o energetskoj učinkovitosti karakteristika je tranzicijskih zemalja s nedovoljna razvijenim trţištem energetske učinkovitosti. ProvoĎenje mjera i pronalazak optimalnog rješenja u kućanstvima za zatvaranje financijskog okvira potrebnog za njihovu realizaciju, ključno je za smanjenje potrošnje energije na nacionalnoj razini.Postoje mnogi načini za korištenje obnovljive energije u kućanstvima. Sistemi za proizvodnju energije koriste obnovljive izvore za dobivanje toplinske energije i elektrčne energije uz vrlo male emisije stakleničkih plinova, te stoga uz financijske uštede donose i veliku dobrobit okolini u kojoj ţivimo i koja je svakim danom sve opterećenija zbog neprestanog rasta potrošnje energije koja se dobiva većinom iz fosilnih izvora koji stvaraju ogromni pritisak na okolinu. TakoĎer, sve više je projekata koje organiziraju gradovi i općine, kojima se subvencionira i pomaţe gradnja takvih sistema. Hrvatska se i obvezala u predpristupnom ugovoru Europskoj uniji kako će do 2020. godine koristiti 20% OIE u ukupnoj energetskoj potrošnji.

21


Literatura   

Ekonomske i ekološke karakteristike energetski učinkovite gradnje; Damir Kolić, Tomislav Šimunović; Zagreb 2009 god. Priručnik za energetske savjetnike; mr.sc. Vesna Bukarica, dr.sc. Damir Dović, Ţeljka Hrs Borković,dr.sc. Vladimir Soldo, mr.sc. Boris Sučić, dr.sc. Srećko Švaić, dr.sc. Vlasta Zanki; Zagreb 2008 god. Energetska učinkovitost; Sarajko Baksa; Zagreb 2012 god.

22

Grijanje i Klimatizacija Niskoenergetskih i Pasivnih Kuća

Recommend Documents