Proces tworzenia budynków niskoenergetycznych niewątpliwie wymaga zmiany podejścia do procesu projektowania. Standardowy sposób, polegający na zaprojektowaniu budynku przez architekta i późniejszym wyposażaniu obiektu w instalacje techniczne nie pozwala na ogół na stosowanie rozwiązań ograniczających zużycie energii na etapie eksploatacji (zwłaszcza w większych budynkach biurowych). Aby ograniczyć zużycie energii w obiekcie wymagana jest od samego początku współpraca architekta i projektantów systemów instalacyjnych.

Poza oczywistą ochroną termiczną i przeciwsłoneczną dotyczy to zwłaszcza tworzenia bryły budynku i jego elewacji przeszklonych, stosowania przyjaznego naturalnego doświetlenia pomieszczeń, np. rur słonecznych (sun pipe, solartube, ...), przeciwsłonecznych zacieniających elementów konstrukcyjnych lub żaluzji zewnętrznych. W przypadku wentylacji naturalnej lub hybrydowej istotna jest właściwa lokalizacja budynku względem przeważających kierunków wiatru. Dodatkowo, co jest bardzo ważne, budynek musi mieć odpowiednią klasę szczelności a przepływy powietrza powinny być w pełni kontrolowane (nawet w przypadku stosowania wentylacji naturalnej). Efektem prac zespołu projektowego powinno być obniżenie obciążeń cieplnych i chłodniczych budynku do poziomu pozwalającego na stosowanie odnawialnych źródeł energii i wysokosprawnych systemów ogrzewczo-klimatyzacyjnych. Praktycznie, każdy budynek jest inny, stąd we wstępnej fazie projektowej poza obliczeniami bilansowym, pomocne są obliczenia i symulacje określające sprawność użytkową poszczególnych rozwiązań technicznych w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Pomocne są tutaj np. algorytmy stosowane podczas sporządzania charakterystyki energetycznej budynku.
Użytkownicy budynku niskoenergetycznego muszą znać podstawowe zasady jego użytkowania oraz akceptować możliwe chwilowe odchyłki parametrów komfortu cieplnego od wartości optymalnych, pod warunkiem ich oscylacji w zakresach dopuszczalnych. Dotychczasowe doświadczenia dotyczące budowy i eksploatacji tego typu budynków pokazują, że jest to możliwe. W przypadku niskoenergetycznych budynków biurowych osiągana jest redukcja kosztów eksploatacyjnych średnio o ok. 30÷40%, a w przypadkach budynków modelowych nawet o 70% w stosunku do obecnie budowanych budynków biurowych [2].

W artykule skupiono się na dwóch grupach zagadnień w odniesieniu do budynków niskoenergetycznych:
● przedstawieniu rozwiązań technicznych preferowanych systemów ogrzewania i klimatyzacji,
● określeniu wytycznych użytkowych mających decydujące znaczenie w zużyciu energii na etapie eksploatacji systemów.

Podstawowe wymagania stawiane układom ogrzewania i klimatyzacji w budynkach biurowych
Na system ogrzewania i klimatyzacji budynku biurowego składają się trzy podstawowe systemy:
● system ogrzewczy,
● system chłodzenia (klimatyzacyjny),
● system wentylacyjny.

Powyższe systemy mogą pracować niezależnie lub być ze sobą zintegrowane. Podstawową funkcją powyższych systemów w budynkach biurowych jest zapewnienie przebywającym tam ludziom odpowiednich warunków komfortu cieplnego i jakości (czystości) powietrza wewnętrznego. Realizacja tego celu powinna się odbywać z zachowaniem adekwatnych do wymagań kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacyjnych. Zwłaszcza w przypadku budynku niskoenergetycznego poziom kosztów eksploatacyjnych nabiera szczególnego znaczenia. Na rysunku 1 przedstawiono przegląd rocznego zużycia energii pierwotnej na potrzeby ogrzewania i klimatyzacji różnego typu budynków biurowych w Niemczech.

Zarówno decyzje podejmowane w fazie projektowej, jak i późniejsze algorytmy sterowania i użytkowania systemu mają duży wpływ na jego sprawność użytkową, jak i na efekt działania poszczególnych systemów. Decydujące znaczenie w zużyciu energii przez budynek ma: ochrona termiczna i przeciwsłoneczna jego przegród zewnętrznych, szczelność budynku, energochłonność wyposażenia budynku, oświetlenie naturalne oraz sprawność użytkowa systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji. Aby koszty eksploatacyjne systemów ogrzewania i klimatyzacji budynku biurowego klasyfikowały go do grupy budynków niskoenergetycznych muszą być spełnione następujące wymagania:
● poziom obciążeń cieplnych i chłodniczych powinien być jak najniższy,
● skuteczność działania wentylacji powinna być jak najwyższa – zwłaszcza wentylacji mechanicznej,
● typ i rodzaj instalacji ogrzewczych i klimatyzacyjnych powinien być dopasowany do poziomu obciążeń cieplnych i chłodniczych oraz specyfiki użytkowania pomieszczeń biurowych,
● rozwiązania techniczne w układach ogrzewczych i klimatyzacyjnych powinny minimalizować zużycie energii napędowej w źródłach ciepła i chłodu oraz w poszczególnych elementach instalacji.
● algorytmy sterowania i użytkowania systemu powinny gwarantować możliwie najwyższą sprawność użytkową systemu.

Wymiana powietrza w pomieszczeniach
Zarówno ludzie przebywający w pomieszczeniach, jak i elementy budynku i jego wyposażenia są źródłem zanieczyszczeń powietrza wewnętrznego. Podstawowym zanieczyszczeniem środowiska wewnętrznego związanym z przebywanie ludzi jest wydychany dwutlenek węgla. Emisja CO₂ przez człowieka uzależniona jest od jego aktywności fizycznej (met). Przy pracy biurowej człowiek wydala ok. 19÷24 dm³ CO₂ na godzinę. Aby zapobiec przekroczeniu dopuszczalnego stężenia CO₂ w pomieszczeniu należy nawiewać minimum 30÷35 m³/h świeżego powietrza na osobę (oczywiście jeżeli założymy pełne wymieszanie powietrza w pomieszczeniu). Są to wartości wystarczające pod warunkiem, że w budynku nie ma emisji dodatkowych zanieczyszczeń. Niestety budynki nowe i ich wyposażenie w początkowym okresie użytkowania emitują całą gamę dodatkowych zapachów i związków chemicznych, stąd w tym czasie można się spodziewać problemów z jakością powietrza. Standardy europejskie uwzględniające emisję zanieczyszczeń przez budynek zwarte w normie PN-EN 15251 w zależności od klasy budynku (A-C) wymagają od 29 do 72 m³/h powietrza świeżego na 10 m² powierzchni biura z 1 osobą [8].

Systemy wentylacyjne w budynkach podzielić można na:
● systemy wentylacji naturalnej,
● systemy wentylacji hybrydowej,
● systemy wentylacji mechanicznej.

Systemy wentylacji naturalnej wykorzystują siłę wywołaną różnicą gęstości powietrza o różnej temperaturze i różnicę ciśnień spowodowaną oddziaływaniem wiatru na budynek (rys. 2). (...)

Wpływ technologii budowlanych na instalacje ogrzewcze i klimatyzacyjne
(...)

Preferowane systemy wentylacji ogrzewania i chłodzenia niskoenergetycznych budynków biurowych
W budynkach niskoenergetycznych preferowane są systemy wykorzystujące energię odnawialną, czyli naturalne źródła ciepła i chłodu oraz naturalny lub wspomagany hybrydowo sposób wymiany ciepła w pomieszczeniach. Do systemów takich zaliczyć można:
● wymienniki gruntowe typu grunt-powietrze (rys. 6) lub grunt-woda z sondami pionowymi (rys. 7),
● wykorzystanie naturalnej wentylacji budynku wywołanej różnicą temperatury powietrza i oddziaływaniem wiatru na budynek (rys. 2 i 4),
● wentylacja hybrydowa (rys. 3),
● nocne chłodzenie przez system wentylacyjny lub otwieranie okien (night cooling),
● pompy ciepła w systemach produkcji ciepła i chłodu (rys. 7),
● kolektory słoneczne w systemach przygotowania c.w.u. lub napędu chłodziarek absorpcyjnych.

Ważnym parametrem z punktu widzenia sprawności użytkowej jest stabilność termiczna źródła energii. Dlatego ciągle najlepszym źródłem energii odnawialnej jest energia gruntu.
W przypadku, kiedy moc cieplna naturalnych źródeł ciepła i chłodu jest niewystarczająca lub wymagania w stosunku do środowiska wewnętrznego są wysokie, koniecznością jest zastosowanie mechanicznych systemów klimatyzacyjnych. W tym przypadku na ogół większą sprawność użytkową mają rozdzielone systemy powietrzno-wodne lub powietrzno-freonowe, zintegrowane z funkcja ogrzewczą. Idea rozdzielonych systemów klimatyzacyjnych polega na dostarczaniu przez system wentylacji mechanicznej lub czasami naturalnej, powietrza świeżego w ilościach minimalnych, niezbędnych do zapewnienia odpowiedniej jakości i czystości powietrza wewnętrznego. Natomiast za stabilizację temperatury w poszczególnych pomieszczeniach lub strefach odpowiada system klimatyzacji miejscowej zasilany z instalacji centralnego ogrzewania i wody lodowej lub w przypadku instalacji z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodniczego z instalacji freonowej. System wentylacyjny odpowiada również za odpowiedni poziom wilgotności powietrza w pomieszczeniu. Naturalne systemy wentylacyjne pełniące funkcje chłodzenia budynku mogą być stosowane, jeżeli poziom obciążeń chłodniczych mieści się w granicach 10÷35 W/m² [5]. Jest to poziom obciążeń chłodniczych bardzo trudny do uzyskania. W praktyce budownictwa niskoenergetycznego osiągany poziom obciążeń chłodniczych to 40÷60 W/m². Do mechanicznych systemów klimatyzacyjnych chłodząco-ogrzewczych stosowanych w systemach rozdzielonych zaliczyć można:
● systemy aktywnych belek chłodząco-ogrzewczych,
● systemy klimakonwektorów czterorurowych,
● radiacyjne sufity chłodząco-ogrzewcze,
● systemy termoaktywne (posadzki ogrzewczo-chłodzące, maty kapilarne w warstwie tynku, wymienniki stropowe),
● systemy ogrzewczo-chłodzące z bezpośrednim odparowaniem i zmienną ilością czynnika chłodniczego (VRV, VRF, ...). (...)

Elementy decydujące o sprawności użytkowej systemów ogrzewania i chłodzenia budynków biurowych
(...)

Niskoenergetyczne budownictwo biurowe praktycznie jeszcze nie rozwinęło się w naszym kraju. Wydaje się jednak, że rosnące w znaczny sposób ceny energii i wprowadzane rozwiązania prawne wymuszą zmianę podejścia do projektowania budynków biurowych w kierunku budownictwa niskoenergetycznego a nawet pasywnego.

LITERATURA
[1] McQUISTON F. C., PARKER J. D.: Heating, ventilating and air conditioning – analysis and design, John Wiley & Sons, Inc., New York 1994.
[2] Low-Energy Building Design Guidelines, USA Federal Energy Management Program, DOE/EE-0249, July 2001.
[3] ODYJAS A.: Koszty nawilżania i osuszania powietrza w systemach klimatyzacyjnych, CH&K 4(96) 2006, s. 36-40.
[4] FARID M., KHUDHAIR A.,: A review on energy conservation in building applications with thermal storage by latent heat using phase change materials, Energy Conversion and Management 45 (2004) 263-275.
[5] E. GRATIA, I. BRUYERE, A. De HERDE: How to use natural ventilation to cool narrow office buildings, Building and Environment 39 (2004) 1157-1170.
[6] F. FELLIN, K. SOMMER: Study of a low energy office building with thermal slabs and ground coupled heat pump, Dipartimento di Fisica Tecnica, Università di Padova (Italia); Institute of Building Services Engineering, University of Applied Science, Cologne.
[7] D. KALZ, J. PFAFFEROTT and S. HERKEL: Monitoring and Data Analysis of two Low Energy Office Buildings with a Thermo-Active Building System (TABS), Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems.
[8] PN-EN 15251:2007: Kryteria środowiska wewnętrznego, obejmujące warunki cieplne, jakość powietrza wewnętrznego, oświetlenie i hałas.