W Europie zdecydowana większość energii, zarówno cieplnej jak i elektrycznej, wytwarzana jest konwencjonalnie z wykorzystaniem paliw kopalnych. W związku z dużym zapotrzebowaniem na energię i zanieczyszczeniem środowiska Unia Europejska podjęła szereg inicjatyw mających na celu ograniczenie zużycia energii i poprawę stanu środowiska. Ponieważ ilość energii zużywanej na cele bytowe przez budynki stanowi ok. 40% całkowitego światowego zapotrzebowania, a z biegiem lat wartości te niewiele się zmniejszają (rys. 1), zauważono potrzebę oszczędności w tym sektorze. 

     Z tego powodu opracowano i wprowadzono Dyrektywy [2,3], które mają na celu wypromowanie poprawy efektywności energetycznej budynku we Wspólnocie Europejskiej. Dokumenty te są istotne nie tylko dla wdrożenia powszechnych zasad określania efektywności energetycznej budynków, ale i dla rozwoju niekonwencjonalnych metod pozyskiwania energii i korzystania ze źródeł odnawialnych.
     Podjęte działania spowodowały, że coraz częściej możemy się spotykać z określeniami: budynek niskoenergetyczny, zero- bądź plus-energetyczny czy pasywny. Artykuł poświęcono tej ostatniej grupie budynków przedstawiając możliwości racjonalizacji zużycia energii, jakie daje konstrukcja budynków pasywnych.

Budynki pasywne
     Energia dostarczana do tradycyjnych budynków przeznaczana jest na:
● utrzymanie w pomieszczeniach odpowiedniej temperatury (ogrzewanie, schłodzenie powietrza),
● zapewnienie odpowiednich warunków do życia (oświetlenie, działanie sprzętów domowych),
● cele zdrowotne (przechowywanie i przygotowanie jedzenia),
● cele higieniczne (instalacje wodno-kanalizacyjne, w tym przygotowanie c.w.u.).
     W budynkach niezbędne jest utrzymanie wszystkich parametrów komfortowego środowiska na odpowiednim poziomie, jednakże w każdym przypadku możliwa jest redukcja ilości zużywanej energii. (...)

     Podstawą budynków pasywnych jest z jednej strony dobrze zaizolowana konstrukcja, w których straty ciepła są jak najniższe, z drugiej – zastosowanie odnawialnych źródeł energii pokrywających dodatkowe zapotrzebowanie, takich jak:
● ogniwa fotowoltaiczne do produkcji prądu,
● kolektory słoneczne połączone z zasobnikami ciepła pracujące na potrzeby c.w.u. oraz wentylacji,
● pompy ciepła typu powietrze-powietrze do odzysku energii z powietrza zewnętrznego lub wentylacyjnego.

     Aby uzyskać równowagę pomiędzy minimalizacją ilości energii dostarczanej do budynku a potrzebami wynikającymi z komfortu użytkowników należy dążyć aby budynek cechowały [5]:
● zwarta, nie rozczłonkowana bryła oraz elementy zewnętrznych przegród izolowane termicznie w takim stopniu, aby współczynnik przenikania ciepła nie przekraczał 0,15 W/(m^2.K),
● przegrody zewnętrzne szczelne i o dobrych parametrach ciepłochronnych, infiltracja powietrza przez nieszczelności mniejsza od 0,6 objętości budynku na godzinę,
● orientacja większości okien od strony południowej oraz rozwiązanie kwestii zacienienia, zyski ciepła od słońca pokrywają 40% zapotrzebowania na ciepło,
● energooszczędne oszklenie i ramy okienne – okna o wartości współczynnika przenikania ciepła nieprzekraczającej 0,80 W/(m^2.K),
● wentylacja mechaniczna projektowana z wykorzystaniem urządzeń do odzysku ciepła,
● brak konwencjonalnego oddzielnego systemu ogrzewania, ogrzewanie realizowane przez nadmuch ciepłego powietrza połączony z wentylacją mechaniczną,
● opcjonalnie pozyskiwanie ciepła z gruntu, powietrze zewnętrzne nawiewane do budynku ogrzewane wstępnie w gruntowym wymienniku ciepła do temperatury powyżej 0°C,
● opcjonalnie pozyskiwanie i magazynowanie ciepła z promieniowania słonecznego (kolektory słoneczne),
● opcjonalnie pozyskiwanie ciepła utajonego z powietrza wentylacyjnego (pompa ciepła powietrze-powietrze) – większość ciepła obecnego w powietrzu usuwanym jest przekazywana do napływającego powietrza świeżego (sprawność odzysku ciepła powyżej 80%),
● zaopatrzenie w c.w.u z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii; energię tą dostarczają kolektory słoneczne lub pompy ciepła,
● energooszczędny sprzęt gospodarstwa domowego – nieodzowne są urządzenia o niskim zużyciu energii (lodówki, kuchenki, zamrażarki, lampy, pralki, suszarki itd.).

Rozwiązanie konstrukcyjne występujące w budynkach pasywnych
(...)

Ukształtowanie bryły budynku oraz zaprojektowanie umiejscowienia pomieszczeń o odpowiednim przeznaczeniu (...)
Strefowanie pomieszczeń w budynkach pasywnych (...)
Odpowiednie rozplanowanie zieleni wokół budynku (...)
Zastosowanie odpowiednich rodzajów przegród przezroczystych (okien) (...)
Wentylacja i ogrzewanie (...) 

Przykłady wykonanych obiektów i zastosowanych w nich rozwiązań
     Jak wspomniano, we wcześniejszej części artykułu, w 1991 r. powstał pierwszy, modelowy obiekt spełniający założenia budownictwa pasywnego (Darmstadt – Kranichstein, Niemcy). Budynek wykonano w konstrukcji murowanej. Powierzchnia użytkowa każdego segmentu wynosi 156 m² a jego zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania – 10,5 kWh/(m²a). Wartość tą osiągnięto dzięki wysokiej szczelności oraz izolacyjności przegród zewnętrznych. Ściany pokryto materiałem izolacyjnym grubości 27,5 cm osiągając wartość współczynnika przenikania na poziomie 0,14 W/m²K. Próby ciśnieniowe wykazały szczelność na poziomie 0,22h-1 przy różnicy ciśnienia 50 Pa. W obiekcie wentylację zrealizowano jako układ mechaniczny z odzyskiem ciepła o sprawności dochodzącej do 80% a dodatkowo w pomieszczeniach zainstalowano grzejniki (o całkowitej mocy dla jednego segmentu równej 12 kW), które włączane są w okresach bardzo niskiej temperatury zewnętrznej, gdy konieczne jest dodatkowe ogrzanie pomieszczeń. Ciepła woda użytkowa przygotowywana jest przez próżniowy kolektor słoneczny wspomagany kotłem gazowym.
     W Polsce jako jeden z pierwszych obiektów wykonanych w technologii pasywnej powstał dom przy ul. Czereśniowej w Warszawie (w 1997 r.), jako budynek demonstracyjny służący do celów badawczych. Jest to zabudowa bliźniacza o łącznej powierzchni użytkowej 250 m². Każde z mieszkań składa się z 4 pokoi, 2 łazienek oraz garażu. Ponieważ niewielkie straty ciepła w domach pasywnych pokrywane są w znacznej części przez promieniowanie słoneczne, południowa elewacja domu w Warszawie wykonana została z bloczków betonowych, zalanych betonem w sposób umożliwiający maksymalną akumulację ciepła. Tak wykonana ściana została następnie od zewnątrz pokryta panelami grzewczo – izolacyjnymi, które umożliwiają w ciągu dnia pochłanianie promieniowania słonecznego i oddawanie ciepła do muru, co stanowi dodatkową izolację termiczną, sprawdzającą się również latem chroniąc pomieszczenia przed gorącem. W każdym z pomieszczeń zastosowano rekuperator pracujący jedynie na potrzeby tego pomieszczenia. Rekuperatory zostały wykonane ze szczelnego materiału tekstylnego, który służy nie tylko jako wymiennik ciepła, ale jednocześnie jako filtr powietrza (jego sprawność sięga 70%, natomiast filtry można prać w pralce). Przepływ powietrza przez instalację jest wymuszany przez dwa wentylatory każdy o mocy 3 W. W celu maksymalnego obniżenia zużycia energii w budynku zastosowano wymienniki do odzyskiwana ciepła z wody służącej do mycia i zmywania, dzięki czemu możliwe jest wstępne ogrzanie wodę wodociągowej i zmniejszenie tym samym zapotrzebowania na moc grzewczą na cele przygotowania c.w.u. Tzw. szarą wodę czyli, ścieki z

umywalek, prysznicy, wanien etc. filtruje się i ponownie wykorzystuje do spłukiwania toalet.
     Kolejnym przykładem jest osiedle 32 domów w zabudowie szeregowej (w układzie czterorzędowym, po 8 domów w każdym rzędzie) wykonane w Hannover – Kronsberg (Niemcy) (rys. 4). Osiedle zbudowane zostało przy użyciu technologii prefabrykowanych elementów drewnianych co pozwoliło na zredukowanie kosztów budowy do poziomu kosztów konwencjonalnych domów, przy czym współczynniki przenikania ciepła dla ścian i dachu wynoszą odpowiednio 0,13 W/m²K i 0,1 W/m²K. Szczelność budynku podczas próby ciśnieniowej okazała się wyższa niż wymagana dla budynków pasywnych wartość 0,6h-1 i wyniosła 0,3h-1. System wentylacji mechanicznej wyposażony został w rekuperator o sprawności bliskiej 80%, dodatkowo zredukowano do minimum długość kanałów wentylacyjnych, aby nie generować kosztów związanych z oporami hydraulicznymi instalacji, które przekładałyby się na moc wentylatora. W czasie zimy, kiedy straty ciepła są zbyt duże (aby pasywne źródła ciepła w mieszkaniach mogły je pokryć) stosuje się termowentylację – powietrze wentylacyjne jest dodatkowe ogrzewane w nagrzewnicy elektrycznej. W celu uniknięcia dyskomfortu powodowanego niską wilgotnością względną powietrza występującą w okresach zimowych układ wentylacyjny przystosowany jest do odpowiedniego zredukowania nominalnego strumienia objętości powietrza świeżego poniżej zaprojektowanej wartości120 m3/h. Ciepła woda użytkowa przygotowywana jest głównie z wykorzystaniem systemu kolektorów słonecznych i magazynowana jest w zasobniku. W sytuacji, kiedy moc dostarczana przez kolektory okazuje się zbyt niska, włączana jest automatycznie grzałka elektryczna. Dalsze oszczędności uzyskuje się przez podłączenie urządzeń AGD (zmywarki czy pralki) do ciepłej wody unikając w ten sposób stosowania grzałek elektrycznych w tych urządzeniach i wykorzystując ciepłą wodę przygotowaną przez kolektor.
     Pierwszym budynkiem w Polsce, który uzyskał Certyfikat Instytutu Domów Pasywnych w Darmstadt (PHI), jest jednorodzinny dom w Smolcu k. Wrocławia. Budowa została zakończona w 2007 roku przy współpracy z Instytutem Budynków Pasywnych przy Narodowej Agencji Poszanowania Energii. Dzięki zastosowaniu 30-44 cm grubości warstwy izolacyjnej uzyskano współczynnik przenikania ciepła o wartości 0,1 W/m²K, co daje wartość zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku na poziomie 15 kWh/m²a. Wentylacja mechaniczna, oprócz odzysku ciepła w postaci przeciwprądowego wymiennika przeponowego, wykorzystuje wymiennik gruntowy. Położenie przewodów wymiennika poniżej granicy przemarzania na głębokości 1,5-2 m pozwala zimą ogrzać powietrze do temperatury bliskiej 0°C. Latem, gdy temperatura gruntu wynosi ok. 10°C powietrze wentylacyjne jest wstępnie schładzane. Po przejściu przez gruntowy wymiennik ciepła powietrze dalej uzdatniane jest w centrali wentylacyjnej wyposażonej w wymiennik ciepła o sprawności ok. 80%. Projektowany strumień powietrza wentylacyjnego w przypadku tej realizacji wyniósł 150 m³/h, jednak istnieje możliwość zwiększenia wydatku centrali nawet do 230 m³/h. Niekontrolowaną infiltrację powietrza zewnętrznego ograniczono, tak jak w przypadku osiedla w Hannoverze, do wartości 0,3h-1.

Podsumowanie
     Jak wynika z przedstawionych przykładów, choć wybudowanie budynku pasywnego wiąże się ze znacznymi nakładami inwestycyjnymi, jednak późniejsze niskie koszty eksploatacyjne w ciągu kilku lat niwelują tą różnicę a w dalszych latach przynoszą wyłącznie korzyści. Również użytkownicy domów pasywnych mogą się czuć usatysfakcjonowani komfortem mieszkania lub pracy przy jednoczesnej świadomości mniejszego obciążenia środowiska naturalnego w porównaniu do tradycyjnego budownictwa.