Czy standard Passivhaus jest ekonomicznie uzasadniony w budynkach laboratoryjnych?

Rysunek 1: Przekrój domu pasywnego. (Źródło: Passivhaus-Institut Deutschland, www.passiv.de)

Rysunek 2: Porównanie zapotrzebowania na energię pierwotną w domach pasywnych i budynkach laboratoryjnych

Tabela 1: Podsumowanie

Ilustracja zużycia energii w laboratorium (Źródło: Carpus+Partner AG, Jörg Stanzick)

Ze względu na szczególnie wysokie zapotrzebowanie energetyczne budynków laboratoryjnych, efektywność energetyczna podczas planowania budynków jest kluczowym czynnikiem. Dlaczego jednak proste zastosowanie standardu domu pasywnego do budynków laboratoryjnych, ze względu na ich wysokie zapotrzebowanie energetyczne, nie jest właściwe, wyjaśnia dr inż. Tino Born, główny projektant w dziale Energia+Środowisko w firmie Carpus+Partner AG.

Przy planowaniu energooszczędnych budynków często wymaga się stosowania i wdrażania kryteriów domu pasywnego. Te jak najbardziej sensowne kryteria i warunki brzegowe nie są jednak bezpośrednio przenaszalne na wszystkie typy budynków i szczególnie w odniesieniu do budynków laboratoryjnych nie mogą być sensownie stosowane. Ich specyfika użytkowa znacznie utrudnia spełnienie kryteriów opartych na potrzebach i wiąże się również z wysokimi nakładami. Wdrożenie standardu izolacji domu pasywnego może nawet działać na niekorzyść. Porównanie głównych cech domu pasywnego i budynków laboratoryjnych wyraźnie pokazuje, że realizacja standardu domu pasywnego nie musi automatycznie prowadzić do zwiększonej efektywności energetycznej i że spełnienie wskaźników zapotrzebowania na energię w budynkach laboratoryjnych nie jest łatwe do osiągnięcia. Wdrożenie tych standardów ma wyraźne granice.

Energia pierwotna, energia końcowa i współczynniki energii pierwotnej

Pod pojęciem domów pasywnych rozumie się budynki, w których dzięki szczególnie skutecznej izolacji termicznej, wyłącznie poprzez dogrzewanie lub chłodzenie świeżego powietrza, powstaje komfort termiczny (rys. 1). Aktywne korzystanie z tradycyjnego ogrzewania budynku nie jest konieczne. Aby móc ocenić budynki pod kątem tego warunku, zdefiniowano standard, który przekłada wymagania dotyczące domów pasywnych na konkretne cele i granice oraz służy jako punkt odniesienia w codziennym planowaniu. Standard ten wywodzi się z budownictwa mieszkaniowego i dla budynków w klimacie umiarkowanym, np. określa zapotrzebowanie na ciepło na poziomie 15 kWh/m² na rok (kWh/(m²·rok)) oraz maksymalne zapotrzebowanie na energię pierwotną 120 kWh/m²·rok.

Wyjaśnienie: Energia pierwotna jest związana z naturalnymi nośnikami lub źródłami energii. Aby ją wykorzystać, przechować lub przetransportować, musi zostać przekształcona w energię wtórną. Ze względu na nieuniknione straty energii podczas tego procesu — np. podczas przekształcania w ciepło grzewcze — dostępna dla użytkownika końcowa energia jest mniejsza od teoretycznej energii pierwotnej, która jednak często jest niemożliwa lub niepraktyczna do bezpośredniego wykorzystania.

Aby porównać różne rodzaje energii pierwotnej — z ich odmiennymi właściwościami w zakresie bezpieczeństwa dostaw i wpływu na klimat — przypisano im odpowiednie współczynniki energii pierwotnej. Przy ich pomocy mnoży się rzeczywiste zapotrzebowanie na energię, aby wyznaczyć zapotrzebowanie na energię pierwotną — dla domów pasywnych przy maksymalnie 120 kWh/m²·rok.

Na przykład: przy założeniu zapotrzebowania na ciepło 15 kWh/(m²·rok), dostarczanego przez olej opałowy lub gaz ziemny lub płynny — wszystkie z współczynnikiem energii pierwotnej 1,1 — zapotrzebowanie na energię pierwotną wynosi 16,5 kWh/(m²·rok). Drewno ma przypisany współczynnik 0,2, więc zapotrzebowanie na energię pierwotną przy ogrzewaniu drewnem wynosi jedynie 3 kWh/(m²·rok). Korzystanie z energii elektrycznej (współczynnik 2,6) podnosi zapotrzebowanie na energię pierwotną do 39 kWh/(m²·rok). Najkorzystniej jest pokrywać zapotrzebowanie na ciepło energią zdalnego ogrzewania miejskiego, które ma współczynnik 0,0. W takim przypadku maksymalny dopuszczalny limit 120 kWh/(m²·rok) energii pierwotnej pozostaje dostępny wyłącznie na potrzeby techniczne budynku.

Zapotrzebowanie jest znacznie wyższe

W przeciwieństwie do budynków mieszkalnych, budynki laboratoryjne generują wysokie wewnętrzne obciążenia i wymagają dużej wymiany powietrza podczas użytkowania. Typowe wskaźniki to łączne obciążenie wewnętrzne na poziomie 80 W/m², wynikające z urządzeń (55 W/m²), oświetlenia (15 W/m²) i osób (10 W/m²). Do tego dochodzi wymiana powietrza, zwykle na poziomie około 25 m³/m²/h.

Przy zainstalowanej mocy oświetlenia 15 W/m², przy 2 500 godzinach pracy rocznie, zapotrzebowanie energetyczne wynosi 37,5 kWh/(m²·rok). Dostarczając energię elektryczną, zapotrzebowanie na energię pierwotną — uwzględniając wspomniany współczynnik 2,6 — wynosi 97,5 kWh/(m²·rok). Również mechaniczne wentylacje i wymiana powietrza wymagają zasilania energią elektryczną. Zapotrzebowanie na energię elektryczną dla wymaganego wymiany powietrza można oszacować na około 25 W/m². Przy 2 500 godzinach użytkowania rocznie daje to zużycie energii elektrycznej na poziomie 62,5 kWh/(m²·rok), co przekłada się na zapotrzebowanie na energię pierwotną rzędu 163 kWh/(m²·rok).

Podsumowując, samo oświetlenie i transport powietrza generują zapotrzebowanie na energię pierwotną na poziomie 260,5 kWh/(m²·rok). Przy założeniu dodatkowego zapotrzebowania na energię końcową wynoszącego 38,5 kWh/(m²·rok) (czyli 100 kWh/(m²·rok) energii pierwotnej) na potrzeby urządzeń elektronicznych czy chłodzenia, łączne zapotrzebowanie na energię pierwotną wynosi 360,5 kWh/(m²·rok). Ta wartość jest już trzykrotnie wyższa od maksymalnego dopuszczalnego zapotrzebowania według standardu domu pasywnego, mimo że przy tym założeniu przyjęto, iż zapotrzebowanie na ciepło można pokryć wyłącznie energią zdalnego ogrzewania, bez żadnego zużycia energii pierwotnej. W praktyce, nawet w przypadku domów pasywnych, zakłada się zapotrzebowanie na energię pierwotną na poziomie 20 kWh/(m²·rok) dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło. Dla bardziej realistycznej oceny i lepszej porównywalności przyjęto tę wartość również tutaj. Zapotrzebowanie na energię pierwotną naszego fikcyjnego budynku laboratoryjnego wynosi więc 380,5 kWh/(m²·rok) (rys. 2).

Widać wyraźnie: ze względu na charakter użytkowania, budynki laboratoryjne potrzebują minimalnego poziomu energii, który jest znacznie wyższy od zapotrzebowania energetycznego domu pasywnego. Maksymalny dopuszczalny limit energii pierwotnej 120 kWh/(m²·rok) pokrywa jedynie potrzeby związane z ogrzewaniem i oświetleniem — jako laboratorium taki budynek byłby więc nieużyteczny.

Izolacja według standardu domu pasywnego przynosi niewiele korzyści

Wpływ otoczki budynku na zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia budynków laboratoryjnych jest znacznie odmienny od wyników uzyskiwanych dla budynków mieszkalnych. Symulacje termiczne przeprowadzone w ramach kilku konkretnych projektów wykazały, że wdrożenie standardu izolacji domu pasywnego dla budynków laboratoryjnych jest pod względem energetycznym co prawda możliwe, ale nieekonomiczne i nieuzasadnione.

Poprawa otoczki budynku z typowego standardu EnEV-2009 do poziomu domu pasywnego zmniejsza całkowite zapotrzebowanie na energię do ogrzewania o około 25 procent, a wymagane moce urządzeń grzewczych maleją: o dziesięć procent dla źródeł ciepła i o jeden procent dla chłodzenia. Dodatkowo, zastosowanie efektywnej odzysku ciepła (WRG) pozwala zaoszczędzić nawet 43 procent całkowitego zapotrzebowania na energię do ogrzewania. Wymagana moc urządzeń grzewczych zmniejsza się o 28 procent, a moc urządzeń chłodzących o dwa procent.

Jednakże koszty związane z osiągnięciem tych oszczędności, z punktu widzenia ekonomicznego, znacząco niwelują korzyści z poprawionej efektywności energetycznej: dodatkowe koszty związane z izolacją według standardu domu pasywnego wynoszą już bez WRG 40 euro za m², a z WRG nawet 45 euro. Oszczędności wynikające z mniejszego zużycia energii operacyjnej wynoszą jedynie 35 lub 64 centy za m² rocznie. Zwrot inwestycji z zastosowaniem WRG pojawia się dopiero po 70 latach, a bez WRG nawet dopiero po 114 latach — okresy znacznie przekraczające średni cykl życia budynku laboratoryjnego, który wynosi około 25 lat. Dodatkowo, w każdym przypadku rośnie całkowite zapotrzebowanie na chłód o pięć procent (por. tabela 1).

Planowanie na miarę jest nieodzowne

Rzeczywisty standard domu pasywnego, spełniający wszystkie kryteria dla budynków konwencjonalnych, jest dla budynku laboratoryjnego nierealny ze względu na zwiększone zapotrzebowanie na energię. Dodatkowy wysiłek planistyczny i inwestycyjny jest również, zwłaszcza biorąc pod uwagę typowy cykl życia budynku laboratoryjnego, nieuzasadniony ekonomicznie.

Aby zaprojektować budynek laboratoryjny energooszczędnie, konieczne jest uwzględnienie indywidualnych cech użytkowych i konstrukcyjnych, które nie mogą być odzwierciedlone w standardowych kryteriach. Należy nadal, projekt po projekcie, porównywać wszystkie warunki i możliwości, i dążyć do pogodzenia efektywności energetycznej, opłacalności, funkcjonalności oraz komfortu.