-
UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA GRADBENIŠTVO
Maja Žigart
ENERGIJSKO UČINKOVITO NAČRTOVANJE IN ANALIZA
POSLOVNO-SKLADIŠČNEGA OBJEKTA ARNOVSKI GOZD
Magistrsko delo
Maribor, september 2013
-
ii
Magistrsko delo univerzitetnega študijskega programa Arhitektura 2. stopnje
Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza
poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Študent: Maja Žigart
Študijski program: univerzitetni, Arhitektura
Smer: Trajnostna stavba
Mentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar
Somentor: prof.dr. Miroslav Premrov
Lektorica: Nina Ditmajer, prof. slov.
Maribor, september 2013
-
iii
-
iv
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorici doc.dr. Vesni Žegarac Leskovar za pomoč in vodenje pri izdelavi projektne
naloge. Prav tako se zahvaljujem somentorju red.prof.dr. Miroslavu Premrovu.
Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij, sestri Nini za podporo in fantu Eneju, ki mi
je stal ob strani v najtežjih trenutkih.
-
v
ENERGIJSKO UČINKOVITO NAČRTOVANJE IN ANALIZA POSLOVNO-SKLADIŠČNEGA
OBJEKTA ARNOVSKI GOZD
Ključne besede: arhitektura, energijsko učinkovito načrtovanje, poslovno-skladiščni objekt,
energijska analiza objekta …
UDK:
Povzetek
Magistrsko delo obravnava načrtovanje sodobnih energijsko učinkovitih poslovno-skladiščnih
objektov. Predstavili smo koncepte zasnov energijsko učinkovitih stavb s pomočjo pasivnih strategij
in aktivnih tehničnih sistemov, ter primerjali energijske potrebe stanovanjskih objektov z
industrijskimi. S pomočjo pregleda zakonodajnih okvirov na področju energetske učinkovitosti in
dobrih referenčnih primerov energijsko učinkovitih industrijskih objektov, smo poskušali načrtovati
energijsko učinkovit poslovno-skladiščni objekt Arnovski gozd. Objekt smo analizirali v programskih
orodjih URSA Gradbena fizika 4.0 in Autodesk ECOTECT Analysis, ter s pomočjo modifikacij v
programu ECOTECT ugotavljali kako lahko uporabnik in izbira materialov vplivata na energijske
izkaze stavbe.
-
vi
DESIGN AND ANALYSIS OF ENERGY EFFFICIENT OFFICE BUILDING WITH STORAGE
FACILITIES
Key words: architecture, energy efficient design, offices, storage facilities, energy analysis …
UDK:
Abstract
The thesis deals with design of modern energy efficient office buildings with storage facilities. It
presents design concepts of energy efficient buildings with use of passive design strategies and
active technical systems and compares energy uses of residential and commercial buildings. With
overview of legislative frameworks in the field of energy efficiency and comparisons of good
examples of energy efficient industrial buildings, we tried to design energy efficient office
building with storage facilities - Arnovski gozd. Next, the building was analyzed in program tools
URSA Gradbena fizika 4.0 and Autodesk ECOTECT Analysis and modified to determine how a user
and a later choice of materials can affect the energy results.
-
vii
VSEBINA
1 UVOD 1
1.1 Opredelitev področja in opis problema, ki je predmet raziskave 1
1.2 Nameni, cilji in osnovne trditve 1
1.3 Predpostavke in omejitve raziskave 2
1.4 Predvidene metode raziskovanja 2
2 ZAKONODAJNI OKVIR NA PODROČJU ENERGIJSKE UČINKOVITOSTI STAVB 3
2.1 Evropske smernice 3
2.2 Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah 5
2.3 Energetska izkaznica stavbe 6
3 NAČRTOVANJE SODOBNIH POSLOVNIH ENERGIJSKO UČINKOVITIH STAVB 8
3.1 Energijski tokovi v stavbi 8
3.2 Osnovni koncepti zasnove energijsko učinkovitih stavb 10
3.2.1 Lokacija in lega stavbe 10
3.2.2 Orientacija in oblika 12
3.2.3 Termični ovoj stavbe 13
3.2.4 Konstrukcijski sistem in gradbeni materiali 16
3.2.5 Strategije pasivnega delovanja stavbe 17
3.2.6 Aktivni tehnični sistemi 20
3.3 Razlike med energijskim konceptom stanovanjskega in poslovno-skladiščnega objekta 24
4 UPORABA GRADBENIH MATERIALOV Z VIDIKA ENERGIJSKE UČINKOVITOSTI 26
4.1 Les 26
4.2 Steklo 27
4.2.1 Energijske lastnosti stekla 28
4.3 Jeklo 29
4.4 Vidik energetske učinkovitosti materialov 30
5 PREGLED OBSTOJEČEGA STANJA 31
5.1 Primeri dobre prakse poslovno-skladiščnih objektov 31
6 PROJEKTNI DEL 38
6.1 Predstavitev projekta 38
6.2 Funkcionalna zasnova objekta 39
6.3 Koncepti zasnove energijsko učinkovitega objekta Arnovski gozd 42
6.3.1 Pasivna zasnova objekta 42
6.3.2 Strategije pasivnega delovanja stavbe 43
6.3.3 Aktivni tehnični sistemi 44
6.4 Določitev termičnega ovoja in toplotnih con stavbe 45
-
viii
6.4.1 Termični ovoj 45
6.4.2 Toplotne cone 50
6.5 Energijska analiza objekta 51
6.5.1 Predstavitev programov za energijsko analizo objekta 51
6.5.2 Energijska analiza v programskem orodju URSA Gradbena fizika 4.0 52
6.5.3 Energijska analiza v programskem orodju Autodesk Ecotect Analysis 53
6.5.4 Rezultati energijskega izračuna v programskem orodju ECOTECT 56
6.5.5 Modifikacija 1: spreminjanje časovnega delovanja objekta 59
6.5.6 Modifikacija 2: spreminjanje zasteklitve objekta 61
7 SKLEP 62
8 VIRI IN LITERATURA 64
9 PRILOGE 67
9.1 Seznam prilog 67
9.2 Seznam slik 68
9.3 Seznam tabel 69
9.4 Naslov študenta 70
9.5 Kratek življenjepis 70
-
ix
UPORABLJENI SIMBOLI
H´t
– koeficient specifičnih transmisijskih toplotnih izgub [W/m2K]
QNH
– letna potrebna toplota za ogrevanje [kWh/m2a]
QNC
– letni potrebni hlad za hlajenje [kWh/m2a]
F0
– faktor oblike [m-1]
Qs – solarni dobitki [kWh]
Qi – interni dobitki [kWh]
Qt – transmisijske izgube [kWh]
Qv – ventilacijske izgube [kWh]
U – toplotna prehodnost [W/m2K]
Ug – koeficient toplotne prehodnosti stekla (glass) [W/m2K]
Uf – koeficient toplotne prehodnosti okvirja (frame) [W/m2K]
Uw – koeficient toplotne prehodnosti okna (window) [W/m2K]
g – koeficient prepustnosti sončnega sevanja stekla [%]
– toplotna prevodnost [W/mK]
– svetlobni izkoristek [lm/W]
– gostota [kh/m3]
-
x
UPORABLJENE KRATICE
EU – Evropska unija
ECOTECT – Programsko orodje Autodesk Ecotect Analysis
EPBD – Energy Performance of Buildings Directive
HVAC – Heating, ventilation and air conditioning
IZ – Idejna zasnova
KDS – Količnik dnevne svetlobe
LED – Light-emitting diode (svetleča dioda)
PGD – Projekt za gradbeno dovoljenje
PURES – Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah
URSA – Programsko orodje URSA Gradbena fizika 4.0
-
1
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
1 UVOD
1.1 Opredelitev področja in opis problema, ki je predmet raziskave
Stavbe porabijo več kot 40 % celotne energije v Evropi, zato postajajo vedno pomembnejši ukrepi
za varčevanje z energijo in zmanjšanje emisij CO2 v novih in obstoječih stavbah. Direktiva o
energetski učinkovitosti stavb je glavni zakonodajni instrument, ki vpliva na rabo energije in
učinkovitost v gradbenem sektorju v EU (Energy performance of buildings, 2013). Načrtovanje
energijsko učinkovitih stavb pa ima vedno večji pomen tudi v Sloveniji, še posebej odkar je junija
2010 stopil v veljavo Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah, ki določa nove, ostrejše
smernice za novogradnje in prenove obstoječih stavb. Pomemben kazalec energijske porabe je
energetska izkaznica stavbe, s pomočjo katere stavbo uvrščamo tudi v razred energetske
učinkovitosti.
Veliko idej in konceptov načrtovanja energijsko učinkovitih stavb se pojavlja predvsem pri zasebni
stanovanjski gradnji, vendar pa se podobne smernice lahko učinkovito prenesejo tudi na oblikovanje
večjih javnih in industrijskih objektov. Z analizo zgrajenih energijsko učinkovitih industrijskih
objektov in primerjavo s stanovanjskimi objekti bomo poskušali izluščiti glavne razlike pri
načrtovanju energijsko učinkovitih poslovno-skladiščnih objektov. V magistrski nalogi se bomo
osredotočili na primer razvojnega projekta poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd, ter
analizirali njegovo energijsko učinkovitost. Nadalje bomo z modifikacijo posameznih parametrov
energijske učinkovitosti opazovali spremembe vezane na rabo energije v stavbi.
1.2 Nameni, cilji in osnovne trditve
- Izdelava načrtov za namen energijske analize poslovno-skladiščnega objekta,
- zasnovanje koncepta in analiza energijske učinkovitosti objekta v dveh programskih orodjih
-
2
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
s primerjavo rezultatov,
- izdelava energijskih izkazov stavbe v programskih orodjih,
- modifikacija parametrov energijske učinkovitosti z namenom ugotavljanja vplivov delovanja
objekta in izbire materialov na rabo energije.
1.3 Predpostavke in omejitve raziskave
Predpostavljamo, da so podatki in informacije iz literature in spletnih virov točni in dovolj obsežni.
Idejna zasnova objekta izhaja iz projekta, načrtovanega pri predmetu Trajnostni koncepti
načrtovanja stavb, ki je potekal v 3. semestru 2. stopenjskega bolonjskega študijskega programa
Arhitekture na Fakulteti za gradbeništvo, Univerze v Mariboru. Načrtovanje idejne zasnove je
potekalo v skupini, po zaključku predmeta pa je bila idejna zasnova dodatno modificirana na podlagi
želja investitorjev in nadalje načrtovana v sodelovanju s projektantskim birojem BiPRO tim.
Poudarek raziskave je na energijskih izračunih in modifikaciji parametrov delovanja objekta, pri
čemer posegov v samo arhitekturo ni.
1.4 Predvidene metode raziskovanja
Magistrska naloga bo sestavljena iz teoretičnega in praktičnega dela. Prvi del magistrske naloge
bo vseboval poglobljen teoretično-analitičen pregled strokovne literature, člankov in zakonodaje s
področja trajnostne, energijsko učinkovite gradnje in lastnosti materialov, uporabljenih pri samem
projektu. Pristop k teoretičnemu raziskovanju bo deskriptiven. Uporabili bomo metode deskripcije,
komparacije in kompilacije. V drugem, praktičnem delu magistrske naloge bo predstavljen in opisan
razvojni projekt, iz katerega bo naloga izhajala, nato bo potekalo nadaljnje načrtovanje poslovno-
skladiščnega objekta in analiza toplotnih con ter termičnega ovoja s pomočjo računalniških orodij:
Ecotect Analysis 2011 in Ursa gradbena fizika 4.0. Rezultate projektnega dela bomo opisali in
analizirali, ter preverili kaj se dogaja pri modifikacijah delovanja objekta.
-
3
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
2 ZAKONODAJNI OKVIR NA PODROČJU ENERGIJSKE UČINKOVITOSTI STAVB
2.1 Evropske smernice
Med glavnimi cilji Evropske unije (EU) so zmanjšanje porabe energije in odpravljanje energetskih
izgub. Ker kar 40 % energije porabijo stavbe, je EU uvedla zakonodajo, ki zagotavlja manjšo porabo
energije. Ključni del te zakonodaje je Direktiva o energetski učinkovitosti stavb – Energy
Performance of Buildings Directive (Directive 2002/91/EC, EPBD), prvič objavljena leta 2002, ki je
zahtevala, da vse države EU izboljšajo in zaostrijo svoje gradbene predpise ter uvedejo sheme
energijskih certifikatov za zgradbe.
Zakonodaja je podala odlično priložnost za spodbujanje energetske učinkovitosti v stavbah EU,
vendar je zaradi številnih naprednih vidikov povzročila zahtevne uvedbe nacionalnih zakonodaj, ki bi
izpolnjevale zahteve EU. Mnogim državam EU je prenos in izvajanje direktive postal težavni in
stalni izziv. Kasneje je postalo jasno, da je direktiva 2002 imela pomanjkljivosti in da ni bilo
potrebe po nadaljnjih zaostritvah. Novembra 2008 je tako Evropska Komisija predlagala prenovitev
direktive. Nova Direktiva o energetski učinkovitosti stavb (Direktiva 2010/31/EU) je bila odobrena
19. maja 2010 (Energy performance of buildings, 2013).
Cilj direktive je spodbujanje večje energetske učinkovitosti stavb, njihovih delov in stavbnih enot.
Energetska učinkovitost stavb bi se naj izračunala na podlagi metodologije, ki poleg toplotnih
značilnosti vključuje dejavnike, kot so ogrevalne in klimatske naprave, uporaba energije iz
obnovljivih virov, pasivne ogrevalne in gladilne elemente, osenčenje, kakovost zraka v prostoru,
primerno naravno svetlobo in zasnovo stavbe. Metodologija mora zajemati letno energetsko
učinkovitost stavbe, ne le obdobje, ko je potrebno ogrevanje.
Države članice morajo v skladu z navedeno metodologijo za izračunavanje določiti minimalne
zahteve glede energetske učinkovitosti tako, da se dosežejo stroškovno optimalne ravni. Raven
-
4
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
teh zahtev se pregleduje vsakih 5 let. Pri določanju minimalnih zahtev lahko države članice
razlikujejo med novimi in obstoječimi stavbami ter med različnimi kategorijami stavb, kjer se lahko
odločijo o upoštevanju te zahteve. Nove stavbe morajo izpolnjevati minimalne zahteve glede
energetske učinkovitosti. Pred začetkom gradnje se preuči in upošteva tehnična, okoljska in
ekonomska izvedljivost visoko-učinkovitih alternativnih sistemov oskrbe z energijo iz obnovljivih
virov, toplotnih črpalk, daljinskih ali skupinskih ogrevalnih in hladilnih sistemov ter sistemov
soproizvodnje. Pri večji prenovi obstoječih stavb je potrebno zagotoviti izboljšanje njihove
energetske učinkovitosti tako, da bodo tudi te stavbe zadostovale minimalnim zahtevam.
Zahtevam glede energetske učinkovitosti morajo ustrezati tudi vgrajeni, zamenjani ali nadgrajeni
tehnični stavbni sistemi, kot so ogrevalni sistemi, sistem tople vode, klimatski sistem in veliki
prezračevalni sistemi.
Za doseganje stroškovno optimalnih ravni morajo biti minimalne zahteve glede energetske
učinkovitosti izpolnjene tudi pri zamenjavi ali nadgradnji elementov stavb, ki so del ovoja stavbe in
znatno vplivajo na energetsko učinkovitost tega ovoja (na primer okenski okvirji).
Države članice bi morale zagotoviti, da so do 31. decembra 2020 vse nove stavbe skoraj nič-
energijske stavbe1. Po 31. decembru 2018 morajo ista merila izpolnjevati nove stavbe, ki jih javni
organi uporabljajo kot lastniki. Komisija spodbuja povečanje števila tovrstnih stavb z izvajanjem
nacionalnih načrtov.
Države članice vzpostavijo sistem certificiranja energetske učinkovitosti stavb – energetske
izkaznice. Ta sistem vključuje predvsem informacije o porabi energije stavb in priporočila za
stroškovne izboljšave (Direktiva 2010/31/EU ; Europa - povzetki zakonodaje EU, 2010).
1„Skoraj nič-energijska stavba“ pomeni stavbo z zelo visoko energetsko učinkovitostjo. Za skoraj nič potrebne energije
oziroma zelo majhno količino potrebne energije bi v zelo veliki meri morala zadostovati energija iz obnovljivih virov,
vključno z energijo iz obnovljivih virov, proizvedeno na kraju samem ali v bližini (Direktiva 2010/31/EU).
-
5
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
2.2 Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah
Na podlagi nove evropske direktive o energetski učinkovitosti stavb (Direktiva 2010/31/EU), smo v
Sloveniji sprejeli prenovljen Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah – PURES (Ur. l. RS, št.
52/2010), ki zadeva gradnjo novih stavb in rekonstrukcije stavbe oziroma njenega posameznega
dela, kjer se posega v najmanj 25 odstotkov površine toplotnega ovoja.
Pravilnik velja za večino stavb, razen za:
- stavbe za promet in izvajanje elektronskih komunikacij,
- rezervoarje, silose in skladišča,
- nestanovanjske kmetijske stavbe,
- stavbe za opravljanje verskih obredov, pokopališke stavbe,
- nadstrešnice, javne sanitarije, zaklonišča ipd.,
- industrijske stavbe, ki se ne ogrevajo ali klimatizirajo na temperaturo v prostorih, višjo od 12
ºC, ali katerih notranji viri toplote zaradi tehnoloških procesov nadomeščajo v času ogrevanja več
kot polovico toplotnih izgub ali so v času ogrevanja praviloma odprte več kot polovico delovnega
časa.
Pravilnik veleva, da je treba stavbo zasnovati in graditi tako, da je energijsko ustrezno
orientirana, da je razmerje med površino toplotnega ovoja stavbe in njeno kondicionirano
prostornino z energijskega stališča ugodno, da so prostori v stavbi energijsko optimalno
razporejeni in da materiali in elementi konstrukcije ter celotna zunanja površina stavbe omogočajo
učinkovito upravljanje z energijskimi tokovi.
Minimalne zahteve za energijsko učinkovitost stavbe po pravilniku PURES se nanašajo na naslednje
kazalnike:
- koeficient specifičnih transmisijskih toplotnih izgub skozi površino toplotnega ovoja stavbe,
določen z izrazom [W/m2K] = / A, ne presega:
≤ 0,28 +
+
+
-
6
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
kjer je:
– povprečna letna temperatura zunanjega zraka
z – brezdimenzijsko razmerje med površino oken (gradbena odprtina) in površino
toplotnega ovoja stavbe
– faktor oblike
- letna potrebna toplota za ogrevanje stavbe, preračunana na enoto kondicionirane
površine oziroma prostornine stavbe, ne presega:
- za stanovanjske stavbe: 45 + 60 - 4,4 [kWh/m2a]
- za nestanovanjske stavbe: 0,32 (45 + 60 - 4,4 ) [kWh/m3a]
- za javne stavbe: 0,29 (45 + 60 - 4,4 ) [kWh/m3a]
- letni potrebni hlad za hlajenje stanovanjske stavbe mora biti manjši od dovoljene
vrednosti,
- za stanovanjske stavbe je omejena tudi letna primarna energija za delovanje sistemov v
stavbi (vključeno je ogrevanje, hlajenje, prezračevanje, električna energija za
razsvetljavo),
- ne sme biti presežena nobena od mejnih vrednosti za toplotne prehodnosti (U) elementov
ovoja, ki so določene v tabeli 1 točke 3.1.1 tehnične smernice TSG-1-004 Učinkovita raba
energije.
Poleg zgoraj naštetih kazalnikov pravilnik zahteva, da 25 odstotkov energije zagotovimo iz
obnovljivih virov energije (sončno obsevanje, biomasa, geotermalna energija in energija vetra). V
kolikor ta pogoj ni dosežen, je možna zagotovitev nadomestnih pogojev, kot na primer 25 % deleža
končne energije je iz sončnega obsevanja, 30 % končne energije je iz plinaste biomase, najmanj 50
% končne energije je iz toplote okolja .... (Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah; Uradni list
RS, št. 52/2010, z dne: 30. 6. 2010).
2.3 Energetska izkaznica stavbe
Energetsko izkaznico je pri nas uvedel Energetski zakon (EZ-UPB2) (Ur.l. RS, št. 27/2007, z dne
26. 3. 2007), ki predpisuje obveznost energetske izkaznice, veljavnost in licence. Pravilnik o
metodologiji izdelave in izdaji energetski izkaznic stavb (Ur.l. RS, št. 77/2009) določa podrobnejšo
-
7
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
vsebino in obliko energetskih izkaznic stavbe, metodologijo za izdajo energetske izkaznice ter
vsebino podatkov, način vodenja registra energetskih izkaznic in način prijave izdane energetske
izkaznice za vpis v register.
Energetska izkaznica je javna listina s podatki o energetski učinkovitosti stavbe in s priporočili za
povečanje energetske učinkovitosti.
Glede na vrsto stavbe oziroma namen njene uporabe ločimo dve vrsti energetskih izkaznic:
– računska energetska izkaznica, ki se določi na podlagi izračunanih energijskih kazalnikov rabe
energije stavbe. Računska energetska izkaznica se izda za novozgrajene stavbe in obstoječe
stanovanjske stavbe;
– merjena energetska izkaznica, ki se določi na podlagi meritev rabe energije. Merjena
energetska izkaznica se izda za obstoječe nestanovanjske stavbe.
Energijski kazalniki za računsko energetsko izkaznico so:
– letna potrebna toplota za ogrevanje stavbe na enoto uporabne površine stavbe Q(NH)/A(u),
– letna dovedena energija za delovanje stavbe na enoto uporabne površine stavbe Q/A(u),
– letne emisije CO2 zaradi delovanja stavbe na enoto uporabne površine stavbe.
V računski energetski izkaznici se stavbo uvrsti v razred energetske učinkovitosti glede na letne
potrebne toplote za ogrevanje stavbe na enoto uporabne površine stavbe – Q(NH)/A(u) (kWh/m2a),
in sicer:
– razred A1: od 0 do vključno 10 kWh/m2a,
– razred A2: nad 10 do vključno 15 kWh/m2a,
– razred B1: nad 15 do vključno 25 kWh/m2a,
– razred B2: nad 25 do vključno 35 kWh/m2a,
– razred C: nad 35 do vključno 60 kWh/m2a,
– razred D: od 60 do vključno 105 kWh/m2a,
– razred E: od 105 do vključno 150 kWh/m2a,
– razred F: od 150 do vključno 210 kWh/m2a,
– razred G: od 210 do 300 in več kWh/m2a
(Pravilnik o metodologiji izdelave in izdaji energetskih izkaznic stavb (Ur.l.RS, št. 77/2009).
-
8
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Slika 3.1: Energijski tokovi v stavbi [lastna grafika]
Slika 3.2: Solarni dobitki [lastna grafika]
Slika 3.3: Notranji dobitki [lastna grafika]
3 NAČRTOVANJE SODOBNIH POSLOVNIH ENERGIJSKO UČINKOVITIH STAVB
3.1 Energijski tokovi v stavbi
Za prikaz energetske izkaznice stavbe je pomembno primerjati vse dohodne (toplotne dobitke) in
odhodne energijske tokove v stavbi (toplotne izgube). Med toplotne dobitke spadajo solarni dobitki
– Qs in notranji (interni) dobitki – Qi. Med toplotne izgube pa transmisijske izgube – Qt in
ventilacijske izgube – Qv (Slika 3.1).
Solarni dobitki
Solarni dobitki (dobitki iz sončne energije) se nanašajo na povečanje temperature v prostoru,
objektu ali strukturi kot posledica sončnega sevanja (Slika 3.2). Količina solarnih dobitkov se veča
z močjo sonca in z zmožnostjo materiala za prenašanje ali ustavljanje sončnega sevanja (Wikipedia).
Za solarne dobitek so izrednega pomena neprozorne površine stavbe (okna), ki predstavljajo enega
od najmočnejših pasivnih nadzorov objekta. Na solarne dobitke skozi okna vpliva ne le površinska
lastnost materiala (odbojnost), ampak tudi velikost oken, senčila ter oblika in orientacija stavbe
(Szokolay, 2008). Poleg tega pa ne smemo pozabiti na senčenje sosednjih objektov, rastlin in druge
okolice.
Notranji dobitki
Na notranje (interne) dobitke lahko z načrtovanjem vplivamo le malo, saj gre za energijo, ki jo
dobimo s pomočjo ljudi v stavbi, tehnične opreme, umetne osvetlitve in drugih naprav (Slika 3.3).
Takšne naprave je mogoče primerno razporediti iz zasedenih prostorov ali pa poskušamo razpršiti
pridobljeno toploto blizu vira. V stanovanjskih zgradbah so notranji dobitki načeloma nizki in manj
izraziti, kot na primer v poslovnih zgradbah (Szokolay, 2008 ; Educate Sustainability).
-
9
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Slika 3.4: Transmisijske izgube [lastna grafika]
Slika 3.5: Ventilacijske izgube [lastna grafika]
Transmisijske izgube
Med toplotnimi izgubami so najbolj pomembne transmisijske izgube, ki lahko močno vplivajo na
potrebnost energije za ogrevanje. Transmisijski tokovi potekajo skozi zunanji toplotni ovoj stavbe,
zato so odvisni od oblike stavbe (faktorja oblike) in toplotno izolacijskih lastnosti ovoja stavbe
(Slika 3.4). V hladnem delu leta transmisijski tokovi povzročajo toplotne izgube, ki jih je treba
nadomestiti z uporabo omenjenih toplotnih dobitkov ali dodatne toplotne energije ogrevalnega
sistema. Večja kot je temperaturna razlika med notranjim in zunanjim prostorom, večja je tudi
gonilna sila teh toplotnih tokov. Omejimo jih lahko s povečanjem izolacijskih materialov, ki
zagotavljajo odpornost na toplotno prevodnost. Izolacijske zmožnosti gradbenih elementov, kot so
zasteklitve, stene, tla ali streha, so definirani z U-vrednostmi (toplotna prehodnost). Poleg teh
vrednosti pa je pomembno upoštevati tudi toplotne mostove (Szokolay, 2008 ; Educate
Sustainability). V kolikor energijsko bilanco ločimo na dve obdobji, obdobje kurilne sezone in
poletne mesece, lahko poleti, v določenih delih dneva, vrednosti transmisijskih tokov postanejo
pozitivne in jih obravnavamo kot dobitke.
Ventilacijske izgube
Pri vsaki stavbi je potrebno zagotoviti ustrezno prezračevanje oziroma izmenjavo notranjega zraka
s svežim zunanjim zrakom za ohranjanje primernih CO2 emisij in drugih onesnaževalcev na
sprejemljivi koncentracijski ravni in zagotavljanje ustrezne vlažnosti v prostoru. Ker poteka
izmenjava zraka pri različnih temperaturah, s tem pa se pojavlja energijski tok, je potrebno pri
izračunu toplotnega ravnovesja upoštevati tudi ventilacijo. Poznamo dva načina izmenjave zraka
med stavbo in zunanjostjo, in sicer namerno prezračevanje oziroma ventilacijo (na primer z
odpiranjem okna) in naključno infiltracijo zraka (Slika 3.5) (Educate Sustainability). Ventilacijske
izgube potekajo pod vplivom zasteklitev in drugih odprtin, njihovih orientacij glede na smer vetra,
njihovih zapiralnih mehanizmov in splošne zrakotesnosti in prepustnosti toplotnega ovoja. Oblika
stavbe ima lahko velik vpliv na oblikovanje pozitivnih in negativnih tlačnih con, kar prav tako lahko
vpliva na vstop zraka (Szokolay, 2008). V kolikor energijsko bilanco ločimo na dve obdobji, obdobje
kurilne sezone in poletne mesece, lahko poleti, v določenih delih dneva, vrednosti ventilacijskih
tokov postanejo pozitivne in jih obravnavamo kot dobitke.
-
10
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Slika 3.6: Köppen-Geigerjeva klasifikacija podnebja [prirejeno po: Peel at al, 2007]
3.2 Osnovni koncepti zasnove energijsko učinkovitih stavb
Pri zasnovi energijsko učinkovitih stavb lahko uporabljamo tako pasivne kot aktivne sisteme, le z
ustreznim načrtovanjem obeh pa lahko dosežemo tudi dobre rezultate. Začetna točka energijsko
učinkovitega načrtovanja je vedno pasivna zasnova objekta, kjer poskušamo načrtovati ogrevanje,
hlajenje, svetlobo in ventilacijo z zanašanjem na sončno svetlobo, veter, vegetacijo in druge
naravne vire na lokaciji. Iz slednjega je razvidno, da je natančna analiza lokacije in njenih naravno-
energetskih razpoložljivih danosti predpogoj za uspešnost zasnove stavbe. Uspešna pasivna
zasnova objekta ustvarja popolnoma klimatsko-odzivno, energetsko učinkovito stavbo s številnimi
ugodnostmi. Stavbo, ki je oblikovana v pasivnem smislu, je mogoče ločiti od njenih aktivnih virov
energije, še vedno pa ostaja razmeroma funkcionalna zaradi dnevne svetlobe, ustreznega
pasivnega ogrevanja, hlajenja in prezračevanja. Pasivno načrtovanje ima dva glavna vidika: uporaba
lokacije in lege stavbe ter zasnova stavbe same, njena usmerjenost, razmerje, zastekljenost in
podobno (Kilbert, 2013).
3.2.1 Lokacija in lega stavbe
Prvi korak pri načrtovanju energijsko učinkovitih stavb je zagotovo pregled podnebja in klime
izbrane lokacije. Že v zgodovini človeštva so se ljudje s svojo gradnjo vedno poskušali čim bolje
prilagajati zunanjim faktorjem in tako pasivno prilagajati klimo znotraj objekta. Klimatske podatke
lahko v osnovi razdelimo na tri nivoje: makroklimo, mezoklimo in mikroklimo. Podatki makroklime, ki
jih zagotavljajo standardne meteorološke postaje, opisujejo splošen značaj regije, v smislu
osončenja, oblačnosti, temperature, vetra, vlažnosti zraka in padavin (Goulding et al, 1992).
Za lažjo uporabo klimatskih podatkov poznamo veliko različnih sistemov klasifikacije podnebja,
najbolj pogosto pa se uporablja sistem Köppen-Geigerjeve klasifikacije, ki loči približno 25 tipov
podnebja (Slika 3.6) (Szokolay, 2008).
Za zasnovo stavb (po Atkinsonu, 1953) je dovolj, da razlikujemo samo štiri osnovne tipe podnebja,
-
11
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
ki temeljijo na naravi toplotnega problema na določeni lokaciji:
- Hladno podnebje, kjer je glavna težava pomanjkanje toplote.
- Zmerno podnebje, kjer poteka sezonsko nihanje temperatur.
- Vroče-suho podnebje, kjer je glavna težava pregrevanje, vendar je zrak suh, tako da
lahko uporabljamo mehanizme izhlapevanja. Po navadi so velike tudi dnevne spremembe
temperature (dan-noč).
- Vroče-vlažno podnebje, kjer pregrevanja ni tako veliko, vendar je težava v visoki vlažnosti,
ki omejuje potencial izhlapevanja. Dnevne spremembe temperature so majhne (Szokolay,
2008).
Poleg globalnih podnebnih območij pa moramo upoštevati tudi regionalne in lokalne vremenske
razmere. Mezoklimatski podatki obsegajo ožja območja ali regije, na njih pa vplivajo lokalni pogoji,
kot so topografija, vegetacija in lokalne značilnosti okolja. Mezoklimatskih podatkov ne dobimo iz
meteoroloških postaj, ampak je potrebna podrobnejša analiza lokacije in njenih značilnosti. Glede na
različne mezoklimatske značilnosti ločimo različna območja oz. tipe: obalne regije, odprte ravnine,
gozdna območja, doline, mesta in gorska območja (Goulding et al, 1992).
Poseg človeka lahko spremeni okolje v bližini stavbe in ustvarja pogoje. znane kot mikroklima.
Pomembni faktorji, ki vplivajo na mikroklimo lokacije, so: topografija (naklon, orientacija lokacije,
izpostavljenost soncu, nadmorska višina, hribovitost …), tla (naravna ali umetna, odbojnost,
prepustnost, temperatura tal, tlakovanost ali vegetacija) in tridimenzionalni objekti (drevesa,
pasovi, ograje, stene in strehe stavb …) na oziroma ob lokaciji (Szokolay, 2008).
-
12
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
3.2.2 Orientacija in oblika
Pri orientaciji objekta je zelo pomembno, da razmišljamo o čim večjem izkoristku sončne energije,
kar pomeni, da orientiramo objekte proti ekvatorju. Količina dobitkov sončnega obsevanja je odvisna
od orientacije fasade, letnega časa in dnevnega gibanja sonca. Glede na naš položaj (Srednja
Evropa) je najbolj učinkovita južna orientacija stavbe, saj omogoča maksimalno izrabo sončne
energije v hladnih delih leta. Pasivna izraba sončne energije lahko doprinese kar 40 % energije pri
ogrevanju stavbe in tako ugodno vpliva na toplotno bilanco zgradbe. Na južni fasadi se priporočajo
večje zastekljene površine, na severni pa čim manjše. Senčenje stavb znižuje učinkovitost dobitkov
sončnega obsevanja, zato je pomembno primerno dimenzioniranje razmikov med stavbami. V bližini
južne, vzhodne in zahodne fasade so lahko zasajena listopadna drevesa, ki poleti senčijo objekt,
pozimi, ko listje odpade, pa sonce sije na stavbo (Zbašnik Senegačnik, 2009). Da v poletnem času
ne pride do pregrevanja, lahko uporabimo tudi druge načine senčenja južnih zasteklitev, kot so
strešni previsi ali zunanja senčila.
Oblika objekta je prav tako pomemben parameter objekta, saj se največ toplote stavbe običajno
izgublja skozi zunanji ovoj objekta. Ker želimo omejiti toplotne izgube skozi zunanji ovoj, je
pomembno, da je zunanjih površin glede na volumen objekta čim manj. Faktor oblike je razmerje
med celotno zunanjo površino objekta in ogrevano prostornino stavbe, ki jo ta površina obdaja.
Faktor oblike izračunamo kot:
, kjer je:
A – zunanja površina ovoja stavbe,
V – ogrevana prostornina stavbe.
Najugodnejši faktor oblike se pojavlja pri enostavnih in kompaktnih stavbah. Posebej ugoden je pri
kvadratnih, okroglih, osemkotnih in elipsastih oblikah (Zbašnik Senegačnik, 2009).
-
13
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
3.2.3 Termični ovoj stavbe
Energijsko učinkovito načrtovanje stavb želi zmanjšati transmisijske izgube, zato je pomemben
tesen in toplotno odporen ovoj stavbe. Termični ovoj stavbe mora nadzorovati izrabo sončne
energije, prevajanje oz. neposreden prenos toplote in uhajanje toplote (Kilbert, 2013).
Termični ovoj stavbe predstavlja vmesnik med zunanjimi in notranjimi klimatskimi pogoji oziroma med
dvema temperaturnima območjema. Medtem ko se notranje temperature v prostorih, ki jih
uporabljamo skozi leto, spreminjajo le za nekaj stopinj, so lahko zunanje temperaturne spremembe
veliko večje. Za države Severne in Srednje Evrope je potrebna večja toplotna izolacija ravno zaradi
dolgih in mrzlih zim (Bauer et al, 2010). Gradbeni elementi, ki tvorijo mejo med dvema
temperaturnima območjema, so zunanje stene, notranje stene proti neogrevanim delom zgradbe,
streha, tla, okna in zunanja vrata. Znotraj toplotnega ovoja morajo biti tisti prostori, ki so stalno
ogrevani, zunaj toplotnega ovoja pa so neogrevane kleti, shrambe, garaže in ostali pomožni
prostori. Zaradi čim boljšega faktorja oblike mora biti toplotni ovoj čim bolj kompakten (Zbašnik
Senegačnik, 2007).
Toplotna izolacija
Debelina toplotne izolacije je odvisna od sestave stene in želene toplotne prehodnosti stene,
strehe ali tal. Kot toplotnoizolativni materiali so primerna umetna anorganska gradiva, kot so
mineralne volne in penjeno steklo, ali umetna organska gradiva, pri katerih se pogosto uporabljajo
ekspandirani in ekstrudirani polistiren, penjeni polietilen in penjeni polieturan. V zadnjih letih se
vedno pogosteje uporabljajo tudi naravna toplotnoizolacijska gradiva, kot so celulozna vlakna,
lesena vlakna, kokosova vlakna, lan, konoplja, volna, pluta in druga (Zbašnik Senegačnik, 2009).
-
14
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Zrakotesen ovoj
Poleg optimalne toplotne izolacije je pri energijsko učinkovitih stavbah potrebno zagotoviti tudi
zrakotesen ovoj, saj kar nekaj toplote prehaja skozi objekt nekontrolirano. Vsak gradbeni element,
ki sestavlja zunanji ovoj, mora biti zrakotesen. Pri masivnih objektih iz opeke ali betona se
tesnost doseže npr. z neprekinjenim notranjim ometom, medtem ko se pri lahki gradnji na notranji
strani načeloma vgradi parna ovira. Za učinkovito zrakotesnost so poleg izbire primernega sistema
tesnjenja pomembni tudi stiki med posameznimi elementi, zrakotesna vgradnja oken in vrat, ter
zatesnjeni preboji zaradi instalacij (Zbašnik Senegačnik, 2009).
Toplotni mostovi
Toplotni mostovi so površine oziroma mesta na gradbenem elementu, kjer je prehajanje toplote
povečano. Pojavljajo se na zunanjem ovoju stavbe, predvsem zaradi napak in pomanjkljivosti pri
načrtovanju in izvedbi. Za načrtovanje energijsko učinkovitih objektov je pomembno upoštevati
načelo, da mora biti toplotnoizolativna plast načrtovana tako, da brez prekinitve ovije hišo.
Posledice toplotnih mostov so lahko povečana poraba energije, slabšanje toplotnega ugodja,
pomanjkljiva stanovanjska higiena (npr. zaradi vlage) in ogrožanje gradbenih elementov. Glede na
vzroke nastanka delimo toplotne mostove na konvekcijske, konstrukcijske in geometrijske toplotne
mostove. Konvekcijski toplotni mostovi so pri energijsko učinkovitih stavbah praviloma minimizirani
in jih lahko zanemarimo – nastajajo namreč na mestih, kjer skozi odprtine ali špranje
nekontrolirano odteka topli zrak. Geometrijski toplotni mostovi nastavnejo na ovoju stavbe, kjer je
notranja površina, skozi katero uhaja toplota, manjša od zunanje (na primer na vogalu stavbe). Pri
dobro toplotno izoliranih stavbah je učinek geometrijskih toplotnih mostov zanemarljiv.
Konstrukcijski toplotni mostovi nastanejo tam, kjer je toplotni ovoj zgradbe prekinjen in so
največkrat posledica slabo načrtovanih detajlov pri prebojih, previsih, priključkih … (Zbašnik
Senegačnik, 2007).
-
15
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Zasteklitev
Zasteklitev je ena od temeljnih elementov arhitekturnega projektiranja, saj opredeljuje tako zunanji
videz kot notranje vzdušje stavbe. Odstotek zastekljenih površin termičnega ovoja stavbe je
pomemben dejavnik za doseganje energetske učinkovitosti stavb. Skozi zasteklitev lahko prehajata
sončna svetloba in toplotno sevanje v stavbo, prav tako pa lahko toplotna energija teče iz
notranjosti navzven skozi okna, saj okna na splošno zagotavljajo najnižjo odpornost na toplotni
tok v ovoju stavbe.
V hladnih podnebjih in zimskih sezonah so toplotne izgube skozi okna eden od ključnih vzrokov za
toplotne izgube. Za zmanjšanje le-teh lahko pripomore ustrezna vrsta toplotnoizolacijske
zasteklitve (dvojna, troslojna zasteklitev), nizkoemisijske prevleke in izolacijska konstrukcija
okvirja. Na trgu obstajajo že štiri in celo petslojne zasteklitve, vendar je njihova uporaba v tem
trenutku še redka. Večslojna zasteklitev zmanjšuje prenos toplote z ločitvijo stekel s plastmi
zraka ali plinov, kot sta kripton in argon, in tako zmanjša toplotno prevodnost skozi element.
Nizkoemisijski nanosi na steklih zmanjšujejo prenose toplote s sevanjem. Z razvojem zelo
učinkovitih zasteklitev so okvirji postali najšibkejši členi in tako večajo skupne U-vrednosti oken.
Okvirji se v zadnjih letih razvijajo z uporabo PVC, lesenih in leseno-aluminjastih konstrukcij in
izolacijskih distančnikov.
V nasprotju z izgubami pa primerno zasnovane zasteklitve prinašajo tudi toplotne dobitke. Sončno
sevanje skozi okna vstopa v objekt, s tem pa se lahko pozimi izkorišča kot dodatna energija za
ogrevanje. Seveda pa je treba najti pravilno razmerje zastekljenih površin, saj bi prevelike
zastekljene površine lahko povečevale transmisijske izgube, v poletnem času pa povzročale tudi
pregrevanje prostora (Educate Sustainability).
Senčenje
Za preprečevanje pregrevanja v toplih delih leta morajo imeti zastekljene površine na vzhodu,
zahodu in jugu ustrezno sončno zaščito. Med načrtovanjem senčil je pomembno doseči kompromis
med vdorom sončnih žarkov poleti in pozimi, zato upoštevamo dva ekstremna sončna položaja.
Poleg premičnih pritrjenih senčil na zunanjosti stavbnega ovoja, kot so rolete in žaluzije,
uporabljamo še senčenje v obliki nepremičnih elementov na samem objektu, v obliki nadstreškov,
-
16
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
previsov fasad in balkonov. Senčimo lahko tudi s pomočjo elementov v okolici objekta, na primer
listopadnih dreves in drugih preprek (Solar Shading ; Zbašnik Senegačnik, 2009).
3.2.4 Konstrukcijski sistem in gradbeni materiali
Pri energijsko učinkovitih objektih se lahko odločimo tako za masivno kot za lahko gradnjo oziroma
konstrukcijo. Pri masivni gradnji je nosilna konstrukcija iz opečnih zidakov, opečnih zidakov
polnjenih s perlitom in zidakov iz betona ali lahkega betona. Ustrezna debelina toplotne izolacije
se uporabi na zunanji strani. Pri lahkih konstrukcijah je najpogostejša uporaba lesa v obliki
prefabriciranih elementov. Toplotna izolacija se v večini primerov nahaja med nosilno leseno
konstrukcijo. Ker pa ima les večjo toplotno prevodnost kot toplotna izolacija med nosilno
konstrukcijo, prestavlja v steni toplotne mostove, ki poslabšajo njeno toplotno prevodnost. Zato
se nosilni ravni na zunanji ali/in notranji strani doda dodatna plast izolacije. V primerjavi z
masivnimi stenskimi konstrukcijami imajo lahke konstrukcije precej manjšo lastno težo in s tem tudi
slabšo sposobnost dolgotrajnega shranjevanja toplote. (Zbašnik Senegačnik, 2007).
-
17
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Slika 3.7: Prikaz Trombe-Michael sistema [prirejeno po Szokolay, 2008]
Slika 3.8: Prikaz delovanja “priključen steklenjak” [prirejeno po: Educate Sustainability]
3.2.5 Strategije pasivnega delovanja stavbe
Zgoraj omenjeni koncepti zasnove energijsko učinkovitih stavb, od lokacije, orientacije, oblike
objekta do termičnega ovoja stavbe, omogočajo učinkovito pasivno delovanje stavbe. S pravilno
kombinacijo teh konceptov lahko ustvarimo strategije pasivnega delovanja stavbe in objekt na
pasiven način ogrevamo, prezračujemo in hladimo.
Ogrevanje
Pasivno solarno ogrevanje v najenostavnejši obliki temelji na postavitvi zadostnih steklenih površin
proti ekvatorju. Treba je upoštevati tudi vpadni kot sončnih žarkov in uporabo ustreznih senčil, ki
zagotavljajo senčenje v poletnem času in vstop sončnega sevanja v zimskem času. Primerna so
horizontalna senčila, nastavljiva senčila ali previsi nad zasteklitvami primernih dimenzij.
Drugi način pasivnega solarnega ogrevanja deluje s pomočjo mase objekta predvsem pri masivni
gradnji. Masivna stena, izpostavljena sončnemu sevanju, bi lahko delovala kot toplotni zbiralnik,
vendar se toplota hitro izgublja skozi zunanjo površino. To lahko rešimo s pomočjo zasteklitve ali
transparentne izolacije na zunanji strani. Zrak med steno in steklom mora ustrezno krožiti, saj se
v nasprotnem primeru pozimi prehitro ohlaja. Zato se uporablja Trombe-Michael sistem, kjer so
dodane ventilacijske odprtine ob tleh in blizu stropa. Ko se topel zrak dviga, vstopa v prostor
skozi zgornjo odprtino in izpodriva mrzel zrak v loputo pri tleh.
Med podobne pasivne ogrevalne sisteme spada tudi t. i. »priključen steklenjak«. Princip je podoben
kot je Trombe-Michel zid, vendar je zračni prostor mnogo večji. Poleg termalne funkcije je prostor
uporaben tudi za rastline in za sedenje, kot »zimski vrt« ali konservatorij. Ponoči lahko takšen
rastlinjak izgubi mnogo toplote, zato ga je potrebno ločiti od ostalega prostora (Szokolay, 2008).
-
18
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Slika 3.9: Evaporacijsko hlajenje okoliškega zraka (Goulding et al, 1992)
Slika 3.10: Hlajenje ventilacijskega zraka skozi tla [Goulding et al, 1992]
Slika 3.11: Hlajenje z nočnim navzkrižnim prezračevanjem [Goulding, et al, 1992]
Hlajenje
Zadostno hlajenje objekta lahko dosežemo na mnogo načinov s pasivnimi strategijami. Zunanje
dobitke lahko omejimo s pomočjo zadostne izolacije, zmanjšanja velikosti oken, s pomočjo
refleksivnih materialov, ki ne vpijajo tako veliko toplote (npr. bela barva fasade) in s pomočjo
primerne zunanje ureditve. Veliko pripomore tudi omejevanje in nadzor notranjih dobitkov, še
posebej tam, kjer so topla podnebja.
Objekt lahko dodatno hladimo na naslednje načine:
- z evaporacijskim hlajenjem okoliškega zraka (Slika 3.9),
- s hlajenjem ventilacijskega zraka skozi tla (Slika 3.10),
- z nočno radiacijo,
- z nočnim navzkrižnim prezračevanjem (Slika 3.11).
Evaporacijsko hlajenje okoliškega zraka lahko dosežemo tako, da povečamo kontaktne površine med
zrakom in vodo. Pomaga lahko izgraditev bazenov, fontan, vodnih curkov v okolici objekta, kar
omogoči, da se zrak pred vstopom v objekt ohladi.
Temperatura v zemlji na določeni globini je hladnejša kot zunanji zrak in ostaja na precej
konstantni temperaturi skozi leto. To lahko izkoristimo tako, da zrak za prezračevanje objekta
spustimo skozi podzemne kanala, kjer se s pomočjo konvekcije ohlaja. Takšna strategija hlajenja se
po navadi uporablja predvsem v suhih in vročih podnebjih.
Radiacijski prenos toplote se zgodi med dvema sosednjima masama, ki imata različno temperaturo.
Jasne noči so vedno hladnejše, zato se toplota, ki se je čez dan akumulirala v vodnem telesu ali
objektu, oddaja v zrak ponoči. To lahko izkoristimo s pomočjo strešnih ribnikov oziroma bazenov, ki
so čez dan na zunanji strani izolirani in akumulirajo toploto iz objekta, zvečer pa se odprejo in
shranjena toplota lahko seva v nebo.
Izgubljanje toplote lahko pospešimo s pomočjo zraka: ponoči navzkrižno prezračujemo kleti ali
podstrešja. Ta postopek je še posebej priporočen za topla, vlažna podnebja. V vročih, suhih
podnebjih so nočne temperature nizke, zato je potrebno odstraniti toploto, ki se je v objektu
zbrala čez dan. Nočno prezračevanje zato po navadi peljemo mimo visoko termičnih mas, da
odstranimo akumulirano toploto (Goulding et al, 1992).
-
19
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Slika 3.12: Toplotni učinek »dimnika« [Goulding, et al, 1992]
Slika 3.13: »Venturi efekt« [Goulding, et al, 1992]
Prezračevanje
S prezračevanjem zagotavljamo svež zrak v prostoru. Prezračevanje z uporabo naravnih sil za
premikanje zraka lahko močno zmanjša porabo energije, potrebne za prehod zraka. Pasivno
prezračevanje je mogoče doseči z uporabo toplotnega učinka »dimnika« (Slika 3.12), pri čemer se
ogret zrak dviga in sproža pretok zraka v navpični smeri. Zagotoviti je potrebno odprtine na dnu
in vrhu stavbe, tako da lahko topel zrak na vrhu objekta prosto izteka iz stavbe, svež mrzel
zrak pa skozi odprtine na dnu objekta stopa v stavbo. Drugi možni način pasivnega prezračevanja
je »Venturi efekt« (Slika 3.13), pri čemer se oblikuje nizko-tlačna cona s pomočjo vetra in
povzroča gibanje zraka. Ventilacijski učinek je največji, ko veter piha na stavbo pod kotom 45°.
Pretok zraka se regulira s pomočjo odprtin v ovoju stavbe, ki s svojo velikostjo in pozicijo
usmerjajo moč in smer vetra. Najboljša distribucija svežega zraka je dosežena, ko so odprtine
postavljene nasprotno diagonalno (Kilbert, 2013 ; Goulding et al, 1192).
Naravna osvetlitev
Stopnja vizualnega udobja je odvisna od naravne in umetne osvetlitve prostorov. Za doseganje
zadostne količine svetlobe v prostoru, za zmanjšanje uporabe umetne razsvetljave in s tem
posledično zmanjšanje porabe energije je potrebno primerno načrtovati naravno osvetlitev.
Načrtovanje kvalitetne naravne osvetlitve pomeni premišljeno načrtovanje okenskih odprtin, pri
čemer moramo sočasno upoštevati tudi toplotne izgube in solarne dobitke skozi takšne odprtine.
Kvaliteta naravne osvetlitve je poleg velikosti oken precej odvisna tudi od geometrije prostora,
razporeditve oken, naklona okna, barve in teksture notranjih površin. Pomembno je izbrati tudi
okna s primerno karakteristiko stekla, saj se lahko prepustnost svetlobe skozi steklene površine
precej razlikuje. Kot merilo za načrtovanje kvalitetne osvetlitve prostora se uporablja količnik
dnevne svetlobe (KDS). KDS je razmerje med osvetljenostjo na točki v prostoru in osvetljenostjo
vodoravne nesenčene zunanje ravnine. Navadno ga izražamo v odstotkih in se računa na višini 85
cm od tal ter pri oblačnem nebu. Količniki KDS med 2 % in 5 % dajejo zadovoljivo osvetlitev za
normalna opravila. Da bo prostor dobro osvetljen, pa se priporočajo minimalne povprečne vrednosti
KDS 5% (Močnik, 2010).
-
20
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
3.2.6 Aktivni tehnični sistemi
Kadar pasivni sistemi ne morejo v celoti zagotoviti bivalnega ugodja, se za dopolnitev njihovega
delovanja uporabljajo aktivni oziroma mehanski sistemi. Poznamo aktivne sisteme za ogrevanje,
prezračevanje in klimatizacijo (HVAC – heating, ventilation and air conditioning). Naloga takih
sistemov je običajno navedena kot obremenitev, zato je iz strojnega vidika naloga pasivnih
sistemov, da zmanjšujejo takšne obremenitve, v kolikor je to izvedljivo (Szokolay, 2008).
Ogrevanje
V centralni Evropi in mnogih drugih predelih so sistemi za ogrevanje v hladnem delu leta nujno
potrebni za skoraj vse stavbe. Zaradi povečanja uporabe toplotne izolacije se pri ogrevanju stavb
ne osredotočamo več toliko na toplotno učinkovitost, kot na pravilno ureditev ogrevalnega
sistema, ki ugodno vpliva na počutje v prostoru (Bauer et al, 2010).
Ogrevanje lahko razdelimo na lokalno ogrevanje, ki je vezano na določen prostor, in centralno
ogrevanje, kjer se toplota proizvaja v objektu in distribuira po prostorih. Poznamo mnogo različnih
virov energije, in sicer fosilna goriva: premog, nafta in plin; elektrika: proizvedena iz fosilnih goriv
(jedrska, hidroelektrarne); in obnovljive vire energije, kot so: sončna in vetrna energija, izkoriščanje
plimovanja, valov, termalne ali geotermalne energije in bioplin. S pomočjo medijev, vode ali zraka pa
se toplota nato transportira po objektu (Szokolay, 2008).
Ogrevalni sistemi
Poznamo ploskovne in radiatorske sisteme ogrevanja. Za ploskovne sisteme je značilno, da prostor
v pretežni meri ogrevajo s sevanjem, zato je lahko temperatura zraka v prostoru od 1 do 2° nižja
kot pri ogrevanju z radiatorji. Med takšnimi sistemi poznamo talno, stensko in stropno gretje.
Talno ogrevanje je izvedeno z razvodom plastičnih ogrevalnih cevi, položenih na toplotno izolacijo
in prekritih z betonskim estrihom. Drugi način talnega ogrevanja je z aktivno betonsko ploščo, kjer
se cevi vgradijo v nosilno konstrukcijo, toplotna izolacija pa je spodaj pod ploščo. Stropno in
stensko ogrevanje je običajno vgrajeno v konstrukcijo ali pa pritrjeno na površino konstrukcije. Ta
dva sistema ogrevanja sta primerna tudi za hlajenje prostora poleti ob uporabi toplotne črpalke.
-
21
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Slika 3.14: Delovanje toplotne črpalke [Zbašnik Senegačnik, 2007]
Kljub boljšemu ugodju v prostoru pri ploskovnem ogrevanju se še vedno pogosto uporablja
radiatorsko ogrevanje. Zanj je značilno, da se ogrevala hitro odzivajo na spremembe potreb po
ogrevanju posameznih prostorov. Sodobni radiatorji so ploščati, z majhno vsebino vode in majhno
toplotno akumulacijo. Vgrajujemo jih ob zunanjih stenah, običajno pod okni, pred njih pa ne smemo
postavljati pohištva ali okrasnih mask.
Poleg teh dveh načinov ogrevanja se predvsem v kombinaciji pogosto uporablja tudi toplozračno
ogrevanje, ki je primerno za visoke energijsko učinkovite objekte, kjer je zaradi zrakotesnosti
objekta potrebno dovajati sveži zunanji zrak. S pomočjo naprav za prezračevanje z rekuperacijo se
toplota vrača v objekt in tako omogoča večjo energijsko učinkovitost (Valenčič et al, 2011).
Toplotna črpalka
Posebna in energijsko učinkovita oblika električnega ogrevanja je toplotna črpalka, ki pri vhodu
električne energije v višini 1 kW proizvaja toplotno energijo do 4 kW. Toplotna črpalka opravlja
prenos toplote s pomočjo delovnega medija, ki prenaša toploto iz okolice (vode, zraka, zemlje) v
poljuben ogrevalni sistem s spremembo svojega agregatnega stanja. Hladila (snovi z nizkimi
temperaturami uparjanja) se uporabljajo v toplotnih črpalkah kot delovno sredstvo, ki v uparjalniku
pod vplivom toplote, ki je bila odvzeta iz okolice, prehajajo iz tekočega v plinasto stanje. V obliki
plina nato hladivo potuje skozi kompresor, kjer se mu zviša tlak in dvigne temperatura zaradi
vloženega mehanskega dela. Kompresorju je potrebno dovesti električno energijo, tekočina pa po
izstopu iz kompresorja preide v kondenzator, kjer odda toploto ogrevalnemu mediju. Hladivo se
nato na račun zmanjšanja gostote začne ohlajati, saj je nastala ekspanzija. Krožni proces je
sklenjen, ko hladivo preide iz ekspanzijskega elementa ponovno v uparjalnik (ToplotnaČrpalka.org,
2010-2011).
Hlajenje
Pravilno projektirane stanovanjske hiše v naših krajih večinoma ne potrebujejo dodatnih hladilnih
naprav. Priporočljiva razlika med temperaturo prostora in okolice je od 5 do največ 8 °C, kar se v
večini primerov doseže že z učinkovitim senčenjem, zapiranjem odprtin preko dneva in nočnim
prezračevanjem. Nove stavbe morajo biti projektirane tako, da s pasivnimi gradbenimi elementi
preprečimo pregrevanje zraka v bivalnih prostorih v času sončnega obsevanja in visokih zunanjih
-
22
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
temperatur. Če to ne zadošča, je potrebno uporabiti sistem intenzivnega nočnega in jutranjega
prezračevanja, le izjemoma pa se sme vgraditi sistem za hlajenje stavbe (Valenčič et al, 2011).
Predvsem v nestanovanjskih objektih pa je dodatno hlajenje po navadi nujno potrebno zaradi večje
količine notranjih dobitkov od večje količine ljudi in naprav v prostoru, ter razsvetljave.
Dodatno hlajenje prostora velikokrat poteka s pomočjo hladilnih naprav, ki so namenjene zniževanju
toplotnih dobitkov v zasedenih prostorih. Vendar ni nujno, da hlajenje poteka na način zajema
zraka in uravnavanja oz. vpihovanja v prostor v koncentriranem načinu. Vedno bolj so priljubljeni
načini površinskega hlajenja, vgrajenega v strukturo stavbe. Prednost takih sistemov je, da že
majhna temperaturna razlika med hladilnim agregatom (pogosto voda) in prostorom učinkovito hladi
prostor (Educate sustainability).
Prezračevanje
Ustvarjanje ugodnega notranjega prostora zahteva dovajanje svežega zraka v zaprte prostore.
Zahteve ventilacije oziroma prezračevanja se določajo na podlagi števila uporabnikov oz.
zasedenosti prostora. Pomemben kazalnik ugodja v prostoru je koncentracija ogljikovega dioksida
(Kilbert, 2013). Poleg svežega zraka lahko dovajamo tudi zrak za ogrevanje in hlajenje, sušenje,
vlaženje … Poznamo t. i. industrijsko prezračevanje, ki odstranjuje tudi prah, delce v zraku in
vlago. Podobno kot pri napravah za ogrevanje poznamo tudi pri prezračevalnih napravah lokalne in
centralne instalacije (Educate Sustainability).
Prezračevanje z rekuperacijo
Primeren način prezračevanja energijsko učinkovitih stavb je prezračevanje z vračanjem toplote
odpadnega zraka oziroma prezračevanje z rekuperacijo. Sveži zunanji zrak se zajema zunaj objekta
in dovaja po dobro izoliranih ceveh do prezračevalne naprave. Pred vstopom se v filtru izločijo
prašni delci. V prenosniku toplote (imenovanem tudi rekuperator) se sveži zrak predgreje s
toploto odpadnega zraka, ki se izsesava iz zgradbe. Od tu gre ogreti sveži zrak prek razvodnega
sistema v prostore. Izrabljeni odvodni zrak se zajema v prostorih, obremenjenih z vlago in
vonjavami (kuhinja, stranišče, kopalnica, lahko tudi pomožni prostori), in po kanalih odvede do
prezračevane naprave. V prenosniku toplote odda toploto svežemu in hladnemu dovodnemu zraku,
-
23
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
nato se po dobro izoliranih ceveh odvede na prosto. Sodobni prenosniki toplote že skoraj v celoti
izrabijo toploto izstopajočega zraka (okrog 90 %). Dodatno prezračevanje skozi okna z uporabo
takšnih prezračevalnih naprav ni potrebno, saj se zrak hkrati prefiltrira, lahko pa prezračujemo
kombinirano. Prezračevalna naprava največkrat obratuje le pozimi, saj poleti pogosto uporabljamo
kar naravno prezračevanje. Možno pa je obratovanje tudi v poletnih mesecih, ko takšna naprava
lahko delno služi tudi za ohlajevanje zraka.. Nenazadnje potrebuje prezračevalna naprava
električno energijo, ki pa je pri pasivnih hišah omejena z dovoljeno porabo primarne energije (120
kWh/m2a) (Zbašnik Senegačnik, 2009).
Razsvetljava
Razsvetljava je velik porabnik električne energije, še posebej v nestanovanjskih objektih, zato je
potrebno zmanjševati odvisnost objektov od umetne svetlobe in povečevati uporabo dnevne
svetlobe. Pri določanju umetne razsvetljave je mogoče izbirati energijsko učinkovite in efektivne
sisteme. Svetlobni izkoristek nam pove, kako učinkovita je razsvetljava, merimo ga pa lahko v
lumnih na watt [lm/W]. Večja učinkovitost razsvetljave pomeni bolj energijsko učinkovit sistem.
Fluoroscentne luči imajo izkoristke med 80 in 93 lm/W, medtem ko ima LED tehnologija maksimalni
izkoristek 130 lm/W. Poleg tega faktorja sta pomembna še indeks barvne reprodukcije in
temperatura barve.
Poznamo več vrst učinkovitejših svetilk: fluoroscentne sijalke, optična vlakna in svetleče diode
(LED). Najnovejša tehnologija LED razsvetljave je trenutno najbolj energijsko učinkovita in
trajnostna. Prednost LED razsvetljave je ta, da skorajda ne proizvaja toplote, ima najvišje
svetlobne izkoristke, je izredno odporna in dolgotrajna. Življenjska doba LED svetilke je kar 50.000
ur, kar je 20 krat več kot pri običajni žarnici.
Poleg izbire svetil je pomemben tudi nadzor umetne osvetlitve, ki lahko poteka na različne načine
s pomočjo pametnih instalacij. Zatemnitveni sistemi delujejo tako, da zagotavljajo želeno raven
svetlobe glede na količino svetlobe v prostoru. Poznamo pa tudi preklopne sisteme, ki luči samo
prižigajo in ugašajo glede na zasedenost prostora (Kilbert, 2013).
-
24
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Slika 3.15: Poraba energije v stanovanjskih in gospodarskih objektih v ZDA in na Kitajskem [Levine et al, 2007]
3.3 Razlike med energijskim konceptom stanovanjskega in poslovno-skladiščnega objekta
Če želimo primerjati energijsko učinkovito načrtovanje stanovanjskih in poslovno-skladiščnih
objektov, je potrebno vedeti na katerih področjih se takšni objekti razlikujejo. Ker nas zanima
predvsem, kako energijsko učinkovito zasnovati takšne objekte, je potrebno pogledati, kje se
pojavljajo razlike v porabi energije. Pridobljeni podatki porabe energije so za Združene države
Amerike in Kitajsko, saj podobne primerjave za Evropo nismo našli.
Če primerjamo grafične prikaze (Slika 3.15) na levi strani, lahko vidimo, da so stanovanjske stavbe
večji porabniki energije za ogrevanje tople vode in delovanje gospodinjskih aparatov, nasprotno pa
industrijski objekti porabijo mnogo več energije za razsvetljavo in druge potrebe (kot so na primer
potrebe energije za upravljanje raznoraznih strojev). Pri industrijskih objektih v ZDA so bile v
primerjavi s stanovanjskimi, mnogo manjše potrebe po energiji za ogrevanje, medtem ko so bile na
Kitajskem mnogo večje porabe energije za hlajenje. Na takšne rezultate lahko v veliki meri vplivajo
notranji dobitki industrijskih objektov.
Za lažje razumevanje takšnih rezultatov je potrebno pogledati kar nekaj faktorjev, v katerih se
stanovanjski in gospodarski objekti razlikujejo.
Najpomembnejši faktorji so:
časovno delovanje objekta,
notranji dobitki:
število uporabnikov,
število naprav,
razsvetljava …
-
25
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Slika 3.16: Časovno delovanje objekta [lastna grafika]
Slika 3.17: Notranji dobitki v objektu [lastna grafika]
Časovno delovanje objekta
Medtem ko stanovanjski objekti delujejo vse dni v tednu in vse ure v dnevu, pa je obratovalni čas
poslovno-skladiščnih objektov omejen na delovni čas podjetja in delovne dni v tednu (Slika 3.16). To
pomeni, da sistemi za vzdrževanje toplote, hlajenja in prezračevanja pri stanovanjskih objektih
delujejo v polni meri ves čas, medtem ko se pri poslovno-skladiščnih objektih izklapljajo oziroma se
nastavitve spremenijo. Zaradi takšnega delovanja se v poslovno-skladiščnih objektih večkrat
uporabljajo kompleksni aktivni tehnični sistemi, ki se samodejno prilagajajo potrebam objekta in
uporabnikov in preklapljajo nastavitve med delovnim in preostalim časom. V stanovanjskih zgradbah
je nadzor pogosteje prepuščen kar samemu uporabniku, ki v prostoru biva.
Notranji dobitki
Stanovanjski in poslovno-skladiščni objekti se precej razlikujejo tudi glede na notranje dobitke
(Slika 3.17). V stanovanjski zgradbi oz. stanovanju ponavadi živi manj uporabnikov (na primer ena
družina), večje poslovno-skladiščne objekte pa mnogokrat uporablja več ljudi (delavci, zaposleni,
poslovni partnerji, kupci, obiskovalci,..). Velika sprememba je tudi pri napravah v objektih.
Stanovanjski objekti imajo sicer nekaj več naprav za gospodinjska opravila (npr. pralni stroj, sušilni
stroj, pomivalni stroj,..), ki v prostor oddajajo poleg senzibilne tudi latentno toploto, vendar pa je
preostalih naprav v povprečju mnogo manj. V poslovnih prostorih se nahajajo mnoge naprave, kot
so računalniki, monitorji, printerji,… velikokrat pa so dodane tudi takšne, ki oddajajo še mnogo več
toplote, na primer razni stroji za delo. Glede na to, da imajo pisarniški prostori višje potrebe po
osvetljenosti in so takšni objekti večjih površin, je velikokrat nemogoče vse prostore ustrezno
naravno osvetliti. Da lahko zagotovimo primerno okolje za delo je zato potrebno vzpostaviti
primerne sisteme umetne razsvetljave, ki pa v prostor oddajajo dodatno toploto. Danes se sicer
vedno več uporabljajo energijsko učinkoviti sistemi razsvetljave (npr. LED razsvetljava), ki ne
prinašajo dodatne toplotne energije. Posledica mnogih notranjih dobitkov v poslovno-skladiščnih
objektih je povišana potreba po hlajenju objekta v toplih mesecih, medtem ko v zimskih mescih
takšni energijski dobitki izboljšujejo energijsko bilanco stavbe.
-
26
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
4 UPORABA GRADBENIH MATERIALOV Z VIDIKA ENERGIJSKE
UČINKOVITOSTI
4.1 Les
Les predstavlja skupaj s kamnom in opeko klasični gradbeni material, ki se je v konstrukcijske
namene uporabljal že od nekdaj. Če ga primerjamo z betonom kot najpogosteje uporabljenim
gradbenim materialom, ima les približno enako tlačno, a precej večjo natezno trdnost. Prednost je
tudi njegova gostota, saj je kar 4 do 6 krat manjša kot pri betonu, kar pomeni, da pri enaki masi
glede nosilnosti nudi veliko več. Ob primerljivi masi zagotavlja celo približno enake konstrukcijske
zahteve kot jeklo.
Glavne fizikalne lastnosti lesa so odvisne od njegove gostote, le-ta pa je odvisna od mnogih
dejavnikov: vrste lesa, sestave lesa, poroznosti, starosti in vlažnosti. Gostota listavcev (650 do
900 kg/m3) je večja od gostote iglavcev (350 do 500 kg/m3). Gostota je odvisna tudi od vsebnosti
vlage, zato se poleg gostote navaja tudi vlažnost lesa. Vlažnost lesa se v splošnem zelo
spreminja, paziti pa moramo, da pred vgradnjo zagotovimo optimalno vlažnost lesa, ki bo povzročila
minimalne spremembe dimenzij vgrajenega elementa (Premrov, Dobrila, 2008).
Zaradi svoje finoporozne strukture je les razmeroma dober izolacijski material. Toplotna
prevodnost lesa je okoli 0,13 W/mK pri iglavcih in 0,20 W/mK pri listavcih (merjeno v smeri
pravokotno na vlakna). V primerjavi z jeklom ali betonom je toplotno raztezanje lesa tako majhno,
da pri gradnji ni relevantno, se pa lahko pojavijo velike relativne toplotne deformacije, ko les
kombiniramo z jeklom, betonom ali steklom. Vzporedno z lesnimi vlakni les lahko enostavno
prenaša natezne in tlačne napetosti, pravokotno na vlakna pa prenaša precej manjše tlačne sile in
zlasti natezne napetosti. Glavna sestavina lesa je celuloza (največ 40–50 %), ki je odgovorna za
natezno trdnost. Ostali del (25–30 %) sestoji iz hemiceluloze, polnil in propolisa, ki izboljšujejo
-
27
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
tlačno trdnost, ter veziva, imenovanega lignin (20–30 %). Ostale sestavine so smole, masti, voski,
pigmenti, beljakovine, ogljikovi hidrati in mineralne soli, ki dajejo lesu barvo in vonj ter prispevajo k
njegovi odpornosti in trdnosti. Mehak les prihaja iz hitro rastočih rastlin, trd les pa iz počasi
rastočega drevja. V nasprotju z jeklom ali betonom na les ne vplivajo različne pH vrednosti. Pri
uporabi lesa učinkovito varčujemo z energijo, predvsem zaradi njegove zmožnosti recikliranja
(Deplazes, 2005).
Poznamo tri vrste konstrukcijskih sistemov lesene gradnje: masivno gradnjo, skeletno gradnjo in
okvirno gradnjo. Pri masivni leseni konstrukciji ločimo skladovni sistem, ki je klasični in najstarejši
način lesene gradnje in montažni panelni sistem, med katerega spadajo križno lepljene deske in
masivni stenski sistemi. Pri leseni skeletni konstrukciji je konstrukcija sestavljena iz stebrov, ki
potekajo kontinuirano od temeljev do strehe, stabilnost pa zagotavljajo horizontalni, vertikalni in
diagonalni linijski elementi. Najpogosteje se v sodobni montažni gradnji uporablja okvirna lesena
konstrukcija, kjer imajo, za razliko od skeletne, obloge nosilno funkcijo in zagotavljajo horizontalno
stabilnost objekta. Kot obloge lahko uporabimo obložne plošče, kot so plošče z usmerjenim iverjem
(OSB), mavčno-vlaknene plošče, iverne plošče, mavčno-kartonske plošče … Prostor med pokončniki
in gredami se zapolni s toplotno izolacijo (Premrov, 2013).
4.2 Steklo
Steklo je gradivo z izjemnimi lastnostmi, saj ima sorazmerno visoko tlačno in bistveno manjšo
upogibno in natezno trdnost. Steklo ne gori in ni vnetljivo, ne absorbira in oddaja vode, ter se ne
izsuši. Prav tako se ne zvija in obdrži svojo obliko, ni občutljivo na mraz in temperaturne
spremembe, ne spreminja barve in ne postaja motno (Kresal, 2012).
Gre za anorganski proizvod taljenja kremena, ki postane pri ohlajanju na sobno temperaturo trd in
krhek. Poznamo mnogo različnih produktov stekla, ki ustrezajo različnim namenom, uporaba kot
gradbeni material pa se je razvila šele nedavno. Včasih so steklo pridelovali samo s pihanjem, ki je
omogočalo izdelavo majhnih steklenih izdelkov, v moderni industrijski dobi pa je pomembna
predvsem proizvodnja ravnega stekla. Kot gradbeni material se steklo najpogosteje uporablja kot
transparentna zasteklitev v ovoju stavbe. Uporablja se tudi za notranje stene in kot arhitekturni
-
28
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
element. Ko steklo uporabljamo v gradnji, je zaradi varnosti pogosto okrepljeno, kaljeno in lepljeno
(Wurm, 2007 ; Wikipedia).
Za okenska stekla, ki so ploska in ravna, uporabljamo tri osnovne vrste izdelave: vlečena stekla,
valjana ali vlita stekla ter float stekla. Produkcija vlečenega stekla je bila do vpeljave float
stekla edina izhodiščna surovina za izdelavo varnostnega in termoizolacijskega stekla, danes pa se
skoraj ne uporablja več. Valjano steklo proizvajajo tako, da raztaljeno steklovino vlijejo na
obdelovalni plato, nato pa jo z železnim valjem valjajo do želene debeline. Na ta način, in z
uporabo profiliranih valjev, pridobivajo reliefna stekla. Danes se v veliki večini uporablja le še
float steklo. Pri tej tehnologiji se steklena plošča v horizontalni legi in v inertnem okolju oblikuje
na raztaljeni kovinski zlitini, tako da sta obe površini stekla povsem vzporedni in brez napak.
Spreminjanje nekaterih lastnosti stekla dosežemo s tehnološkimi posegi, ki jih lahko razvrstimo v
pet skupin:
- kemična sestava,
- kaljenje,
- lepljenje z vmesnim slojem,
- prevleke (nanosi, folije),
- sestavljanje z vmesnim polnjenjem in dodatki (Kresal, 2012).
4.2.1 Energijske lastnosti stekla
Transparentni elementi zunanjega ovoja so zgrajeni iz izolacijskih stekel. Izolacijsko steklo po EN
1279-1 je mehansko stabilna in trajna enota iz minimalno dveh stekel, ki sta med seboj ločeni z
enim ali dvema medstekelnima prostoroma in po robovih hermetično zaprti. Praviloma so
sestavljena iz dveh zrcalnih (float) stekel, v zaprtem medprostoru pa se nahaja suh plin (argon,
kripton) ali atmosferski zrak. Med stekli je vstavljen distančnik, ki določa širino medstekelnega
prostora. Najpomembnejše lastnosti izolacijskih stekel so: U-vrednost (toplotna prehodnost), g-
vrednost (sončni faktor), stopnja prepustnosti svetlobe, indeks reprodukcije barv,… (Hajdinjak,
2009).
Na toplotno prehodnost okna vplivajo sestavni deli okna: okenski okviri, krila in zasteklitev
-
29
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Tabela 4.1: Toplotne prehodnosti Ug v odvisnosti od števila slojev stekla, vrste plina in nizkoemisijskih nanosov
[prirejeno po: Gustavsen et al., 2007]
Toplotna prehodnost stekla - Ug vrednost [W/m2K]
Konfiguracija zasteklitve [mm] Vrsta plina v medstekelnem prostoru
zrak argon kripton
Brez
nizkoemisijskega
nanosa
4 5.8 - -
4-12-4 2.9 2.7 2.6
4-12-4-12-4 2.0 1.9 1.7
Nizkoemisijski
nanos
4-12-E 1.6 1.3 1.1
4-12-4-12-E4 1.3 1.0 0.8
4E-12-4-12-E4 1.0 0.7 0.5
(število zasteklitev in medprostorov). Pri okvirjih oken lahko izbiramo med lesenimi, plastičnimi in
kovinskimi. Leseni okvirji so ustrezno toplotno izolativni že brez dodatkov, kovinskim okvirjem pa
pogosto dodajo toplotno izolacijski ločilni vložek. Okvirji iz plastičnih mas imajo sicer manjšo
toplotno prevodnost kot kovinski okvirji, vendar pa jim za zmanjšanje prehodnosti dodajajo
toplotno izolacijo vgrajeno v komorah.
Toplotna prehodnost zasteklitve je odvisna od števila stekel oziroma medstekelnih prostorov in
njihove debeline. V sodobni gradnji se uporablja predvsem dvojna ali trojna zasteklitev, poznamo pa
že tudi štiri in petslojne zasteklitve (Grobovšek, 2008).
Na stekla lahko nanašamo nanose ki izboljšujejo lastnosti stekel, kot sta nizkoemisijski nanos in
visokoselektivni nanos. Steklo z nizkoemisijskim oziroma Low-e nanosom je v osnovi float steklo
prevlečeno z izredno tanko funkcionalno plastjo, ki pomaga, da steklo ohrani visoko prepustnost
za svetlobo in energijo sončnega sevanja, močno pa se zmanjšajo toplotne izgube.
Med lastnostmi stekel je za energijski vidik izredno pomembna tudi g-vrednost, ki podaja vrednost
skupnega prehoda sončne energije v odstotkih. Obsevano steklo del sončne energije odbije, del jo
absorbira, preostanek pa direktno prehaja skozenj (Hajdinjak, 2009).
4.3 Jeklo
Jeklo je material, ki je prisoten v vsej arhitekturi 20. stoletja: v ploščah, vezivih, vijakih, žebljih, v
obliki palic in mrež kot armatura v betonu. Konstrukcijsko jeklo je omogočilo razvoj hitro
postavljivih poslovnih objektov, strehe velikih razponov brez vmesnih nosilcev in gradnjo
nebotičnikov. Konstrukcijska jekla delimo na gradbena in splošna konstrukcijska jekla. Med
gradbena jekla uvrščamo jekla za različne vrste jeklenih konstrukcij: za nosilne konstrukcije, za
armiranje betona, za hidroenergetsko opremo, za tlačne posode in rezervoarje. Jeklo klasificiramo
v kakovostne razrede glede na kemijsko sestavo in mehanske lastnosti jekla. Najpomembnejši
lastnosti jekla sta trdnost materiala in meja njegove plastičnosti, pa tudi žilavost, odpornost proti
krhkemu lomu, odpornost proti staranju, korozijska odpornost … (Wikipedia ; Slonep).
-
30
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Tabela 4.2: Materiali in energijska učinkovitost [prirejeno po: Obrecht, 2011]
Material
Gostota materiala Toplotna prevodnost Utelešena energija Emisije CO2
[kg/m3] [W/mK] [MJ/kg] [kg CO2 ekv./kg
materiala]
Beton 2.300 2,3 0,69 0,103
Jeklo 7.800 60 22,7 0,935
Aluminij 2.800 200 125 8,910
Opečni zidak 800 0,27 2,49 0,176
Konstrukcijski les 540 0,13 1,89 -1,409
Steklo 2.500 0,9 15 0,850
4.4 Vidik energetske učinkovitosti materialov
Gradbene materiale lahko primerjamo med seboj s pomočjo količine »sive« energije oziroma energije,
potrebne za pridobivanje in pripravo materiala in analizo njegovega življenjskega cikla. Gradbeni
materiali namreč že v času pridobivanja surovin in same proizvodnje slabo vplivajo na okolje, ga
degradirajo, spreminjajo, nekateri pa so celo zdravju škodljivi.
V Tabeli 4.2 je razvidna količina utelešene energije določenih gradbenih materialov in emisije, ki jih
materiali povzročajo. Konstrukcijski les je edini material, katerega CO2 bilanca je negativna, saj z
lesom ne proizvajamo CO2 emisij, ampak jih celo zmanjšujemo, če izkoristimo uporabo lesa v
energetske namene tudi po koncu življenjske dobe. Najvišja je utelešena energija aluminija, saj za
njegovo proizvodnjo porabimo mnogo energije (Obrecht, 2011). Kljub temu, da ima jeklo visoko
vrednost utelešene energije, je potrebno primerjati tudi količino materiala, ki ga porabimo za
gradnjo. Če primerjamo gradnjo betonskega objekta in objekta z jekleno konstrukcijo ugotovimo, da
je jekla potrebno veliko manj kot betona, celo v takšni meri, da postane raba jekla energijsko
učinkovitejša. Siva energija je visoka tudi pri steklu, vendar steklo vgrajeno v objekt skozi fazo
obratovanja objekta omogoča tudi prepuščanje sončne radiacije, torej solarnih dobitkov, kar prav
tako prispeva k višji energijski učinkovitosti objekta.
-
31
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Tabela 5.1: Parametri energijsko učinkovitega načrtovanja poslovno-skladiščnih objektov
A ENERGIJSKO UČINKOVITA ZASNOVA OBJEKTA
A1 Strategije pasivnega delovanja stavbe
- Pasivno ogrevanje, hlajenje ali prezračevanje
- Pasivno oblikovanje stavbe
Lega in lokacija
Orientacija
Oblika stavbe (faktor oblike)
Termični ovoj stavbe (toplotna izolacija, toplotni mostovi,
zrakotesen ovoj, zasteklitve …)
Konstrukcijski sistemi in gradbeni materiali
A2 Aktivni tehnični sistemi
- Učinkoviti in okolju prijazni aktivni sistemi za ogrevanje, hlajenje in
prezračevanje (toplotna črpalka, prezračevanje z rekuperacijo)
- Vgrajevanje naprav za lastno proizvodnjo električne energije (fotovoltaične
in solarne celice, gorivne celice, vetrnice …)
A3 Upoštevanje zakonodajnih okvirov na področju energijske učinkovitosti stavb
in nagrade za energijsko učinkovitost
- Direktiva o energetski učinkovitosti stavb (EU)
- Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah (SLO)
- Razred stavbe po energetski izkaznici (letna potreba po energiji za
ogrevanje in hlajenje objekta)
B ARHITEKTURNA ZASNOVA OBJEKTA
B1 Prostor
- Vpetost v okolje in širšo strukturo
- Interpretacija konteksta in lokacija
- Prostorske vpadnice, dostopi
B2 Stavba
- Funkcionalnost zasnove
- Strukturni sistem in materiali
- Estetika in splošna kakovost
5 PREGLED OBSTOJEČEGA STANJA
5.1 Primeri dobre prakse poslovno-skladiščnih objektov
Med referenčnimi primeri smo iskali gospodarske objekte, ki vsebujejo aspekte poslovnega in/ali
skladiščnega objekta z značilno energijsko učinkovito zasnovo.
Za lažji pregled značilnosti referenčnih primerov poslovno-skladiščnih objektov smo določili
parametre (Tabela 5.1) za načrtovanje energijsko učinkovitih poslovno-skladiščnih objektov. Zaradi
specifične vrste arhitekture in problema magistrske naloge smo kot prvi kriterij postavili
energijsko učinkovito zasnovo objekta, kot drugi kriterij pa arhitekturno zasnovo objekta.
Najprej sledi splošen pregled štirih raznolikih referenčnih primerov (Tabela 5.2), ki so podrobneje
analizirani po parametrih v Tabelah 5.3 do 5.6.
-
32
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Tabela 5.2: Prikaz izbranih referenčnih primerov
Ferreteria O´Higgins Supermarket Spar Full Goods Warehouse Ekoprodukt
poslovno-skladiščni objekt trgovski objekt mešana raba objekta poslovno-skladiščni objekt
GH+A | Guillermo Hevia Love architecture Lake | Flato architects Arhi Petrus (Peter Pavšič udia)
7170 m2 1667 m2 5897 m2 1092 m2
Pudahuel, Santiago; Čile Graz, Avstrija San Antonio, Texas Žeje pri Komendi, Slovenija
2011 2011 2009 2011
Slika 5.1: Ferreteria O´Higgins
Slika 5.2: Supermarket Spar
Slika 5.3: Full Goods Warehouse
Slika 5.4: Ekoprodukt
-
33
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Slika 5.5: Prikaz volumnov objekta Ferreteria O´Higgins
Slika 5.6: Tlorisna zasnova objekta
Slika 5.7: Prikaz sprednje fasade objekta
Slika 5.8: Detajl perforiranih senčil
Slika 5.9: Pasivno prezračevanje
Industrijski objekt Ferreteria O´Higgins
Tabela 5.3: Analiza objekta Ferreteria O´Higgins po parametrih
A ENERGIJSKO UČINKOVITA ZASNOVA OBJEKTA
A1 - Objekt je zasnovan s pomočjo pasivnih in bioklimatskih strategij in omogoča
racionalno rabo energije.
- Kovinska dvojna fasada ustvarja navpičen Venturi efekt za pasivno
prezračevanje (Slika 5.9).
- Za notranjo regulacijo prostorov se zunanja lupina zemlje uporablja kot
temperaturna loputa tako pozimi kot poleti, saj se v objekt spušča naravno
podzemno hlajen zrak in ustvarja stalno prezračevanje in doseganje konstantne
temperature med 18 in 24 °C skozi vso leto (geotermično vremensko
prilagajanje) (Slika 5.9).
- Sonce prihaja v objekt skozi translucentne proge na stropu, s čimer se
popolnoma odpravi potreba po umetni razsvetljavi skozi dan.
- Pred objektom je postavljena večnamenska vodna površina, ki ima poleg
estetske vrednosti tudi druge namene in z izhlapevanjem vode ohranja fasado
hladno v poletnih mesecih, hkrati pa služi kor rezervoar vode v primeru požara.
A2 - Uporabljeni so bili učinkoviti sistemi za racionalno porabo vode, kot so
avtomatski splakovalniki, ki nadzorujejo porabo vode in zmanjšujejo njeno porabo
za približno 65 %.
A3 - Ni podatka
B ARHITEKTURNA ZASNOVA OBJEKTA
B1 - Objekt leži v občini Pudahuel v provinci Santiago v Čilu
B2 - Preprosta arhitektura je sestavljena iz dveh volumnov, ki so posledica podpore
med trdima, zaprtima telesoma (Slika 5.5).
- Na zahodnem delu objekta se nahajajo pisarne, prodajni prostori in tehnični
prostoru, za njimi pa skladiščni in operacijski prostori (Slika 5.6).
- Sprednji del stavbe je razdeljen na dve področji s pomočjo tronadstropne vhodne
avle, kjer izstopa stopnišče kot glavni element prostora.
- Nosilna konstrukcija je obdana z jekleno dvojno lupino iz cortena.
- Zunanja fasada iz cortena spreminja barvo glede na sonce in skozi čas, kar
omogoča da stavba reagira kot živo telo, sprednja fasada izstopa s steklenimi
površinami, ki so senčene s translucentno perforirano pločevino iz cortena
(Slika 5.7 in 5.8).
-
34
UM - FG - Oddelek za arhitekturo | mentor/somentor: doc.dr. Vesna Žegarac Leskovar / prof.dr. Miroslav Premrov | avtor: Maja Žigart | Energijsko učinkovito načrtovanje in analiza poslovno-skladiščnega objekta Arnovski gozd
Slika 5.10: Tlorisna zasnova o