pasivna hiša – od načrtovanja do delovanja

Pasivna hiša – od načrtovanja do delovanja

doc.dr. Janez Štrancar

Inštitut “Jožef Stefan”

Pasivna hiša - Začne se pri racionalnosti ...

• Pasivna hiša je lahko energetsko učinkovita samo, če je racionalno načrtovana !

– določimo torej resnične potrebe stanovalcev glede bivalnih površin,

– prilagodimo obliko okolju, podnebju in energijski učinkovitosti,

– uporabimo materiale, ki bodo pomagali varčevati z energijo in zmanjšati emisije od proizvodnje, vgradnje, delovanja do reciklaže

– prilagodimo vse sisteme drug drugemu in s tem omogočimo doseganje nazivnih izkoristkov ter učinkov

... potem zmanjšajmo toplotne izgube ...

• Porabo toplote lahko zmanjšamo z

izboljšano izolacijo zunanjega ovoja zgradbe 0.8 W/m2K 0.3 W/m2K 0.1 W/m2K 20.6 MWh 7.7 MWh 2.6 MWh

izboljšanimi izolativnimi lastnostmi oken in vrat 3 W/m2K 1.3 W/m2K 0.8 W/m2K 6.5 MWh 2.8 MWh 1.7 MWh

izboljšano tesnostjo 5 x 3 x 0.6 x 1.6 MWh 1.1 MWh 0.2 MWh

rekuperacijo v prezračevanju0 % 0 % 80 % 2.3 MWh 2.3 MWh 0.4 MWh

31.0 MWh 13.8 MWh 4.9 MWh

Dodati porabo toplote za ogrevanje sanitarne vode3.6 MWh 3.6 MWh 3.6 MWh

34.5 MWh 17.4 MWh 8.5 MWh

Pasivnahiša

Nizko-energijska

hiša

Energijsko-potratna

hiša

... in primankljaj energije nadomestimo z OVE!

• Potrebo po toploti v čimvečji meri nadomestimo z optimizacijo arhitekture s pasivnim zajemom solarne energije (1.5 MWh) ob

hkratni preprečitvi pregrevanja (zmanjševanje presežka do 2 MWh) in notranjimi viri (1.5 MWh)

• Preostalo potrebno toploto 5.5 MWh pa nadomestimo iz OVE ! Toplota iz solarne energije

do 350 kWh/m2a pri 8 m2 absorberju in s hranilnikom 0.5 m3 : 2.7 MWh preostala potrebna toplota 3

MWh do 200 kWh/m2a pri 28 m2 absorberju in s hranilnikom 70 m3 : 5.5 MWh

preostala potrebna toplota 0 MWh

• Standard za pasivno hišo:

<15 kWh/m2a preostale potrebne toplote in <120 kWh/m2a primarne energije

Kaj sploh vpliva na porabo toplote v hiši ?

iiiz

iii

doghlajintj

jjjz

P

dogpotrebna

Sc

cmC

PPPjS

TTdt

dTC

dtPQdog

0;0

0;

0

svetlobna prepustnost

specifične izgube zaradi transmisije

specifične izgube zaradi prezračevanja toplotna kapaciteta

interni viri toplote

interni ponori toplote

Projektiranje pasivne hiše

• Arhitektura / Statika / Strojne inst. / Elektro inst.

Orientacijaobjekta

Optimizacijaprostorov

Krajinskeposebnosti

Optimizacijagradbenihsklopov

Statičnielementi

Ogrevanje

Segrevanjesanitarne vode

Hranjenjetoplote

Krmiljenje

Prezračevanje

Elektroinštalacije

Tele-komunikacije

Napajanjain merjenja

Projektiranje energetike pasivne hiše

Arhitektura

Statika

Energetske potrebeToplotne izgube

Podnebje

Solarni dobitki

Bivalnenavade

Sanitarna voda

Senzorsko-krmilni sistem

Prezračevanje

Hranjenje toplote

4-letne strohastične simulacije na urni osnovi:

Parametri:ArhitekturaStrojna opremaLastnosti krmiljenjaSolarni sisemSezonski hranilnikBivalne karakteristike

Celotni urni pregledi:TemperatureMoči Energije

Celotni urni pregledi:Temperaturni profil hranilnikaPretoki

Dnevni urni pregledi:TemperatureMočiEnergije

Dnevni urni pregledi:Temp. profil hranilnikaPretoki

Letne Energije

fasadna plošča

Projektiranje gradbenih sklopov

• Zunanja stena – zmanjševanje toplotnih izgub

horizontalni prerez vertikalni prerez

statičnielement

nosilec

nosilec

parna ovira

notranja stenska oblogaStatični elementi

Nosilci fasadeali oblog

Projektiranje senčenja in pasivnega zajema

Nezaželjeno senčenje

Pravilno senčenje Napačno senčenje

pozimi

pozimi

poleti

poleti

Nezaželjeno sencenje s horizontom pozimi

Nezaželjeno sencenje z iglavci pozimi

pozimi

pozimi

poleti

poleti

Projektiranje strojnih instalacij

Zajem sončne energije in pretvorba v toploto

Hranjenje toplote

Nizkotemperaturno

ogrevanje

Prezračevanjez rekuperacijo

Ogrevanje sanitarne vode

Projektiranje senzorsko krmilnega sistema

PC

USBmikroprocesor

vhodi

izhodimultiplekserji

senzorjiv h

ranilniku

senzorjiv instala

cijah

zunanja Tnotranja Tosvetljenost

relejnekartice

ventili, crpalke in grelciv strojnih instalacijah

hranjenjepodatkov

ASH krmilnik:za branje inkrmiljenje

ASH pregledovalnik

napajanje

ojačevalec

Projektiranje toplotnega hranilnika

• Sezonski hranilnik zahteva – odlično izolacijo brez kakršnihkoli toplotnih mostov

– razmislek, kako in v kaj shranjujemo toploto (v specifično ali talilno toploto snovi?)

– razmislek, kako toploto porazdeljujemo po snovi v dnevnih ciklih velikih moči a z malo energije

– razmislek, kako toploto črpamo iz hranilnika

• Ena od učinkovitih rešitev je preprosto voda !– izkoristimo anomalične lastnosti vode (izrazite temperaturne odvisnosti

gostote, difuzivnosti, prevodnosti, itd.)

– izkoristimo Rayleigh-Bernardovo konvekcijo za porazdeljevanje toplote in se izognimo snovni izmenjavo (preprečimo turbulentne tokove)

– vzpodbudimo nastajanje temperaturne plastovitosti

– prilagodimo geometrijo reševanja teh problemov geometriji hranilnika

Projektiranje toplotnega hranilnika (nad.)

Termosifonski stolp pomaga preprečiti nezaželjeno mešanje in vzpostavlja temperaturno slojenost vodnega hranilnika

brez stolpa

s stolpom

čas

Tipično napačni stereotipi

• Pasivna/solarna hiša ne ustreza krajinski arhitekturi ?!– naša hiša je aktivna solarna / pasivna hiša in ustreza pohorskemu PUPu

(MOM), navzven zgleda kot obnovljena pohorska kmetija s SSL, vgrajenimi v streho

Tipično napačni stereotipi (nad.)

• Pasivna hiša je ogrevana samo s pasivnim zajemom sončne energije ?!– če je pri dani optimalni arhitekturi januarja poraba toplote v pasivni hiši

okrog 500 kWh, je pasivni zajem solarne energije 150 kWh; tudi interni viri ne more kriti tolikšne razlike v energiji (pač pa spet 150 kWh); nikakor se ne sme prezreti problema pregrevanja poleti in jeseni, zaradi česar mora biti optimizirano senčenje pred pasivnim zajemom


• Toplotna kapaciteta hiše ni pomembna ?!– Toplotna kapaciteta hiše omogoča zniževanje vpliva spreminjajoče se

zunanje temperature na trenutne toplotne izgube, s čimer vpliva na trenutno moč dogrevanja in na skupno porabljeno energijo

čas

tem

pera

tura notranja temperatura

zunanja temperatura

skupna moč izgubmoč pasivnih solarnih dobitkovmoč internih dobitkov oseb in strojevmoč dogrevanja

čas

moč

i

nižja toplotna kapaciteta hišečas

moč

i

višja toplotna kapaciteta hiše


• V pasivni hiši lahko prezračujemo skozi okna, saj sta izdelava prezračevalnega sistema in nakup rekuperatorja draga ?!– Samo menjavo zraka brez rekuperacije za zadovoljevanje potrebe po

kisiku 4-članske družine (80 m3/h) spremlja do 3 MWh/a izgub

– Rekuperator je zgolj toplotni izmenjevalec, preprost a učinkovit obtočni sistem s pogonom vred brez dodatnega ogrevanja ali hlajenja je vreden komaj toliko kot en računalnik, z njim pa zlahka izkoristimo 60% odpadne toplote

Tipični in napačni stereotipi (nad.)

• V pasivni hiši je treba skoraj asketsko znižati tudi uporabo tople vode ?!– standardne norme glede specifične porabe toplote za ogrevanje tople

vode res znašajo 12.5 kWh/m2a, kar pomeni pri 110 m2 1.4 MWh

– normalna poraba 4-članske družine (brez bazenov in jacuzzijev) znaša med 3 in 4 MWh/a

53 Wh / l10˘-55˘ * 40 l55˘ / osebo / dan

* 4 osebe / hišo

* 365 dni =

3.1 MWh

Moja izbira

• Pasivna – aktivna solarna hiša: – klasična pohorska dvokapnica s prisekanimi čopi

– montažna skeletna v celoti paroprepustna gradnja (P+M): lesena konstrukcija + celuloza izolacija

– 113 m2 bivalne površine (Szun=330 m2, V=260 m3)

– gradbeni sklopi:• stena 41 cm – 40 cm izol., 20% delnih točk. topl. mostov – 0.104 W/m2K• streha 50 cm – celulozna sek. kritina + opečna kritina, sleme V-Z, naklon 40˘ –

0.089 W/m2K• okna (4+12+4+12+4 2xIR 2xKr) – 0.8 W/m2K (stekla 0.5 W/m2K)• vhodna vrata 8 cm – 0.8 W/m2K

– senčenje: J – nadstrešek, V, Z – zunanje žaluzije, S – ni

– tesnenje: 1x izmenjava pri 50 Pa

– betonska klet brez plošče z ločenim vhodom s sezonskim topl. hranilnikom

Moja izbira (nad.)

– prisilno obtočno prezračevanje 80 m3/h, 83% rekuperacija, do 300 W IR predgrelec, do 350 W dogrevanje

– gretje: talno vodno 1800 W, 400 m PEX 16 mm na 110 m2

– vodni dnevni toplotni hranilnik sistema sanitarne vode (8 kWh, čas.konst. 2-3 dni), dogrelec 2000 W

– aktivni solarni del: • 30 m2 bruto SSE površine (azimut 183˘, selektivnost 95%)• vodni sezonski toplotni hranilnik (5.5 MWh, čas.konst. 500 dni, inducirano

temperaturno slojenje, porazdeljevanje toplote le z RB konvekcijo)

– senzorsko krmilni del: • senzorji: 1 fotodioda, 42 temperaturnih senzorjev (1z, 1n, 12 str.inst., 28 TH), • zajem podatkov: 3 senzorji direktno, 40 preko 5 multiplekserjev, max: vsako

minuto• krmiljenje: USB mikrokontroler in 2x8 kanalni relejni kartici (1S, SV, TO, PS)• kontrola: PC, 750 MB podatkov na leto

Računske karakteristike

• Po EN ISO 13790 in SIST EN 832 in direktnih simulacijah za aktivne solarne hiše SOLSIM za podnebje Maribor:– totalne specifične izgube: 52 W/K

– specifična moč grelnega sistema: 17 W/m2

– toplotni primankljaj za ogrevanje:EN ISO 13790 / SIST EN 832 SOLSIM

27 kWh/m2a 32 kWh/m2a

– specifična moč grelnega sistema: 14 W/m2

– toplotni primankljaj za ogrevanje:EN ISO 13790 / SIST EN 832 SOLSIM

20 kWh/m2a 24 kWh/m2a(PHHP: 15 KWh/m2a ?)

Tpr

oj.n

ot. =

23˘

CT

proj

.not

. = 2

0˘C

Meritve na pasivni hiši

• Kalibracija senzorjevkalibracija

0

250

500

750

1000

12.10.06 13.10.06 14.10.06 15.10.06 16.10.06 17.10.06 18.10.06 19.10.06 20.10.06 21.10.06

datum čas

svet

lob

ni

tok

[W/m

2]

-10

0

10

20

30

tem

per

atu

ra [

˘C]

foto Tint Text emp.popr. Text prava Text

Meritve na pasivni hiši (nad.)

• Merjenje lastnosti pasivne hiše :

– Toplotne karakteristike hiše:• kapaciteta ovoja: 150 kJ/m3K• efektivna toplotna

prehodnost ovoja: 0.12 W/m2K• fazni zamik: 16.4 h• specifične izgube: 43 W/K• specifične izgube zaradi

nekontroliranega prezračevanja: pod 8 W/K

– Notranji viri:• osebe: 160 W (2 odrasla, otrok)• stroji – konstantna toplotna moč: 100 W• kuhanje – efektivna vršna toplotna moč ob 12h in 18h: 600 W• povprečna moč notranjih virov: 270 W

notranja temperatura

20

25

10.9.06 17.9.06 24.9.06 1.10.06 8.10.06 15.10.06datum čas

tem

per

atu

ra [

˘C]

notranja Temperatura izračunana notranja Temperatura


• Tipične mesečne merljivke – december 2006

-5

5

15

25

29.11.06 6.12.06 13.12.06 20.12.06 27.12.06 3.1.07datum čas

tem

pe

ratu

ra [

˘C]

0

500

1000

1500

2000

mo

č [

W]

notranja temperatura zunanja temperatura izračunana notranja temperatura pasivna solarna moč


• 24h energije – december 2006

0

10

20

30

40

29.11.06 6.12.06 13.12.06 20.12.06 27.12.06 3.1.07

datum čas

24

h e

ne

rgija

[k

Wh

]

24h izgubljena energija 24h dovedena energija24h pasivna solarna energija 24h energija notranjih virov24h energija dogrevanja 24h energija predgrevanja prezračevanja


• Primerjava 24h energij dobitkov in 24h energije SV

0

5

10

15

29.11.06 6.12.06 13.12.06 20.12.06 27.12.06 3.1.07datum čas

24

h e

ne

rgija

[k

Wh

]

24h energija grelca sanitarne vode 24h pasivna solarna energija 24h energija notranjih virov


• Dnevna časovna porazdelitev porabe toplote za sanitarno vodo

poraba toplote za sanitarno vodo

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00

čas v dnevu

ener

gija

[kW

h]

Poraba energije ...

mesečne karakteristike letna ekstrapolacija specifične vrednosti

trajanje 1 mesec 12 mesecev

Povprečna notranja T 22.8 ˘C

Povprečna zunanja T 1.9 ˘C

Trajanje obsevanja 85.1 h 1807 h

Temperaturni primankljaj 15.08 kKh 84 kKh

Izračunane transmisijske izgube 796 kWh 4434 kWh 39.2 kWh/m2

Pasivni solarni viri 75 kWh 1593 kWh 14.1 kWh/m2

Interni viri 195 kWh 1950 kWh 17.3 kWh/m2

Predgrevanje prezračevanja 81 kWh 243 kWh 2.2 kWh/m2

Dogrevanje 441 kWh 891 kWh 7.9 kWh/m2

Skupaj manjkajoča energija 522 kWh 1134 kWh 10.0 kWh/m2

Energija za ogrevanje SV 239 kWh 2868 kWh 25.4 kWh/m2

Izmerjene toplotne izgube 49 - 59 W/K

... in karakteristike hiše

• Toplotne karakteristike:– kapaciteta ovoja: 150 kJ/m3K– efektivna toplotna prehodnost ovoja: 0.12 W/m2K– fazni zamik: 16 h– izmerjena zrakotesnost pri 50 Pa 1 /h– skupne specifične izgube: 59 W/K

• Notranji viri:– osebe: 160 W (2 odrasla, otrok in dojenček)– stroji – konstantna toplotna moč: 100 W– kuhanje – efektivna vršna toplotna moč ob 12h in 18h: 600 W– povprečna moč notranjih virov: 270 W

• Talno ogrevanje:– Izkoristek: nad 75%

• Prezračevalni sistem:– pretok: 85 m3/h– specifične izgube: 8 W/K (43 W/K)– efektiven izkoristek: pod 81 % (vključno z izgubami pri prenosu!)

Sponzorji in viri znanja

Ekoprodukt d.o.o. Vinprom d.o.o. IMP Klimat d.d.

TIM Laško d.d. NLB d.d. AquaTehnika d.o.o

Revi d.o.o. Kalcer d.o.o. Institut “Jožef Stefan”

http://www.at-maribor.si/

pasivna hiša – od načrtovanja do delovanja

Documents