2017- 2018 metų riba Lietuvos statybų rinkoje žymi svarbų etapą - atsiranda prievolė statyti A+ energinės klasės namus. Dar didesnis iššūkis laukia 2020-2021 metų sandūroje - beveik energijos nevartojančių A++ energinės klasės pastatų statyba. Nevertinant investicijų, ar ji reali techniniu požiūriu?

Riboti iškastinės energijos ištekliai ir aplinkosauginiai aspektai - pagrindiniai argumentai, lemiantys ES siekį sumažinti pirminės energijos poreikį gyvenamuosiuose ar viešosios paskirties pastatuose. ES numatytas tikslas - iki 2020 metų pasiekti, kad 20 proc. galutinio energijos suvartojimo sudarytų atsinaujinančių išteklių energija.

Statybos sektorius sudaro 40 proc. ES galutinės energijos suvartojimo ir 36 proc. anglies dioksido (CO2) emisijos. Naudojant energiją iš atsinaujinančių šaltinių, gerinant pastato energetines savybes, didinant buitinių prietaisų našumą, iki 2020 metų galutinės energijos suvartojimą ES būtų galima sumažinti 5- 6 proc. Didžiąją dalį Europos pastatų sudaro gyvenamieji pastatai, todėl būtent jiems tenka didžiausias energijos taupymo potencialas.

Pastatai privalo atitikti tokius reikalavimus, kaip mechaninis patvarumas ir pastovumas, gaisrinė sauga, higiena, sveikata, aplinkos apsauga, apsauga nuo triukšmo, energinis taupumas bei efektyvumas. Tam tikslui priimami projektiniai sprendimai, kurie įprastą pastatą paverčia energiškai efektyviu pastatu. Viena iš tokių pastatų grupių - nulinės energijos pastatai. Tokie pastatai ir jų apšvietimo, šildymo, vėsinimo, vėdinimo įrenginiai turi būti projektuojami bei statomi taip, kad juos naudojant energijos sąnaudos būtų mažos, atsižvelgiant į pastatų vartotojus ir vietovės klimato sąlygas. Tokiuose pastatuose naudojami pasyvūs komponentai, masyvios konstrukcijos, parenkama tinkama pastato  orientacija, saulės, vėjo energijos panaudojimas, naudojama energiją taupanti buitinė technika, energiją taupančios apšvietimo sistemos ir kt.

Pagal „Pastatų energinio naudingumo sertifikavimo" (STR 2.01.09:2012) statybos techninį reglamentą, visi nuo 2021 metų statomi pastatai privalės būti „beveik nulinės energijos" arba mažaenergiai pastatai pagal Lietuvoje galiojančią teisinę bazę - tai A++ energinio efektyvumo klasės pastatai. Pastato charakteristikos, užtikrinančios šią energinę klasę, pasiekiamos mažinant pirminės ir galutinės energijos poreikius šildymui, vėdinimui, vėsinimui ir elektros energijos poreikius.

Atlikdami individualaus namo tyrimą, siekėme išsiaiškinti, kokios galimybės, kad Lietuvoje pastatytas gyvenamasis vienbutis namas turėtų nulinės ar beveik nulinės energijos pastato statusą. Tyrimas buvo paskatintas Europos Parlamento direktyvos (2010/31/ES) dėl pastatų energinio naudingumo.

 

Nulinės energijos namų architektūra

Siekiant sukurti mažai energijos vartojantį pastatą ir tuo pačiu išvengti komforto užtikrinimo problemų, dar projektavimo stadijoje būtina priimti racionalius sprendimus dėl pastato formos ir orientacijos, optimalaus langų dydžio, apšvietimo koncepcijos, efektyvios apsaugos nuo saulės spinduliuotės, optimalios šiluminės izoliacijos tiek vasaros, tiek žiemos sezonui, pastato sandarumo suderinimo su vėdinimo sistema, konstrukcijų šilumos akumuliavimo galimybių, skirtingos paskirties zonų atskyrimo.

Pastato energiniam efektyvumui ir energijos sąnaudoms daugeliu atvejų įtakos turi:

 

Pastato forma. Apvalūs, stačiakampiai ir kvadratiniai pastatai yra kompaktiškesni, nei L, H, U formos pastatai, šie gilesni, juose prastesnis natūralus apšvietimas. Tačiau didesnis ploto ir tūrio santykis padidina pastato šilumos nuostolius. Pastato forma taip pat lemia ir langų kiekį bei išdėstymą.

Pastato kompaktiškumas yra išorinių atitvarų ir tūrio santykis. Karštam ir sausam klimatui kompaktiškumas turi būti kuo mažesnis, kad sumažintų pritėkius, o šaltam klimatui - kad sumažintų nuostolius.

Pastato orientacija ir skaidrios atitvaros. Išdėstymas ir skaidrių atitvarų savybės daro esminę įtaką energiškai efektyvaus pastato patiriamiems nuostoliams ir gaunamiems saulės pritekiams. Teisingai orientuoti, didelio efektyvumo langai yra vienas iš svarbiausių energiškai efektyvaus pastato elementų. Suprojektavus ir įrengus tinkamą langų sistemą galima padidinti apšvietimo lygį, sumažinti šiluminės energijos sąnaudas ir palaikyti gerą mikroklimatą pastato viduje. Šitaip sumažinamos ir apšvietimo bei šiluminės energijos sąnaudos.

Pastato šiluminė talpa. Energijos kiekis, būtinas komfortinei juntamajai temperatūrai palaikyti, yra tiesiogiai susijęs su pastato šilumine talpa. Savitoji šiluminė talpa - šilumos kiekis, reikalingas 1 kg medžiagos temperatūrą pakelti vienu laipsniu. Šis dydis tiesiogiai turi įtakos pastato šiluminei konstantai, nuo kurios priklauso pastato vidaus temperatūros pokyčio trukmė dėl išorės oro temperatūros svyravimų.

Konstrukciniai sprendimai. Didėjant pastato atitvarų šiluminei varžai, ilginiai šiluminiai tilteliai daro didelę įtaką pastato savitiesiems nuostoliams. Jų vertinimas yra neišvengiamas siekiant objektyviai įvertinti pastato savituosius nuostolius.

Mikroklimato parametrus užtikrinančios sistemos. Nėra teisinga pastatą charakterizuoti pagal pastato projektinę galią arba poreikius, neatsižvelgiant į numatomas ar esamas šildymo ir vėdinimo sistemas.

Patalpų zonavimas. Kitas svarbus aspektas yra patalpų išdėstymas pastato viduje. Gyvenamuosiuose namuose rekomenduojama, kad pagrindinė gyvenamoji dalis būtų pietinėje namo pusėje. Šiaurinėje namo pusėje ištisus metus bus šešėlis, todėl Šiaurėje reikia vengti gyvenamųjų ir miegamųjų kambarių, netikslinga daryti didelius langus.

Rekomenduojamas patalpų išdėstymas siekiant sumažinti šiluminės energijos sąnaudas (Gethouse.lt schema).

 

Esminiai nulinės energijos gyvenamojo pastato bruožai - mažos energijos sąnaudos mikroklimato parametrus užtikrinančioms sistemoms ir didelė atsinaujinančių energijos išteklių dalis bendrame suvartotos energijos balanse. Laikantis šių principų, panašiomis į Lietuvos klimato sąlygomis galima sutaupyti 1/3-2/3 patalpoms šildyti reikalingos energijos. Pasaulinėje praktikoje yra pavyzdžių, kai pasyviuosiuose ir pagal saulės architektūros principus pastatytuose pastatuose visai nereikalinga šildymo sistema.

 

Vartotojų elgesio įtaka energijos poreikiui

Įvairūs tyrimai rodo panašių pastatų didelius energijos vartojimo skirtumus, nustatyta, kad didelę įtaką tam turi vartotojų elgesys. Skirtumas tarp faktinio ir prognozuoto energijos suvartojimo priklauso nuo galutinio statybos rezultato ir techninių instaliacijų ir nuo pastato sistemų naudojimo, pavyzdžiui, vidaus temperatūros ir vėdinimo oro kiekio. Akivaizdu, kad už vidaus temperatūros nustatymo ir vėdinimo oro kiekio reguliavimą pastate atsakingi vartotojai.

Skirtingose šalyse pastato užimtumas skiriasi, priklausomai nuo gyvenimo būdo, įpročių, papročių ir daugelio kitų veiksnių. Torriti sudarė diagramą, kurioje vaizduojamas santykinis vartotojų užimtumas vienbučiuose pastatuose didžiosiose Europos šalyse.

Santykinis vartotojų užimtumas vienbučiuose pastatuose Europos šalyse (Torriti 2012).

 

Diagramos pilkame plote parodytas pastatų užimtumas darbo dienomis, o punktyrinė linija pilkame plote - vidurkis. Diagramoje matyti, kad didžiausias (pikinis) užimtumas yra tarp 07:00-08:00 val. ir 19:30-20:30 val.

Gyvenamojo pastato aktyvių vartotojų užimtumas spalio 15 d., 2000 m.

 

Šioje diagramoje pavaizduotas vartotojų užimtumas 2000 metų spalio 15 d. Didžiojoje Britanijoje esančiame vienbučiame gyvenamajame name, kuriame gyvena du žmonės. Grafike matyti, kad abu gyventojai suaktyvėja apie 08:00 val., o 14 val. pastate nebelieka vartotojų. Aktyvumas padidėja apie 08:00 val. ir šiek tiek po 22:00 val. aktyvumas vėl nukrinta. Tai rodo, kad didžiausias aktyvumas pastate yra tada, kai gyventojai ruošiasi į darbą, ir apie pietus, kai grįžta po darbo ir eina miegoti.

Laiko naudojimas per dieną Lietuvoje (HETUS).

 

Remiantis HETUS (Harmonised European time use surveys - europiniai laiko tyrimai- red.) duomenimis, matyti, kad 40 proc. veiklos sudaro darbas ir mokslai 08:00 -17:00 val. laikotarpiu. Panaši situacija ir su namų ruošos darbais. Nuo 18:00 val. pradeda potencialiai daugėti žmonių, kurie žiūri TV ir kitus vaizdo įrenginius. Didžioji dalis apklaustųjų 00:00-05:00 val. miega.

Populiarėjant mažai energijos vartojantiems pastatams, vis daugiau kreipiamas dėmesys į šių pastatų energijos suvartojimą. Prognozuojant šildymo galią  gyvenamajame name pagrindiniai parametrai yra šie: pastato tipas ir šildomas plotas, pastato izoliacija, palaikoma temperatūra dieną ir naktį, gyventojų buvimas pastate darbo dienomis ir savaitgaliais. Prie pastato ypatybių priskiriamas patalpų temperatūros režimas ir gyventojų užimtumas, nes šiuos parametrus naudojimo metu reguliuoja vartotojai.

Kai kurie tyrinėtojai faktorius, veikiančius suminį pastato energijos suvartojimą, išskiria į septynias kategorijas:  1. klimatas (lauko oro temperatūra, saulės spinduliavimas, vėjo greitis, t. t.); 2. su pastatu susijusios charakteristikos (tipas, plotas, orientacija, t. t.); 3. su vartotoju susijusios charakteristikos, išskyrus socialinius ir ekonominius faktorius (vartotojo buvimas arba nebuvimas); 4. pastato inžinerinės sistemos ir jų veikimas (erdvės aušinimas / šildymas, ekonominiai karšto vandens tiekimas, t. t.); 5. pastato gyventojų elgsena ir veikla; 6. socialiniai ir ekonominiai faktoriai (išsilavinimas, energijos kaina ir t. t.); 7. reikalinga vidaus aplinkos kokybė.

Akivaizdu, kad 1, 2, 4 kategorijos apima pastato charakteristikas, o 3, 5, 6, 7 yra vartotojų įtaka pastato energijos poreikiams.

 

Tipinis vienbutis namas Lietuvoje

Tiriamuoju objektu pasirinkome vienbutį nuosavą gyvenamąjį namą, statomą Lietuvoje. Šis namas yra vieno aukšto, su garažu. Pagrindinis fasadas orientuotas į pietus. Namo plotas - 139,12 kv.m. Nagrinėjamasis gyvenamasis namas skirtas 3 asmenų jaunai šeimai. Modeliuojant pastatą naudojami Vilniaus miesto klimatiniai duomenys.

Tiriamojo vienbučio gyvenamojo namo patalpų planas.

 

Projektuojant ir norint pasiekti nulinės energijos namui nustatytus reikalavimus, tai galima padaryti naudojantis pasyvaus namo projektavimo paketu PHPP („Passive House Planning Package"). Ši programa leidžia suvokti kiekvieno iš pastato komponentų įtaką metiniam jo šildymui skirtos energijos suvartojimui. Duomenų suvedimui į PHPP, reikia tiksliai parinkti visas pagrindines pastato medžiagas, gaminius bei detalizuoti svarbiausius pastato mazgus: pamato, sienos, lango, parapeto, stogo ir t. t., apskaičiuoti konstrukcijų U vertes bei šalčio tiltelius. Į šią programą yra smulkiai suvedami visi projektuojamo pastato duomenys pradedant pastato padėtimi sklype, baigiant lango stiklo paketo tarpine. Gaunama, kiek kilovatvalandžių energijos reikės vieno kv.m grindų ploto šildymui per metus.  Tiriamajame darbe, naudojant PHPP programą, apskaičiuojami pagrindiniai parametrai - šilumos ir pirminės energijos poreikis per metus. Keičiant pastato charakteristikas siekiama pastato šilumos ir pirminės energijos poreikius sumažinti iki nulinės energijos pastato reikalavimų ((2010/31/ES) dėl pastatų energinio naudingumo). Skaičiavimuose įvertinami pastate esantys ilginiai šiluminiai tilteliai apie langų angas sienose, fasadų išoriniuose ir vidiniuose kampuose, tarp perdangų, kurios ribojasi su išore, ir sienų bei tarp stogo ir sienų kraštų. Pastato vidaus oro parametrai parinkti pagal HN 42:2009 „Gyvenamųjų ir visuomeninių pastatų mikroklimatas". Atitvarų sluoksnių medžiagos ir jų parametrai parinkti pagal STR 2.01.03:2009 „Statybinių medžiagų ir gaminių šiluminių-techninių dydžių projektinės vertės". Langų konstrukcijos parametrų ir ilginių šilumos tiltelių vertės apskaičiuotos pagal STR 2.05.01:2005 „Pastatų atitvarų šiluminė technika". Numatyta, kad name šaltuoju metų periodu bus palaikoma 20 °C vidaus oro temperatūra, o pastato sandarumo lygis esant 50 Pa slėgių skirtumui sieks 0,6 h-1. Tuo tarpu šiltuoju metų laiku numatyta palaikyti 25 °C vidaus oro temperatūrą. Skaičiavimo modelyje taip pat vertinami vidiniai ir išoriniai pritekiai. Vidiniai pritekiai - nuo esamų elektrą vartojančių įrenginių, žmonių esančių gyvenamajame pastate. Išoriniai pritekiai - saulės spinduliuotė, patenkanti per langus. Pastaruosius modeliavimo programa apskaičiuoja įvertindama fasadų orientaciją pagal pasaulio šalis.

 

Pradiniai į modeliavimo programą įvedami duomenys.

 

Pastato inžinerinės sistemos

Vėdinimo sistema: pastato vėdinimui numatyta mechaninio vėdinimo sistema su šilumogrąža. Pagrindiniai jos projektiniai parametrai:

• minimalus šviežio oro kiekis žmogui 30,0 kub.m/h;
• maksimalus tiekiamo oro kiekis namui 130 kub.m/h;
• oro apykaita 0,29 h-1;
• oro ruošimo įrenginio vieta - pastato išorėje;
• šilumogrąžos įrenginio efektyvumas - 92 proc.
• su pastatu susijusios charakteristikos (tipas, plotas, orientacija, t. t.).

Šildymo sistema:

• projektinė šildymo sistemos galia - 9,64 kW;
• energijos poreikis šildymui - 29 kWh/(kv.mmetus).

Šilumos šaltinis - šilumos siurblys, kurio sezoninis energijos transformavimo koeficientas siekia 4,5. Šilumos poreikis skirtingais mėnesiais yra:

Šilumos poreikis skirtingais mėnesiais.

 

Pagal rezultatus matoma, kad didelę dalį pastato šilumos poreikių padengia vidiniai ir išoriniai pritekiai. Grafike matyti, kad šilumos poreikiai didžiausi gruodžio ir sausio mėnesiais, o didžiausias saulės pritekių kiekis yra gegužės-rugsėjo mėnesiais. Pagal įvesties duomenis, vėsinimas pastate nėra naudojamas. Iš gautų skaičiavimų, atliktų PHPP programa, matyti, kad šilumos poreikis sudaro 29 kWh/kv.m per metus, o pirminės energijos kiekis - 44 kWh/kv.m per metus. Taigi nagrinėjamasis pastatas pagal gautus skaičiavimų rezultatus yra priskiriamas mažaenergiams pastatams.

 

Fotovoltinių saulės elementų ir gruntinio šilumos siurblio sistema nulinės energijos pastate

Tiriamajame objekte šilumos poreikiams padengti pasirinktas gruntinis šilumos siurblys (ŠS), o elektrai gaminti - fotovoltiniai saulės elementai. Skaičiavimams atlikti pasitelkiama T*SOL programa. Tai dinaminio simuliacinio modeliavimo programa, skirta projektuoti ir optimizuoti saulės energijos sistemas. Be plačiai naudojamų saulės energijos sistemų duomenų bazių, šioje programoje yra įtrauktos ir akumuliacinių talpų, tūrinių karšto vandens šildytuvų, gruntinių šilumos siurblių bei katilų duomenų bazės. Taip pat šia programa galima apskaičiuoti finansinę sistemos naudą bei pagaminamus energijos srautus metų laikotarpiui. GeoT*SOL programa modeliuojamas gruntinis šilumos siurblys šildymui ir karštam vandeniui ruošti.

Principinė gruntinio šilumos siurblio schema.

 

Skaičiavimams ir modeliavimui atlikti buvo remtasi PHPP programa, kuria buvo gauti pastato šildymo ir karšto vandens sistemų apkrovos bei poreikių duomenys. Gruntinio ŠS skaičiavimai atliekami Geo*TSOL programa. Programoje numatyti tokie sistemos parametrai:

Žemos temperatūros šildymo kontūras (į gręžinį):

• tiekiamoji temperatūra - 35 laipsniai C;
• grįžtamoji temperatūra - 27 laipsniai C;

Aukštos temperatūros šildymo kontūras (pastate):

• tiekiamoji temperatūra - 50 laipsnių C;
• grįžtamoji temperatūra - 35laipsniai C;

Šildymo apkrova - 3,38 kW, šildymui reikalingas poreikis - 4007 kWh/per metus.

Karšto vandens sunaudojama 120 l per parą. Kadangi modeliuojamasis pastatas skirtas 3 asmenų šeimai, vienam asmeniui tenka 40 l per parą karšto vandens. Metinis šilumos poreikis karštam vandeniui ruošti - 1929 kWh/metus. Karšto vandens projektinė temperatūra - 45 laipsniai C. Parinkto šilumos siurblio šiluminė galia - 6 kW, metinės elektros poreikis - 1404 kWh, naudingo veikimo koeficientas (SPF 4,4).

Per metus šilumos siurblio pagaminama šiluma.

 

Gruntinio šilumos siurblio bei buitiniams elektros energijos poreikiams padengti ant pastato stogo projektuojama fotovoltinių saulės elementų sistema, kuri perteklinę energiją perduoda į elektros tinklus. Jiems skaičiuoti naudojama programa PV*SOL. ŠS elektros poreikiui padengti projektuojama 19 vienetų saulės elementų, kurių maksimali galia - 4,85 kW. Atlikus skaičiavimus modeliavimo programa gaunama, kad per metus jie pagamins  4,284 kWh elektros.

Saulės elementų pagaminama energija per metus.

 

Pagal gautus rezultatus galima sudaryti pastato metinį elektros energijos balanso grafiką ir palyginti tiriamojo objekto elektros energijos suvartojimus su fotovoltinių saulės elementų elektros gamyba.

Pastato metinis elektros energijos balansas.

 

Pažvelgus į grafiką matyti, kad parinkta fotovoltinių saulės elementų sistema ne tik padengia šio pastato šilumos siurblio bei buitinius elektros poreikius, bet netgi ir viršija, t. y. susidaro elektros energijos perteklius, kurį būtų galima parduoti į bendrus elektros tinklus arba papildomai akumuliuoti.

 

Išvados

Siekiant, kad pastato energijos poreikiai atitiktų mažaenergiams namams keliamus reikalavimus, rekomenduojama taikyti pasyviesiems pastatams nurodytus projektavimo principus (patalpų išdėstymas, pastato orientacija, atitvarų šiluminės savybės ir t. t.).

Atlikus tiriamojo objekto modeliavimą PHPP programa nustatyta, kad sąnaudos šildymui sudaro 29 kWh/kv. m per metus. Šis vienbutis gyvenamasis namas patenka į mažaenergių pastatų kategoriją ir siekia A+ energinio efektyvumo klasę.

Metinis šilumos poreikis karštam vandeniui ruošti sudaro 1929 kWh/ per metus, o   šildymui - 4007 kWh/per metus.

Elektros sąnaudos buitinėms reikmėms siekia 2400 kWh/ per metus.

Atlikus modeliavimo skaičiavimus PV*SOL ir Geo*SOL programomis tiriamajam objektui buvo parinktas gruntinis šilumos siurblys, kuris gamina energiją pastato šildymui ir karštam vandeniui ruošti, o jo metinės elektros sąnaudos - 1404 kWh/metus.

Parinkus fotovoltinius elementus visiems elektros poreikiams dengti gauta, kad jie per metus pagamina 4284 kWh, kai tuo tarpu metiniai pastato buitiniai ir šilumos siurblio elektros poreikiai yra 3804 kWh. Nevertinant pikinių elektros energijos suvartojimų, kai nėra saulės (elektra perkama iš tinklų), o perteklinė parduodama, galima daryti išvadą, kad sukurti nulinės energijos pastatą Lietuvos klimatinėmis sąlygomis yra realu.

Doc. dr. Kęstutis Valančius, Gintarė Mažulaitytė, VGTU Pastatų energetikos katedra

Parengta pagal: G. Mažulaitytė, K. Valančius. „Nulinės energijos gyvenamojo vienbučio namo įrengimo Lietuvoje galimybės".