Budynki przyszłości – jakie zmiany nas czekają?

Ostatnia dekada w branży budowlanej była okresem wzmożonej konkurencji wśród producentów materiałów i dostawców nowoczesnych technologii. Obecnie rynek budowlany podąża za przepisami unijnymi, które zdecydowały o konieczności ograniczenia emisji dwutlenku węgla i zwiększeniu udziału energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych. Polityka energetyczna oraz rosnąca świadomość ekologiczna przekłada się na większe zainteresowanie budownictwem wysokoenergetycznym i pasywnym. W poniższym wpisie pójdę nieco dalej i odpowiem na pytania – jak zmieni się branża budowlana w przyszłości, czym będą ogrzewane domy oraz jak nowe technologie odmienią nasze budynki?

1. Rozwój zielonej energetyki

Podstawą budownictwa przyszłości jest energetyka oparta na odnawialnych źródłach energii. Chodzi o wykorzystanie energii słonecznej, geotermalnej i biomasy do pokrycia potrzeb grzewczych, związanych z ogrzewaniem budynku i przygotowaniem wody użytkowej. Czynnikiem zmian które obserwujemy dzisiaj, są wprowadzane w województwach uchwały antysmogowe, programy PONE i inne walczące z niską emisją.

Rozwój i rozpowszechnienie technologii budownictwa energooszczędnego wpływa na rosnące zainteresowanie instalacjami OZE – zarówno w mediach, jak i na rynku grzewczym. Według corocznego raportu Stowarzyszenia Producentów i Importerów Urządzeń Grzewczych [1], w roku 2017 odnotowano wzrost sprzedaży pomp ciepła na poziomie 15 proc. w porównaniu do roku ubiegłego. Podobny wynik uzyskano w roku 2016 i wszystko wskazuje na to, że w najbliższych latach ta tendencja będzie się utrzymywać.

Podobną wizję przekłada Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła w raporcie rynkowym do 2030 r. [2] zakładając, że w wariancie optymistycznym łączna ilość pracujących w Polsce pompa ciepła w 2030 roku będzie wynosić ponad 1 mln. sztuk – z czego ok. 60 proc. będą stanowić pompy do instalacji c.o.

2. Monopol powietrznych pomp ciepła

Pompy ciepła, które pobierają energię z otoczenia, będą ogrywać kluczową rolę w budynkach przyszłości – głównie tych w standardzie pasywnym. Wśród pomp ciepła możemy wyróżnić pompy powietrzne, gruntowne i wodne – największą popularnością cieszą się obecnie pompy ciepła typu powietrze/woda. Te z kolei nie wymagają skomplikowanych prac montażowych związanych z ujęciem dolnego źródła ciepła.

Jeśli mówimy o wykorzystaniu pomp ciepła w przyszłości, zastanówmy się, czy systemy ogrzewania hydraulicznego nie zostaną całkowicie wyparte przez ogrzewanie powietrzne. Jeśli dążymy do obniżania energochłonności budynku kosztem zwiększenia jego szczelności, możemy wówczas wykorzystać zalety ogrzewania powietrznego. Jest ono realizowane bezpośrednio przez system wentylacji mechanicznej (nagrzewnicę wtórną) bądź rozdzielnie, przy wykorzystaniu osobnego urządzenia np. pompy ciepła powietrze-powietrze (patrz klimatyzator kanałowy). To ostanie, nie zajmuje wiele miejsca, może pracować w skrajnie niskich temperaturach i jest bezobsługowe.

3. Ogniwa PV czwartej generacji

Zieloną energetykę będą również wspierać instalacje fotowoltaiczne, wpłynie na to rosnąca konkurencja, taniejące urządzenia i wyższa sprawność pojedynczych ogniw. Istnieje wysokie prawdopodobieństwo, że w przyszłości będą dominować panele fotowoltaiczne czwartej generacji [3], będą one oparte o substancje organiczne i wyprą z rynku dotychczasowe ogniwa krzemowe.

Z uwagi na taniejące rozwiązania akumulatorowe, magazyny energii będą powszechnym rozwiązaniem w każdym domu. Przyczyni się to do rozwoju sieci rozproszonej, zdecentralizowanej – gdzie w obrębie własnego sąsiedztwa pojedyncze budynki będą mogły tworzyć i rozwijać własną sieć energetyczną.

Istnieje także rozwiązanie które zakłada – że takie panele fotowoltaiczne będą montowane w przeszkleniach budynku. Jeśli będą lekkie i trwałe, mogą również w całości pokryć południową elewację budynku. Aby panele fotowoltaiczne mogły pracować w pochmurne dni, ogniwa muszą efektywnej pozyskiwać promieniowanie rozproszone. Jeśli problem ten zostanie rozwiązany w ogniwach czwartej generacji – instalacja będzie produkować prąd przez cały rok. Dzięki dywersyfikacji pozyskiwanej energii ze źródeł odnawialnych, nasze domy w przyszłości będą ekologiczne i samowystarczalne.

4. Budynki w standardzie pasywnym

Obecnie dążymy do tego, aby budynki były projektowe pod kątem niskiego zużycia energii. Jest to zasługa rosnącej świadomości ekologicznej wśród inwestorów jak i zaostrzających się przepisów prawnych. Powszechnym zainteresowaniem cieszy się budownictwo energooszczędne, jednak za kilkanaście lat będziemy mówić o budynkach pasywnych a nawet samowystarczalnych (!).

Taki kierunek zmian częściowo wyznacza Dyrektywa Parlamentu Europejskiego Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [4]. Zgodnie z jej postanowieniami, od 2021 r. budowane budynki muszą charakteryzować się możliwie niskim zapotrzebowaniem na energię. Budynki użyteczności publicznej wymóg ten muszą spełniać znacznie wcześniej, bo już od 2019 r. W 2030 roku wszystkie nowoprojektowane budynki mają spełniać standardy budownictwa pasywnego a w 2050 roku – państwa członkowskie Unii Europejskiej mają osiągnąć neutralność klimatyczną.

Celem dotychczas uchwalonych dyrektyw jest zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego krajów członkowskich Unii Europejskiej. Wspólnota dąży również do zmniejszenia emisji CO₂ oraz pełnego uniezależnienia się gospodarki Unijnej od importu gazu i ropy itd. W Polsce zmiany te są wprowadzane poprzez systematyczne zaostrzanie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [5]. Zaostrzane są współczynniki przenikania ciepła U dla przegród zewnętrznych oraz wskaźnik wykorzystania odnawialnej energii pierwotnej EP w budynkach nowoprojektowanych.

Jeśli chcemy mówić o standardach energetycznych budynków, powinniśmy wykorzystać pojęcie wskaźnika energii końcowej EK. Określa on zapotrzebowanie na nieodnawialną energię końcową do celów ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody – wyrażany w kWh/(m²·rok).

5. Kolejne warunki techniczne po 2021 r.

W Polsce nie mamy jednoznacznej przepisowej klasyfikacji budynków, jednak wdł. zewnętrznych instytucji [6] prezentuje się ona następująco:

• Budynki wysokoenergochłonne – zużycie energii powyżej 250 kWh/(m²·rok)
• Budynki energochłonne – zużycie energii 150-250 kWh/(m²·rok)
• Budynki średnioenergochłonne – zużycie energii 100-150 kWh/(m²·rok)
• Budynki średnioenergooszczędne – zużycie energii 80-100 kWh/(m²·rok)
• Budynki energooszczędne – zużycie energii 45-80 kWh/(m²·rok)
• Budynki niskoenergetyczne – zużycie energii 20-45 kWh/(m²·rok)
• Budynki pasywne – zużycie energii poniżej 20 kWh/(m²·rok)

Zgodnie z powyższym zestawieniem, warunki techniczne WT 2021 wymuszą na inwestorach budowę budynków o standardzie minimum średnioenergooszczędnym. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że kolejne warunki techniczne (po 2021 r.) będą obligować inwestorów do uzyskania standardu pasywnego. Obecnie budowa takiego budynku nie jest zadaniem łatwym, wymaga staranności wykonawców oraz wykorzystania najwyższej jakości materiałów budowlanych i izolacyjnych.

Pod względem konstrukcyjnym, taki dom posiada prostą bryłę, bez wykuszy, lukarni i balkonów – te miejsca trudno się ociepla i uszczelnia. W domu pasywnym dąży się również do całkowitego przeszklenia strony południowej, w celu wykorzystania maksymalnych zysków ciepła z promieniowania słonecznego. Ważną rolę gra izolacja – przy wykorzystaniu białego styropianu, jego grubość w domu pasywnym mieści się w granicach 35-55 cm. W przypadku zastosowania styropianu grafitowego, grubość izolacji w domu pasywnym możemy zmniejszyć do 25 cm i niżej.

Obecnie budowa takiego budynku nie jest zadaniem łatwym, wymaga staranności wykonawców oraz wykorzystania najwyższej jakości materiałów budowlanych i izolacyjnych. Pod względem konstrukcyjnym, taki dom posiada prostą bryłę, bez wykuszy, lukarni i balkonów – te miejsca trudno się ociepla i uszczelnia.

W domu pasywnym dąży się również do całkowitego przeszklenia strony południowej, w celu wykorzystania maksymalnych zysków ciepła z promieniowania słonecznego. Ważną rolę gra izolacja – przy wykorzystaniu białego styropianu, jego grubość w domu pasywnym mieści się w granicach 35-40 cm. W przypadku zastosowania styropianu grafitowego, grubość izolacji w domu pasywnym możemy zmniejszyć do 25 cm i niżej.

6. Hybrydowe rozwiązania instalacyjne

Izolacja to nie wszystko – dom pasywny pozyskuje energię grzewczą głównie ze źródeł odnawialnych. Mówimy o instalacjach np. pomp ciepła, kolektorów słonecznych, paneli fotowoltaicznych oraz gruntowych wymienników ciepła. Ten ostatni, zapobiega szronieniu się rekuperatora w centrali wentylacyjnej, podgrzewając powietrze zewnętrzne w okresie zimowym do temperatury powyżej 0°C. Latem gruntowy wymiennik ciepła umożliwia schładzanie nawiewanego powietrza bez konieczności stosowania klimatyzacji.

Dzięki zastosowaniu instalacji fotowoltaicznej z wbudowanym akumulatorem – budynek pasywny może uzyskać miano budynku nawet zeroenergetycznego. Dzięki połączeniu tych wszystkich instalacji, zyskujemy hybrydowy system ogrzewania, w którym roczne koszty ogrzewania domu będą ograniczone wyłącznie do kosztów kontroli i serwisu urządzeń.

Każda inwestycja tego typu musi być traktowana indywidualne – staranne przygotowana koncepcja budynku pasywnego pozwoli uniknąć błędy na etapie wykonawczym. Niewykluczone, że w przyszłości budowa domu pasywnego będzie zdecydowanie łatwiejsza na skutek zastosowania prefabrykowanych, gotowych elementów budowlanych [7] bądź rozpowszechnienia nowoczesnych materiałów izolacyjnych, do których możemy zaliczyć izolacje transparentne, próżniowe, aerożele itp. W Polsce są one mało znane ze względu na skomplikowaną technologię montażu i wysoką cenę.

7. Zaostrzające się przepisy wodno-prawne

Budynki przyszłości to nie tylko pozyskiwanie energii z alternatywnych źródeł, to także racjonalne zużycie wody przez recykling. Kwestia odzysku wody wraz z próbą jej ponownego wykorzystania staje się ważną kwestią w wielu krajach Europy. Warto wspomnieć, że również Polska nie należy do państw, których zasoby wodne są duże. Wraz z wyższym standardem życia, zużycie wody w gospodarstwach domowych rośnie.

Tymczasem przepisy krajowe jak i unijne obligują nas, abyśmy chronili wodę dla przyszłych pokoleń. Przykładowo, z dniem 1 styczna 2018 r. obowiązuje nowe prawo wodne [8] – dla właścicieli działek i budujących oznacza to, że muszą ubiegać się o tzw. pozwolenia wodnoprawne na wykonanie studni głębinowych, studni chłonnych, wprowadzania wód opadowych do gruntu itd.

Nowe prawo z pewnością przełoży się na rosnące ceny za pobór wody i odprowadzenie ścieków. W perspektywie kilkunastu lat, przełoży się to na większe zainteresowanie oczyszczalniami ścieków, zbiornikami wody deszczowej czy urządzeniami do uzdatniania wody.

9. Recykling wody deszczowej i szarej

W niedalekiej przyszłości doczekamy się rosnącej popularności instalacji przeznaczonych do odzysku wody deszczowej. Ich podstawowym elementem będzie zbiornik podziemny, magazynujący oczyszczoną wodę deszczową z pionowych rynien spustowych. Tą wodę będziemy powierzchnie wykorzystywać do zasilania pralek, misek ustępowych czy punktów czerpalnych w garażu, ogrodzie itd.

Obiecująca ekspektatywą będzie wykorzystanie urządzeń do recyklingu wody szarej. Chodzi o filtrowanie wody spuszczanej odrębnym kolektorem kanalizacyjnym spod pryszniców, umywalek i zlewozmywaków. W obecnej technologii, spływająca woda jest wstępnie filtrowana i oczyszczana z nieczystości stałych (np. z włókien tekstylnych, włosów). Następnie wpływa do pierwszej komory filtracyjnej i podstawowego oczyszczania, gdzie bakterie rozkładają różnego rodzaju zanieczyszczenia. Ten proces oczyszczania biologicznego wytwarza różnego rodzaju osady stałe, które są regularnie odprowadzane do kanalizacji. W dalszej kolejności przepływa pod lampą UV, która ją dezynfekuje.

Tak przygotowaną wodę możemy ponowie wykorzystać do celów gospodarczych i porządkowych. Jeśli technologia będzie na tyle skuteczna i niezawodna, oczyszczona woda będzie się nadawać również do kąpieli. Recykling wody szarej ograniczy jej zużycie w gospodarstwach domowych, pozwoli również obniżyć wysokość rachunków za wodę i ścieki. Perspektywa oszczędności jest obiecująca, zwłaszcza w obliczu rosnących opłat za media.

10. Automatyzacja budynków

Mówiąc o budynkach przyszłości nie powinniśmy pomijać kwestii automatyki budynkowej. Mówimy tutaj o systemach sterowania domem, które pozwalają zintegrować różne instalacje i zautomatyzować wiele codziennych czynności. Z poziomu aplikacji możemy podnieść rolety, uzbroić alarm po wyjściu z domu, zgasimy światła a nawet włączymy telewizor. Obecnie automatyka budynkowa nie jest rozpowszechniona w budownictwie jednorodzinnym – tam większym zainteresowaniem cieszą się proste systemy sterowania ogrzewaniem.

Po stronie źródła ciepła powszechnie wykorzystujemy programatory (kotły pelletowe) i sterowniki pogodowe (kotły kondensacyjne). Do sterowania pracą grzejników wykorzystujemy głowice termostatyczne, z kolei regulatory pokojowe zdają egzamin w przypadku ogrzewania podłogowego.

11. Kompleksowe sterowanie domem

Każdy system sterowania ogrzewaniem może być rozbudowany na wiele sposobów, np. poprzez współpracę z centralą sterującą. Systemy te dzielą się na przewodowe (pracujące w użyciem okablowania np. KNX) lub bezprzewodowe (wykorzystujące transmisję danych np. Zigbee). Niektóre z rozwiązań, które są dostępne na rynku mają niestety mocno wygórowane ceny. To jednak kwesta czasu, aby tego typu urządzenia stały się wyposażeniem każdego domu.

W budynkach przyszłości możliwości automatyki budynkowej będą większe [9] – ekspres, który sam parzy kawę po naszym przebudzeniu, podnoszące się rolety o wschodzie słońca, piekarniki dostosowujące sposób pieczenia do danej potrawy czy czujki alarmu wzywające odpowiednie służby po wykryciu dymu czy zalania łazienki. W skład takiej automatyki będą wchodzić czujniki, regulatory, sensory oraz przekaźniki, które będą pośredniczyć w komunikacji z centralką. Będą one poruszać drzwiami, oknami, roletami, bramą garażową oraz wykrywać ruch, sterować ogrzewaniem, oświetleniem i wentylacją.

Mózgiem inteligentnego domu jest centrala sterująca, interpretuje ona sygnały odbierane z urządzeń i wykonuje otrzymane polecenia. W budynkach przyszłości powierzymy jej większy zakres obowiązków, przejmie ona rolę asystenta głosowego który będzie zarządzać urządzeniami elektrycznymi, ogrzewaniem i wentylacją w domu. taki przedsmak oferuje nam np. Amazon ECHO [10], jednak na pełną integrację z domem będziemy musieli jeszcze poczekać.

12. Technologia wodorowa w technice grzewczej

Wodór jest obiecującym paliwem przyszłości, zwłaszcza w kontekście ogrzewania domów – ze względu na swoje właściwości chemiczne i fizyczne może stanowić alternatywę dla paliw kopalnych.

W obecnej chwili technologie wykorzystujące wodór są kosztowne, jednak w niedalekiej przyszłości ceny mogą osiągnąć poziom pozwalający inwestorem na zwrot nakładów inwestycyjnych. Przykładem takiego rozwiązania jest pierwszy na świece kocioł zasilany wodorem [11]. W takim rozwiązaniu kocioł spala czysty wodór do celów centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Dostawę wodoru zapewnia z kolei lokalny operator sieci. Operator zapewnia, ze dostawa wodoru może być realizowania za pośrednictwem istniejących gazociągów.

W ostatnim czasie dużo się mówi o możliwości wykorzystania wodoru jako nośnika magazynującego energie elektrycznego – w kontekście banku energii elektrycznej dla instalacji fotowoltaicznych – jednak są to technologie rozwojowe o których z pewnością napiszę w najbliższych miesiącach na blogu.

Zdjęcie główne: stock.adobe.com/pl

Odwołania:

[1] Raport SPIUG: Podsumowanie rynku instalacyjno-grzewczego w Polsce w IV kwartale 2017 i całego 2017 roku

{2] Raport PORT PC 2017: Perspektywy rozwoju rynku pomp ciepła do 2030 roku

[3] https://cordis.europa.eu/result/rcn/89834_pl.html

[4] https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/?uri=celex:32010L0031

[5] https://lexplay.pl/artykul/Akty-Prawne/Warunki-techniczne-jakim-powinny-odpowiadac-budynki-i-ich-usytuowanie

[6] Klasyfikacja zużycia energii wg. Stowarzyszenia na Rzecz Zrównoważonego Rozwoju

[7] https://passivehouse-international.org/

[8] Ustawa z dnia 20 lipca 2017 r. – Prawo wodne (Dz.U. 2017 poz. 1566)

[9] http://buildercorp.pl/2018/03/29/dom-przyszlosci-rozwiazania-na-miare-xxi-wieku/

[10] https://www.cnet.com/how-to/amazon-echo-alexa-devices-everything-you-need-to-know/

[11] https://www.bdrthermeagroup.com/en/news/hydrogen?fbclid=IwAR1oZYN5AMDDCmMqxwz3_DKZMQGAxDK_d5oxYPVaA0NBgDNz2ABsb-RR1Lg/