1

ENERGIA Oszczędzanie energii Po dwudziestu latach stałej ewolucji, doskonalenia naszego systemu, po kilkuset realizacjach, domy budowane według niego kilkakrotnie prześcigają najbardziej wymagające normy oszczędności energii. Zapotrzebowanie na energie pierwotną domów w Krzywej Iwicznej waha się od 30 do 40 kWh/m2*rok, domów w Kędzierówce 20-30 kWh/m2*rok. Normowy poziom odniesienia to 150 – 180 kWh/m2*rok. Są to zapewne najcieplejsze domy budowane seryjnie w Polsce i pierwsza liga światowa.

EP – zapotrzebowanie domów na energię pierwotną

20,040,0 kWh/(m2rok)

………

↑ EP WT2008 – poziom wymagany

150180 kWh/(m2rok)

We własnym laboratorium prowadzimy szereg prac badawczych mających dalej zredukować energetyczne potrzeby naszych domów. Badania realizujemy we współpracy Politechniką Warszawską (szczególnie z Instytutem Techniki Cieplnej) i Instytutem Technicznym w Delft w Holandii. Obecnie realizujemy program zejścia poniżej poziomu 15 kWh/m2 (od którego zaczynają się domy pasywne) przy zachowaniu cen domów dostępnych. Cel ten osiągniemy zapewne już w następnym osiedlu. Następny program będzie polegał na budowaniu domów niezależnych od państwowej sieci energetycznej.

2

Źródła oszczędności energii:

• 20% urbanistyka – zwarta, oszczędna zabudowa; • 5% architektura – zwarte bryły, orientacja na słońce: układu funkcjonalnego domów,

rozmieszczenia i wielkości przeszkleń; • 15% szkieletowa konstrukcja, bardzo dobra izolacja cieplna; • 20% układ CO bazujący na biopaliwie – kominek z płaszczem wodnym

współpracujący z wodnym zbiornikiem ciepła; • 15% urządzenia do odzyskiwania ciepła ze zużytej wody współpracujące z

kolektorami słonecznymi; • 10% - przegrody zewnętrzne o bardzo małym oporze dyfuzyjnym (przenikanie gazów).

Naturalna wymiana gazów przez przegrody istotnie zmniejsza potrzeby wentylacyjne domu.

Przy budowaniu domów wybitnie energooszczędnych najpoważniejsze problemy nie leżą w obszarze techniki, ale w ekonomi i strefie psychologii. Jak zaprojektować taki dom by nie wyglądał on jak reaktor czy „maszyna do mieszkania”? Dlatego za główne nasze osiągnięcie uważamy harmonijne połączenie wszystkich potrzebnych elementów. Zapewne ważną rolę dla akceptacji naszych domów odgrywa umiar w eksponowaniu techniki i nowoczesności oraz równoważenie ich w obszarach kulturowych przez tradycyjną architekturę i urbanistykę.

3

Ogrzewanie domu Standardem w naszych domach stało się ogrzewanie oparte na kominku z płaszczem wodnym i dużym (1000 litrów) zbiorniku gromadzącym ciepło. Gdy raz na dzień napalimy w kominku, nie tłumiąc ognia jak przy kominkach powietrznych, zgromadzona ciepła woda wystarcza do ogrzewania domu i do celów użytkowych na całą dobę. Układ posiada też tryb automatyczny kontrolujący temperaturę w domu, gdy gospodarze wyjadą na urlop.

Jądrem tego systemu jest centralny zbiornik na ciepło. Otworzył on drogę do wykorzystania różnych, drobnych źródeł energii. W Kędzierówce wszystkie domy mają współpracujący system kolektorów słonecznych. Prowadzimy badania nad zaprzęgnięciem wiatru do bezpośredniej produkcji ciepła, które również będzie gromadzone w tym zbiorniku.

Kilkanaście lat temu pracowaliśmy nad domami, w których kotłownię i piec CO zastąpił by kominek. Dziś rola tego zasłużonego układu maleje, bowiem zmierzamy do domów, dla których głównym źródłem ciepła będzie słońce. Kominki zapewne pozostaną, ale bardziej jako wspomaganie oraz jako symboliczne, żywe ognisko domowe.

4

Ciepła woda

Po kilku latach poszukiwań opracowaliśmy i opatentowaliśmy urządzenie, które odzyskuje energię cieplną ze zużytej w domu wody. Takie urządzenia są na rynku, ale nasze rozwiązanie ma sprawność ponad 75%, blisko dwukrotnie większą niż inne alternatywy. W domach w Kędzierówce jest ono standardem. Będzie to pierwsze w świecie osiedle, gdzie całość energii potrzebnej do podgrzania wody pochodzi ze źródeł odnawialnych. Nasze urządzenie, które nazwaliśmy „odzyskwą ściekową” (lub system OS) współpracuje w tym osiedlu z kolektorami słonecznymi.

Istota rozwiązania polega na wstawieniu do pionu kanalizacyjnego zwiniętej w spiralę rury ze stali nierdzewnej, którą w przeciwnym kierunku niż ścieki płynie zimna woda zasilająca źródło ciepła (piec lub wymiennik podgrzewający wodę). Urządzenie jest przewidziane do odzyskiwania energii z tzw. „szarych” ścieków tzn. z wyłączeniem „brunatnych” – z WC. W konsekwencji wymaga oddzielenia pionu kanalizacyjnego z prysznica i umywalki od pionu z WC.

Szkic odzyskwy ściekowej Zasada montażu Efektywność naszego wymiennika ciepła jest podobna do dostępnych na rynku układów kolektorów słonecznych. Ważne jest, że nasze urządzenie, w odróżnieniu od kolektorów słonecznych, ma jednakową sprawność przez cały rok. W konsekwencji kolektory słoneczne pełnią nie pierwszoplanową, lecz uzupełniającą rolę - podgrzewają już w połowie podgrzaną wodę.

5

Zasada działania:

Przepływy wewnątrz pionu

Wstawienie spiralnej, karbowanej rury do wnętrza pionu powoduje wzrost oporów hydraulicznych. W efekcie spływająca zużyta woda ma na tyle małą prędkość, że nie odrywa się i nie spada swobodnie, lecz dzięki siłom Coandy przylega do rury wewnętrznej, obmywszy ją, wraca ku ściance zewnętrznej pionu (przepływ A). Spiralny przepływ B oraz przepływ C (między karbami rury wewnętrznej, a powierzchnią pionu) rozkładają równomiernie spływ cieczy po obwodzie pionu, zapobiegają jego lokalnej koncentracji, czyli lokalnemu wzrostowi energii kinetycznej cieczy. Przepływy przecinają się, zapewniając stałe, turbulentne mieszanie wody. Wszystkie trzy przepływy razem powodują, że większość powierzchni rury wewnętrznej jest omywana spływającą cieczą, a duża powierzchnia wymiany ciepła skutkuje wysoką sprawnością całego układu.

6

Wentylacja

Od początku istnienia firmy budowaliśmy domy z tzw. oddychającymi ścianami, a więc o możliwie małym oporze dyfuzyjnym, czyli oporze dla przenikania gazów. Było to trochę wbrew mainstemowym trendom. Badania laboratoryjne potwierdziły prawidłowość naszych wyborów. Jeśli przegrody budowlane mają, jako całość, mały opór dyfuzyjny, to rola dyfuzji dla zapewnienia właściwej jakości powietrza jest bardzo istotna. Decydującym parametrem jest opór dla dyfuzji dwutlenku węgla. Przeprowadziliśmy jego pomiary zarówno dla różnych materiałów budowlanych, w laboratorium, jak i dla całych przegród i pomieszczeń w wybudowanych domach. Mikroklimat w naszych domach zawsze miał opinię bardzo dobrego, ale teraz mamy na ten temat doświadczalne dane.

Nasze badania potwierdziły też tezę, że wymagana przepisami wentylacja grawitacyjna jest bardzo chimeryczna, pracuje nierówno, raz z nadmiarem niepotrzebnie wychładzając dom, innym razem zupełnie nie wypełnia swojego zadania. W starym budownictwie była ona wspomagana przez nieszczelności okien, ale współczesna moda na ich uszczelnianie poważnie odbija się na jakości wewnętrznego powietrza, a więc odbywa się kosztem zdrowia mieszkańców. Pomiary wykazują, że dzięki wentylacji dyfuzyjnej nasze domy nie mają tego powszechnego mankamentu dzisiejszego budownictwa.

Aby zmniejszyć do minimum opór dyfuzyjny wszystkie przegrody zewnętrzne naszych domów są zbudowane jak namiot z tropikiem: mają odsunięte warstwy elewacyjne i wewnętrzną szczelinę wentylacyjną konsekwentnie poprowadzoną od cokołu do kalenicy dachu.

Przekrój ściany Układ wentylacji przegród zewnętrznych

7

„Oddychające ściany” działają trochę jak zalecane w domach pasywnych rekuperatory. Napędem procesów dyfuzyjnych jest tu jednak naturalna różnica ciśnień dwutlenku węgla oraz tlenu w pomieszczeniach i na zewnątrz, w konsekwencji proces ten nie wymaga dodatkowego napędu, jak to jest w mechanicznych rekuperatorach. Przedostający się na zewnątrz dwutlenek węgla przekazuje swoją energię, wynikającą z wyższej temperatury, chłodnym cząsteczkom tlenu napływającym do środka. W efekcie całość pracuje jak nano-rekuperator o wielkiej powierzchni i sprawności 100%, bowiem proces przekazywania energii odbywa się na poziomie atomowym.

Warto podkreślić, że stosowany przez nas idea budowy przegród zewnętrznych jest wzorowana na Naturze. Sierści zwierząt też łączy duży opór cieplny ze znikomym oporem dyfuzyjnym.

Pomiary dyfuzji CO2 przez przegrody budowlane wykonane w laboratorium Dworku Polskiego. Pierwsza seria eksperymentów to badanie zmian stężenia CO2 w zamkniętych pomieszczeniach budowanych przez nas domów charakteryzujących się małym oporem dyfuzyjnym przegród zewnętrznych (szkielet drewniany wypełniony wełną, brak paroizolacji, przegrody z wewnętrzną wentylacją). Druga seria badań to laboratoryjne pomiary oporu dyfuzyjnego dla CO2 wybranych materiałów budowlanych. Poniżej przedstawiono przykładowe dwa pomiary.

W pierwszej części doświadczenia w pomieszczeniu przebywała osoba, czyli dostarczany był dwutlenek węgla. Druga część to stan bez człowieka, czyli bez dopływu CO2. Czerwona, przerywana kreska z lewej strony pokazuje jakie byłoby stężenie CO2 w pierwszej fazie, gdyby pomieszczenie było zupełnie szczelne, czyli gdyby zaniedbać wpływ dyfuzji. Odpowiednio, w drugiej fazie, stężenie było by stałe.

Warty uwagi jest poziom asymptoty w pierwszej części – około 1750 ppm. Oznacza to, że w tak małym pomieszczeniu, nawet gdy będzie ono zupełnie pozbawione wymiany powietrza, stężenie dwutlenku węgla nieznacznie tylko przekroczy poziom normowy.

8

Spadek ciśnienia dwutlenku węgla w szczelnej komorze pomiarowej, której górna powierzchnia wykonana została z wełny mineralnej. Czas – minuty, stężenie CO2 – ppm.

9

Okna

Prowadzone w naszym laboratorium badania nad energią słoneczną zaowocowały między innymi innowacyjną koncepcją konstrukcji okien.

Obecna tendencja do budowania coraz bardziej energooszczędnych okien jest realizowana zwykle poprzez zwiększanie izolacyjności termicznej szyb i ramy. W odniesieniu do szyb zaleca się stosowanie potrójnego szklenia, co owocuje zmniejszeniem współczynnika przenikania ciepła z 1,5 nawet do 0,5 W/m2K. Ale odbywa się to kosztem współczynnika przenikania energii słonecznej (z 70% do 45%). Drugim kierunkiem jest zwiększanie oporu cieplnego ramy i futryny poprzez: zwiększanie ich grubości, ilości komór w oknach plastikowych albo zastosowanie wkładek z materiału izolacyjnego. Jak widać z przedstawionego poniżej porównania bilansu energii oba te kierunki, nastawione tylko na wzrost oporu cieplnego elementów, czyli na zmniejszenie strat cieplnych, są znacznie mniej efektywne niż rozwiązania zmierzające również do zwiększenia zysków energii od słońca.

Droga do tego celu prowadzi przez zmniejszenie wysokości ramy i futryny, które stanowią najsłabszy termicznie obszar okien, nie tylko dlatego, że zwykle mają mniejszy opór termiczny niż zestaw szyb, ale przede wszystkim dlatego, że w odróżnieniu od szyb, jako nieprzezroczyste, nie przepuszczają energii słonecznej. W tradycyjnych oknach ramy i framugi stanowią dużą część całego otworu okiennego, zwykle 25%-40% powierzchni. Wysokość tych dwóch elementów wynika z tradycyjnie nadawanej im funkcji nośnej skrzydła okna oraz strefy mocowania uszczelek. W naszym rozwiązaniu obie te funkcję pełni zestaw szyb. Fragmenty ramy, nie połączone konstrukcyjnie ze sobą, są naklejane na szybę. Do nich mocowane są okucia i zawiasy. Do zestawu szyb przyklejany jest również element stanowiący jednocześnie zestaw uszczelek i zewnętrzny okapnik ramy oraz jej izolację termiczną. W efekcie nieprzezroczyste części okna są zmniejszone o ponad połowę.

Opór cieplny ramy i futryny też został radykalnie zwiększony. Uzyskaliśmy to przez dodanie im izolacji wykonanej z aerożelu. Jest to nowy materiał, używany w sondach kosmicznych do wychwytywania pyłu międzyplanetarnego. Jego opór cieplny jest 3 do 4 razy większy od tradycyjnych materiałów izolacyjnych, styropianu czy spienionego poliuretanu.

10

Nasze okna mają wybitnie dodatni bilans energii w sezonie grzewczym dla wszystkich orientacji. Projekt został zgłoszony w Urzędzie Patentowym. Obecnie jest on na etapie wdrażania do produkcji.