The energy concept of the building as a part of sustainable construction

2017

1(49)

DOI: 10.5277/arc170108

Natalia Fidorów-Kaprawy*, Maria Kostka*,

Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa*, Krzysztof Piechurski*

Koncepcja energetyczna budynku

jako element budownictwa zrównoważonego

The energy concept of the building as a part of sustainable construction

Wstęp

Rozwój cywilizacji najczęściej niesie ze sobą negatyw-

ne oddziaływanie na otaczające nas środowisko. W celu

przeciwdziałania takiej sytuacji od wielu lat podejmowa-

ne są starania, aby rozwój ten przebiegał w sposób zrów-

noważony. W wielu dziedzinach życia idea ta nabiera

coraz większego znaczenia, ponieważ coraz wyraźniej

widać, że brak poszanowania zasobów skutkować będzie

ich decytem w przyszłości. Taka sytuacja zobowiązuje

do przemyślanego gospodarowania zasobami środowiska,

ponieważ zgodnie z denicją zawartą w raporcie Brund-

tland: Zrównoważony rozwój to rozwój, który zaspokaja

potrzeby współczesnych bez naruszania możliwości zaspo-

kojenia potrzeb przyszłych pokoleń [1, s. 41]. Idea racjo-

nalnego gospodarowania zasobami jest obecnie związana

również z budownictwem. Pojęcie budownictwa zrówno-

ważonego jest bardzo szerokie, a jednym z jego aspektów

jest problem energochłonności budynków. Pojęcia budyn-

ków energooszczędnych, pasywnych czy blisko zeroener-

getycznych są często używane, także przez osoby nie-

znające ich precyzyjnych denicji. Profesjonaliści na co

dzień zajmujący się projektowaniem zarówno budynków,

jak i instalacji umożliwiających ich użytkowanie zdają

sobie sprawę, że zaprojektowanie obiektu o niskim zuży-

ciu energii jest skomplikowane. Nie dla każdego jest jed-

nak oczywiste, że o energii, którą pochłonie użytkowanie

Introduction

Development of civilisation most often results in a neg-

ative inuence on the environment which surrounds us.

In order to counteract this situation, for many years ef-

forts have been made for this development to take place

in a sustainable way. In many areas of life, this idea is

becoming increasingly important because it can be clear-

ly seen that the lack of respect for resources will result

in their decit in the future. This situation obliges us to

the considered management of environmental resources

because according to the denition in Brundtland report,

[…] sustainable development is a development that meets

the needs of contemporary man without violating possibil-

ities to satisfy the needs of future generations [1, p. 41]. At

present, the idea of reasonable management is also associ-

ated with the construction industry. The concept of sus-

tainable construction is very broad and one of its aspects

is the problem of energy consumption of buildings. The

terms of energy efcient buildings, passive or nearly zero-

energy are also often used by people who do not know

their precise denitions. Professionals who every day deal

with designing buildings as well as installations which en-

able the usage of them are aware of the fact that designing

an object with low energy consumption is complicated.

However, it is not clear for everybody that the energy

which is supposed to be consumed in the building should

be taken into account much earlier than at the stage of

selecting the construction materials or purchasing a heat-

ing device. The existing approach to the process of de-

signing buildings, especially single-family ones, which is

* Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej/

Faculty of Environmental Engineering, Wrocław University of Science

and Technology.

116 Natalia Fidorów-Kaprawy, Maria Kostka, Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa, Krzysztof Piechurski

budynku, należy zacząć myśleć zdecydowanie wcześniej

niż na etapie wyboru materiałów budowlanych czy zaku-

pu urządzenia grzewczego. Dotychczasowe podejście do

projektowania budynków, szczególnie jednorodzinnych,

oparte na następujących po sobie etapach, nie jest w stanie

wyjść naprzeciw nowym wyzwaniom stawianym branży

budowlanej [2]. Zdaniem autorów, bez koncepcji energe-

tycznej budynku poprzedzającej etap projektowania nie

można mówić o budownictwie zrównoważonym.

Wyzwania stawiane współczesnym budynkom

Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE

z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki ener-

getycznej budynków [3] zakłada dążenie do stanu, w któ-

rym wszystkie nowo powstające budynki będą blis ko ze-

roenergetyczne. Nie deniuje ona w sposób pre cyzyj ny

pojęcia zeroenergetyczności. Zasadniczo jest to słuszne

podejście ze względu na to, iż kraje Unii Europejskiej (UE)

charakteryzują się dużym zróżnicowaniem klimatycznym

oraz stanu rozwoju gospodarczego. Skutkiem tego zupełnie

inne wyzwania stawiane są przed projektantami budynków

w Hiszpanii i w Polsce. Różne są również koszty budowy

i eksploatacji budynków, a więc efekty ekonomiczne, któ-

re dla wielu stanowią jedno z najistotniejszych kryteriów

dotyczących budowy domu. Pojęciem, które in tegruje cele

stawiane przed budownictwem, zarówno ener getyczne,

ekonomiczne, społeczne, jak i środowiskowe jest budow-

nictwo zrównoważone. Prób zdeniowania budownictwa

zrównoważonego podjęto wiele [2], [4]–[6].

Przykłado-

wo: budownictwo zrównoważo ne to działalność człowie-

ka związana z projektowaniem i wznoszeniem obiektów

budowlanych przy wykorzystaniu cech właściwych dla

zrównoważonego rozwoju, w szczególności przejawiają-

ca się dbałością o środowisko naturalne oraz oszczędne

gospodarowanie surowcami w całym cyklu budowlanym:

począwszy od projektu, poprzez prace konstrukcyjne, użyt -

kowanie budynku (właściwe wykorzystanie, prace re mon-

towe, konserwatorskie i modernizacyjne), aż do jego roz-

biórki [7]. Taka denicja obejmuje bardzo szeroki za kres

problemów związanych z procesem budowy i eksploatacji.

W niniejszym opracowaniu autorzy zajmują się fragmen-

tem tego zagadnienia, czyli koncepcją energetyczną obiek-

tu, w obszarze efektywności energetycznej najważniejsze

cechy budownictwa zrównoważonego deniując jako:

–

zapewnienie użytkownikowi budynku komfortu zgod

nego z jego oczekiwaniami;

–

ograniczenie strat ciepła zimą i ochrona przed nadmier-

nymi zyskami ciepła w okresie lata, co powinno po zwolić

na zmniejszenie zapotrzebowania na energię użyt kową do

ogrzewania do wartości nieprzekraczającej 60 kWh/m

rok

oraz znaczące ograniczenie lub zniwelowanie potrzeby

klimatyzowania obiektów latem (w polskim klimacie);

– maksymalne wykorzystanie światła naturalnego, co

pozwoli na zmniejszenie zużycia energii do oświetlania

pomieszczeń;

– dopasowanie źródeł energii odnawialnej tak, aby za-

pewnić zeroenergetyczność budynków;

– ograniczenie skomplikowania systemów do niezbęd-

nego minimum.

based on successive stages, is not capable of meeting new

challenges of the construction industry [2]. In the authors’

opinion, without a pre-design energy concept of a build-

ing, it is impossible to talk about sustainable construction.

Challenges which must be met

by modern buildings

The Directive of the European Parliament and of the

European Council 2010/31/EU dated May 19, 2010 on the

energy characteristic of buildings [3] aims at achieving

a state in which all newly erected buildings will be nearly

zero-energy buildings. It does not dene precisely the

notion of zero-energy. Basically, it is the right approach

due to the fact that the EU countries are characterised by

a great diversity of climates and economic development

states. Consequently, completely different challenges must

be met by designers of buildings in Spain and in Poland.

Also the costs of construction and operation of buildings

are different, i.e. economic effects which for many people

constitute one of the most important criteria as regards

the house construction. The concept which integrates the

goals set for the construction industry, namely energetic,

economic, social, and environmental is sustainable con-

struction. There have been many attempts to dene sus-

tainable construction [2], [4]–[6]. For example, sustain-

able construction is a human activity which is connected

with designing and constructing buildings by taking ad-

vantage of features specic to sustainable development,

particularly manifested in care for the environment and

economical use of raw materials throughout the construc-

tion cycle, i.e. starting from a design, through construction

works, operation of a building (proper use, refurbishment,

restoration and modernisation works) until its demolition

[7]. This denition covers a very wide range of problems

connected with the process of construction and operation

of buildings. In this study, the authors are dealing with

a fragment of this issue, namely the energetic concept of

an object. Hence, in the area of energy efciency the most

important features of sustainable construction are dened

in the following way:

– providing the users of a building with comfort ac-

cording to their expectations;

– reduction of heat losses in winter and protection

from excessive heat gains in summer, which should en-

able a reduction in the demand for usable energy for heat-

ing up to a value not exceeding 60 kWh/m

per year and

a signicant reduction or eliminating the need for air con-

ditioning of buildings in summer (in the Polish climate);

– maximum use of natural light, which will reduce en-

ergy consumption for lighting rooms;

– adjusting renewable energy sources in order to pro-

vide zero-energy usage of buildings;

– limiting the complexity of systems to a minimum.

At the same time, it should be noted that design-

ing such objects requires inter-branch cooperation [2],

[8]. Single-family houses, for which a design process in

many cases constitutes a complete contradiction to a sus-

tainable design or an energy effects oriented design, are

a particular problem in this eld. To meet the tastes of

Koncepcja energetyczna budynku/The energy concept of the building 117

Jednocześnie należy zauważyć, iż zaprojektowanie ta-

kiego obiektu wymaga współpracy międzybranżowej [2],

[8]. Szczególnym problemem są w tym zakresie domy

jednorodzinne, dla których proces projektowania w wielu

przypadkach jest całkowitym przeciwieństwem projekto-

wania zrównoważonego czy projektowania nastawionego

na efekty energetyczne. Często jedynym celem projektu

jest sprostanie gustom inwestora. Nie są podejmowa-

ne nawet próby przekonania go do rozwiązań bardziej

efektywnych czy rezygnacji z pewnych detali architek-

tonicznych na rzecz np. zwiększenia udziału odnawial-

nych źródeł energii w budynku. Niestety nie sprzyja temu

ekonomia inwestycji stawiana jako główny wyznacznik

podczas podejmowania decyzji o źródłach energii dla bu-

dynku. Brakuje w społeczeństwie świadomości, że każdy

dom z osobna jest elementem składającym się na rozwój

zrównoważony, a podejmowane w trakcie projektowania

i eksploatacji decyzje są ważne dla dobra społecznego.

Tradycyjne a zintegrowane

podejście do projektowania

W ujęciu tradycyjnym pomiędzy koncepcją powstającą

w umyśle architekta a gotowym projektem budynku jest

droga składająca się z osobnych etapów. Każdy z nich

polega na wykonaniu projektu przez specjalistę z innej

branży. Najpierw projektowana jest bryła i określane są

funkcje, jakie ma pełnić budynek. Następnie wybierane

są materiały i projektuje się konstrukcję. Dopiero w kolej-

nym kroku wylicza się zapotrzebowanie na moc, energię

czy ilość powietrza wentylującego oraz szacuje się zuży-

cie wody. Jednym z ostatnich etapów jest zaprojektowanie

instalacji elektrycznej, oświetlenia czy rozprowadzenia

pozostałych mediów. Taki sposób projektowania stwarza

wiele problemów, jeżeli wynikiem pracy ma być budynek

energooszczędny i spełniający założenia idei zrównowa-

żonego rozwoju. Problemy projektowania tradycyjnego

mają dwie główne przyczyny. Pierwszą z nich jest eta-

powość procesu, która powoduje, że część rozwiązań nie

może być wykorzystana ze względu na wcześniej podjęte

decyzje. Drugim źródłem problemów jest specjalizacja

branżystów, czyli posiadanie przez nich szerokiej wiedzy

w wąskim zakresie, a więc czasem brak świadomości ist-

nienia rozwiązań możliwych do zastosowania, a bardzo

często brak wiedzy na temat warunków wprowadzenia

rozwiązania innej branży [8].

Przykłady problemów wynikających z takiego podej-

ścia można mnożyć. W koncepcji bryły budynku często

nie uwzględnia się jego potrzeb energetycznych, możli-

wości zastosowania odpowiednich rozwiązań konstruk-

cyjnych czy prowadzenia instalacji. Jednocześnie insta-

lacje, które mają zapewnić odpowiednie funkcjonowanie

budynku, często pogarszają jego estetykę. Dzieje się tak,

ponieważ decyzje w procesie projektowania są podej-

mowane osobno przez specjalistów z różnych dziedzin,

stosownie do posiadanej wiedzy, co niejednokrotnie skut-

kuje nieporozumieniami. Proces tworzenia prowadzony

w ten sposób jest czasochłonny i kosztowny, ponieważ

dokumentacja często musi być korygowana ze wzglę-

du na niedostrzeżone w porę potrzeby. Efektem takiego

the investor often constitutes the only goal of the project.

No attempts are taken in order to convince the investor to

use more effective solutions or to eliminate certain archi-

tectural details in favour of, e.g. increasing the share of

renewable energy sources in the building. Unfortunately,

the investment economy taken into account as the main

determinant when making decisions upon energy sources

for a building is not conducive to this. There is a lack of

awareness in the society that each house individually is

an element of sustainable development and the decisions

taken during designing and then operation are important

for social good.

Traditional and integrated

approaches to designing

In traditional terms, between the concept formulated in

the architect’s mind and a nal design of a building there is

a way consisting of separate stages. Each of them involves

carrying out the project by a specialist from ano ther sec-

tor. First, the body is designed and then the func tions that

a building is supposed to perform. Next, materials are se-

lected and the structure is designed. It is not until the next

step that power, energy or the amount of ventilating air

are calculated and water consumption is estimated. One

of the last stages consists in designing electrical installa-

tions, lighting or distribution of other media. This way of

designing causes many problems if the result of the work

is supposed to be an energy efcient building which will

meet the assumptions of sustainable development. Prob-

lems of traditional designing stem from two main reasons.

The rst of them is a stage character process which results

in the fact that some of the solutions cannot be used due

to the decisions taken previously. The second source of

problems is specialization of sector pro fessionals, name ly

their extensive knowledge in a narrow range, which some-

times results in the lack of awareness of the existence of

possible solutions to be used and very often the lack of

knowledge about conditions as regards the implementa-

tion of another industry solutions [8].

Examples of problems arising from such an approach

can be numerous. The concept of the building body rarely

takes into account its energy needs, possibilities of using

appropriate structure solutions or xing installations. At

the same time, the installations which are supposed to

provide the proper functioning of the building often de-

te riorate its aesthetics. This is due to the fact that dur-

ing the design process decisions are taken separately by

spe cialists in various elds, according to their acquired

know ledge, which often results in misunderstandings. The

de sign process, which is carried out in this manner, is time

con suming and expensive because documentation must

often be corrected in view of the needs that were not con-

sidered in time. The result of this approach is a product

which does not satisfy any of the involved parties. In such

cir cumstances, it is impossible to talk about sustainable,

en vironmentally friendly or energy efcient construction.

An alternative to traditional design is integrated design

– this idea was launched in Canada, America and Western

Europe countries, but it is also present in Polish source

118 Natalia Fidorów-Kaprawy, Maria Kostka, Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa, Krzysztof Piechurski

podejścia jest produkt, z którego nie jest zadowolona żad-

na z zaangażowanych branż. W takich okolicznościach

nie sposób mówić o budownictwie zrównoważonym, eko-

logicznym czy energooszczędnym.

Alternatywą dla projektowania tradycyjnego jest pro-

jektowanie zintegrowane – idea zainicjowana w Kanadzie,

USA i krajach Europy Zachodniej, ale obecna również

w polskiej literaturze przedmiotu [2], [8]. Koncepcja ta za-

kłada ścisłą współpracę między specjalistami wszystkich

branż. W nowym sposobie planowania budynków prefe-

ruje się holistyczne podejście do projektowanego obiektu.

Decyzje podejmowane są współbieżnie, a ich konsekwen-

cje są omawiane przez cały zespół. Wszyscy uczestnicy

tego procesu uczą się wpływu własnych działań na pro-

dukt końcowy, wspólnie biorą i ponoszą odpowiedzialność

za podejmowane decyzje. Rekonguracja procesu powo-

duje, że staje się on bardziej efektywny. Czas potrzebny na

powstanie produktu w postaci gotowej koncepcji lub pro-

jektu skraca się, za czym idzie obniżenie kosztów procesu.

Sam efekt pracy również jest nieporównywalnie lepszy. Ze

względu na to, iż wszystkie cechy i funkcje budynku są

brane pod uwagę od samego początku, projekt zbliża się

do doskonałości w wielu aspektach. Przy takim podejściu

łatwiej o stworzenie budynku energooszczędnego, pasyw-

nego, ekologicznego czy blisko zeroenergetycznego o wy-

sokich walorach estetycznych, a przy tym funkcjonalnego

przy relatywnie niewielkich kosztach.

Założenia energetyczne

w budynkach jednorodzinnych

Źródła energii

Koncepcja energetyczna budynku jednorodzinnego po-

winna powstawać jednocześnie z jego architekturą. Część

rozwiązań instalacyjnych nie potrzebuje co prawda spe-

cjalnej uwagi architekta, jednak są takie, których popraw-

ne funkcjonowanie czy też sprawne wkomponowanie

w obiekt jej wymaga.

Wybór źródła energii powinien odbywać się w powią-

zaniu z otoczeniem budynku, informacjami o dostępnych

mediach i potencjale możliwych do wykorzystania odna-

wialnych źródeł energii oraz w dopasowaniu do rozwią-

zań systemu ogrzewania czy systemu wentylacji. Jest to

zgodne z ideą zrównoważonego rozwoju, na co wskazują

branżowe publikacje [2], [4], [9]–[11].

Ogólne założenia koncepcji energetycznej

Budynki stawia się przede wszystkim dla korzystają-

cych z nich użytkowników. W pierwszym kroku należy

określić, jakie funkcje będzie pełnił projektowany obiekt

i jaka będzie docelowa liczba osób z niego korzystają-

cych. Kolejnym ważnym założeniem jest przyjęcie jego

standardu energetycznego. Odnosząc to zagadnienie do

budynków blisko zeroenergetycznych, należy zrozumieć,

w jakim ujęciu budynek można za taki uznać. Zasadniczo

w budynku należy wyróżnić: zapotrzebowanie na energię

użytkową, zapotrzebowanie na energię końcową i zapo-

trzebowanie na energię pierwotną nieodnawialną [12].

literature [2], [8]. This concept involves close cooperation

between specialists in all branches. In the new method

of planning buildings a holistic approach to a designed

object is preferred. Decisions are taken concurrently and

their consequences are discussed by the whole team.

All participants in this process learn about the inuence

of their own actions on the nal product, they together

take and bear responsibility for the decisions which are

made. Reconguration of the process makes it more ef-

cient. The time required for the formation of the prod-

uct in the form of a ready concept or design is reduced,

and con sequently, the costs of the process are lowered.

The nal effect of the work is also incomparably better.

Due to the fact that all features and functions of the build-

ing are taken into account from the very beginning, the

de sign reaches perfection in many aspects. Following

this approach, it is easier to create an energy efcient,

passive, environmentally friendly or nearly zero-energy

building of high aesthetic values, yet functional at rela-

tively low costs.

Energy assumptions

in single-family buildings

Sources of energy

The energy concept of a single-family building should

be formed simultaneously with its architecture. A part of

installation solutions in fact does not require special atten-

tion of the architect, however, there are some parts whose

correct functioning or efcient integration into the object

requires the architect’s attention.

The choice of the energy source should take place in

connection with the building surroundings, information

about available media and the potential of renewable en-

ergy sources possible to be used as well as with adapting

the heating system or ventilation system to the solutions.

It is consistent with sustainable development, which is in-

dicated by professional publications [2], [4], [9]–[11].

General assumptions of the energy concept

Buildings are primarily erected for people who use

them. The rst step is to determine the functions a de-

signed object will perform and the target number of peo-

ple who will use it. Another important objective is the

adoption of the energy standard. Referring this issue to

nearly zero-energy buildings, it should be understood in

what terms the building can be considered as such. Ba-

sically, the following aspects should be distinguished in

a building: a demand for usable energy, for nal energy

and for non-renewable primary energy [12].

A zero-energy property of a building can be demon-

strated at the level of a non-renewable primary energy de-

mand because every building needs usable energy and -

nal energy for heating (for example, through heating from

internal gains and from the sun as it occurs in the case of

passive buildings) as well as for preparing domestic hot

water. However, a demand for usable energy should be

denitely minimised and aimed at reaching a low-energy

Koncepcja energetyczna budynku/The energy concept of the building 119

Zeroenergetyczność budynku może zostać wykazana

na poziomie zapotrzebowania na energię pierwotną nie-

odnawialną, ponieważ każdy budynek potrzebuje energii

użytkowej i końcowej do ogrzewania (choćby poprzez

ogrzewanie od zysków wewnętrznych i od słońca, jak ma

to miejsce w przypadku budynków pasywnych) oraz do

przygotowania ciepłej wody użytkowej. Zdecydowanie

należy jednak minimalizować zapotrzebowanie na ener-

gię użytkową, osiągając standard niskoenergetyczny czy

pasywny, oraz minimalizować zapotrzebowanie na ener-

gię końcową poprzez stosowanie wysokoefektywnych

systemów grzewczych. Aby osiągnąć standard zeroener-

getyczny, powinniśmy dążyć do wytwarzania tej energii

w całości lub w jak największej części z zastosowaniem

systemów wykorzystujących odnawialne źródła energii.

Różne mogą być klasykacje zeroenergetyczności

budynku. Najistotniejsza to: budynki zeroenergetyczne

w cyklu rocznym i budynki autonomiczne [13]. Pierwsze

z nich to takie, które wykorzystują energię pierwotną nie-

odnawialną, jednak w pewnych sprzyjających okresach

roku pozyskują energię odnawialną w ilości umożliwia-

jącej zbilansowanie jej niedoborów w okresach nieko-

rzystnych. Budynki autonomiczne z kolei wyposażone są

w systemy umożliwiające ich poprawne funkcjonowanie

w każdym momencie wyłącznie w oparciu o pozyskaną

i zmagazynowaną energię odnawialną. W polskich warun-

kach klimatycznych wykonanie budynków autonomicz-

nych jest dosyć skomplikowane i kosztowne ze względu

na długie okresy znacznego zużycia energii, a co za tym

idzie konieczność jej długotrwałego magazynowania.

Tworząc koncepcje energetyczne zaprezentowane

w dalszej części artykułu, podjęto próbę opisania dwóch

systemów spełniających kryterium blisko zeroenergetycz-

ności w cyklu rocznym. Jest to rozwiązanie dużo bardziej

dostępne nansowo. Jeden z proponowanych systemów

ma postawione zadania spełniania kryterium dostępności

nansowej dla szerokiego grona odbiorców. Drugi system,

rozbudowany o dodatkowe elementy, jest droższy, ale za-

pewni docelowo niższe koszty eksploatacji i korzystniej-

szy bilans energii pierwotnej nieodnawialnej. Możliwych

źródeł ciepła jest wiele. Do dalszych rozważań wybrano

przede wszystkim powietrze i energię słoneczną jako wła-

ściwie nieskończone, powszechnie dostępne oraz atrak-

cyjne nansowo.

Zalety i wady

poszczególnych systemów instalacyjnych

mających zastosowanie w budynku

Pompa ciepła powietrze–woda

Sprężarkowe pompy ciepła to urządzenia, które pobie-

rają energię ze źródła o niskiej temperaturze i oddają do

odbiornika o wyższej temperaturze. Transfer ciepła jest

możliwy dzięki szeregowi przemian termodynamicznych

czynnika zachodzących w zamkniętym obiegu i wyma-

gających dostarczenia energii elektrycznej do sprężarki.

Efektywność pompy ciepła opisuje współczynnik COP

(ang. Coefcient of Performance), który jest stosun kiem

uzyskanego ciepła do włożonej energii elektrycznej.

or passive standard as well as a demand for nal energy

through the application of high-efciency heating systems

should be minimised. To achieve a zero-energy standard,

we should strive to produce this energy in whole or as

much as possible with the application of systems which

use renewable energy sources.

There might be different classications of a zero-

energy standard of a building. The most important are

zero-energy buildings on a yearly cycle and autonomous

buildings [13]. The former are those which use non-re-

newable primary energy, however, in certain favourable

periods of the year they collect renewable energy in the

amount which makes it possible to balance its shortages

during unfavourable periods. Autonomous buildings, in

turn, are equipped with systems which enable their cor-

rect functioning at any time exclusively on the basis of

the collected and stored renewable energy. In the Polish

climate conditions, construction of autonomous buildings

is rather complicated and expensive due to long periods of

considerable energy consumption and thus the need for its

long-term storage.

Formulating energy concepts, which are presented in

further parts of the article, the authors made an attempt to

describe two systems that meet the criterion of the close

zero-energy standard on a yearly cycle. This solution is

much more accessible nancially. One of the proposed

systems is supposed to meet the criterion of nancial ac-

cessibility for a wide range of recipients. The second sys-

tem, developed with additional elements, is more expen-

sive, but it will eventually provide lower operating costs

and a more favourable balance of non-renewable primary

energy. There are many possible sources of heat. For fur-

ther considerations, primarily air and solar energy have

been selected, which are virtually innite, widely avail-

able and nancially attractive.

Advantages and disadvantages of

individual installation systems

to be applied in a building

Air-to-water heat pump

Compression type heat pumps are devices that collect

energy from a source with a low temperature and trans-

fer it to the receiver with a higher temperature. The heat

transfer is possible due to a series of thermodynamic

changes of the agent, which take place in a closed loop

and require the supply of electrical energy to the compres-

sor. The efciency of the heat pump is described by the

Coefcient of Performance (COP), which is a ratio of the

obtained heat to the electrical energy input. The value of

this pa rameter depends on many factors. One of them in-

cludes temperatures of the source and the heat collector

– the closer they are to each other, the higher the coef-

cient [14]. In air-to-water heat pumps, where energy is

collected from the outside air and transferred to the central

heating installation or a tube coil in the domestic hot water

tank, the temperature difference between the source and

the receiver can be signicant, which adversely affects

the efciency of the solution. The temperature difference

120 Natalia Fidorów-Kaprawy, Maria Kostka, Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa, Krzysztof Piechurski

Wartość tego parametru zależy od wielu czynników. Jed-

nym z nich są temperatury źródła i odbiornika ciepła – im

bliższe sobie, tym współczynnik jest wyższy [14]. W pom-

pach ciepła powietrze–woda, gdzie energia czerpana jest

z powietrza zewnętrznego i przekazywana do instalacji

centralnego ogrzewania lub wężownicy w zasobniku

wody użytkowej, różnica temperatury między źródłem

a odbiornikiem potra być znaczna, co niekorzystnie

wpływa na efektywność rozwiązania. Różnicę tempera-

tury można ograniczać poprzez zastosowanie wielu roz-

wiązań polegających na obniżeniu parametrów w punk-

cie odbioru energii oraz ich podwyższeniu w punkcie jej

poboru. Przede wszystkim instalacja odbiorcza powinna

być w miarę możliwości niskotemperaturowa. Przy cen-

tralnym ogrzewaniu najprościej jest zastosować instalację

płaszczyznową, np. podłogową lub ścienną. Należy jed-

nak pamiętać, że łatwość obniżenia parametrów pracy na

cele centralnego ogrzewania nie dotyczy instalacji przy-

gotowania ciepłej wody użytkowej, dla której minimalne

temperatury zasilania wahają się w granicach 55–65°C.

Inną możliwością poprawy efektywności systemu jest

podwyższenie temperatury powietrza zasilającego pompę

ciepła, np. przez zastosowanie gruntowego wymiennika

ciepła, podmieszanie powietrza z wywiewu wentylacji

bądź pobranie energii do podgrzania powietrza z innego

źródła – np. magazynu energii. Podobnie jak ze spadkiem

temperatury powietrza zasilającego pompę ciepła spa-

da jej efektywność, spada również jej moc. Prawidłowo

dobrane urządzenie powietrze–woda wykazuje niedobór

mocy przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych.

Najczęściej kompensuje się go grzałką elektryczną. Do-

bór pompy ciepła na pełną moc powodowałby duży jej

nadmiar przez większość roku, a koszt zakupu przewy-

miarowanej jednostki byłby większy. Tak dobrane pompy

ciepła źle pracują – ze względu na dużą liczbę włączeń

i wyłączeń spada efektywność urządzenia i żywotność

sprężarki [14]–[16]. Grzałka jest potrzebna również dlate-

go, że pompy ciepła powietrze–woda można uruchamiać

tylko do pewnej określonej temperatury zewnętrznej (za-

leżnie od typu między –15 a –25°C), poniżej tej tempe-

ratury możemy użyć tylko grzałki. Te problemy również

można rozwiązać poprzez podniesienie temperatury po-

wietrza zasilającego urządzenie tak, aby jego moc była

wystarczająca dla budynku nawet w skrajnych warunkach

atmosferycznych. Nadwyżki mocy pompy ciepła można

wykorzystać, kierując część ciepła do długoterminowe-

go magazynu, w celu jej wykorzystania podczas niskich

temperatur zewnętrznych. Niemniej prawidłowo dobrana

pompa ciepła powietrze–woda będzie pracować z wysoką

średnioroczną efektywnością, m.in. ze względu na małą

częstotliwość występowania ekstremalnie niskich tempe-

ratur zewnętrznych w polskich warunkach klimatycznych

[16]. Zastosowanie pompy ciepła korzystającej z powie-

trza zewnętrznego nie wymaga budowy kosztownej insta-

lacji dolnego źródła ciepła w postaci wymiennika grun-

towego (poziomego lub pionowego), co poza niższym

kosztem inwestycyjnym skutkuje również możliwością

zastosowania w większej liczbie budynków niż w przy-

padku np. pomp ciepła gruntowych. Z perspektywy zrów-

noważonego rozwoju zaletą pomp ciepła powietrze–woda

can be reduced by using a number of solutions such as

reducing parameters at the energy intake place and in-

creasing them at the place of its consumption. First of all,

the intake installation should be possibly low temperature

type. In the case of the central heating a radiant installa-

tion is the easiest to apply, e.g. in the oor or wall. How-

ever, it should be noted that the easiness of reducing work

parameters for the purposes of central heating does not re-

fer to the installations of preparing domestic hot water for

which the minimum supply temperatures range between

55–65°C. Another possibility to improve the efciency of

the system is to increase the temperature of the heat pump

supply air, for example, by the application of a ground

heat exchanger, mixing exhaust air from the ventilation

system or the energy intake to heat the air from another

source, for example, from the energy storage. Similarly

to the decline of efciency of the heat pump that occurs

along with the decrease in the supply air temperature,

its power also decreases. A correctly selected air-water

device indicates deciency of power at very low outside

temperatures. It is most often compensated by an electric

heater. Selecting a full power heat pump would cause

a large surplus for most of the year and the cost of buying

oversized unit would be higher. The heat pumps which

are selected in this way work badly, i.e. due to a large

number of turns on and turns off the efciency of the

device and the compressor life decreases [14]–[16]. An

electrical heater is also necessary because air-water heat

pumps can work only up to certain specied outside tem-

perature (depending on the type between –15 and –25°C),

below this temperature we can use an electrical heater

only. These problems can also be solved by raising the

temperature of the air which supplies a device so that its

power would be sufcient for a building, even in extreme

weather conditions. Power surpluses of the heat pump can

be used by means of directing part of the heat to a long-

term storage in order to take advantage of it during low

outdoor temperatures. Nevertheless, a properly selected

air-water heat pump will work with high average annual

efciency, inter alia, due to a low frequency of extremely

low outside temperatures in the Polish climate conditions

[16]. Applying a heat pump, which uses outside air, does

not require the construction of an expensive installation

of the low heat source in the form of a ground exchanger

(horizontal or vertical), which apart from a lower invest-

ment cost also results in the possibility of applying it in

a larger number of buildings than, for example, in the

case of ground heat pumps. From the perspective of sus-

tainable development, the advantage of air-to-water heat

pumps is also the lack of ground exchanger installation,

the construction of which means additional consumption

of materials and energy, interference in the environment

(soil) and the application of the additional heat exchange

factor (water glycol solution).

Thermal energy storage

Storage of thermal energy is used to eliminate negative

effects of incoherence between temporary performance

or efciency of the heat source and energetic needs of

Koncepcja energetyczna budynku/The energy concept of the building 121

jest również brak instalacji wymiennika gruntowego, któ-

rego budowa oznacza zużycie dodatkowych materiałów

i energii, ingerencję w środowisko (grunt) i zastosowanie

dodatkowego nieobojętnego dla środowiska czynnika wy-

miany ciepła (wodny roztwór glikolu).

Magazyn energii cieplnej

Magazynowanie energii cieplnej służy niwelowaniu

ne gatywnych skutków niekoherencji pomiędzy chwilową

wydajnością czy efektywnością źródła ciepła a potrzeba-

mi energetycznymi odbiorników ciepła (w naszym przy-

padku budynków). Szczególnie często magazynowanie

energii wiąże się z korzystaniem ze źródeł odnawialnych,

ponieważ ich dostępność niejednokrotnie nie pokrywa się

czasowo z zapotrzebowaniem budynku na energię. Bar-

dzo ważnym aspektem, który należy uwzględnić, jeżeli

chce się korzystać z magazynowania ciepła, jest określe-

nie odpowiedniej wielkości magazynu oraz ograniczenie

jego strat ciepła. Magazyn niedopasowany do potrzeb

czy wykazujący straty ciepła na wysokim poziomie może

bardziej zaszkodzić efektywnej pracy instalacji niż jej

pomóc. W zależności od potrzeby magazyny mogą być

krótko- lub długoterminowe. Krótki okres magazynowa-

nia mieści się w granicach od kilku godzin do maksymal-

nie kilku dni, natomiast magazynowanie długoterminowe

w technice instalacyjnej najczęściej jest równoważne

magazynowaniu sezonowemu, co oznacza, że energię

należy zmagazynować na okres niemalże roku. W bu-

dynkach standardowych, energooszczędnych czy nawet

pasywnych magazyny długoterminowe, z pewnymi wy-

jątkami, zwykle nie mają zastosowania. Krótkotermino-

we magazyny stosuje się bardzo często, a najprostszym

ich przykładem są wszelkie zasobniki i pojemnościowe

podgrzewacze wody użytkowej, a także bufory w insta-

lacjach centralnego ogrzewania. Do krótkoterminowego

magazynowania energii cieplnej powszechnie używa się

wody ze względu na łatwy do niej dostęp, jej nietoksycz-

ność oraz relatywnie wysokie ciepło właściwe i gęstość

pozwalające na zgromadzenie odpowiedniej ilości energii

w niewielkiej objętości. Nie bez znaczenia jest również

fakt, iż woda jest najczęściej używanym czynnikiem obie-

gowym w instalacjach. Długoterminowe czy sezonowe

magazyny ciepła mają zastosowanie w budynkach zero-

energetycznych. Zasadniczo można zastosować instalację

przeznaczoną do ładowania magazynu przy wysokich

temperaturach zewnętrznych i dużym natężeniu promie-

niowania słonecznego i wykorzystać ją, gdy budynek ma

wysokie zapotrzebowanie na energię. Można również

gromadzić nadwyżki energii produkowane przez insta-

lacje budynkowe w lecie do uzupełnienia bilansu w zi-

mie. W budynkach mieszkalnych, ze względu na specy -

kę obiektów i względy bezpieczeństwa, stosować należy

ma gazynowanie niskotemperaturowe i pod niskim ciśnie-

niem roboczym [17]–[19]. Do magazynowania energii

można zastosować magazyn wodny, jednak ze względu

na jego wielkość (około 150 m

dla budynku opisanego

poniżej) i związane z nią trudności konstrukcyjne jest to

rozwiązanie rzadziej stosowane. Wygodniejszym rozwią-

zaniem jest żwirowy magazyn energii, w tym przypadku

heat receivers (in our case, buildings). Storage of energy

is particularly often connected with the use of renewable

sources because their availability rarely coincides in time

with a building’s demand for energy. A very important as-

pect that should be taken into consideration in the case

of heat storage is to specify an appropriate size of a stor-

age and to reduce its heat losses. A storage which is not

adapted to the needs or shows heat losses at a high level

can be more harmful than helpful for the efcient work

of the installation. Depending on the needs storages can

be short-term or long-term. A short period storage is in

the range from a few hours up to several days maximum,

whereas in the installation technology a long-term storage

is usually equivalent to seasonal storage, which means that

energy should be stored for a period of nearly one year.

Long-term storages are not usually applied, with some

exceptions, in standard, energy efcient or even passive

buildings. Short-term storages are used very often and the

simplest examples are various types of storage tanks and

capacity domestic hot water heaters as well as buffers in

central heating systems. Generally water is used for short-

term storage of thermal energy due to its easy availability,

its non-toxicity and relatively high specic heat capacity

as well as density, which allows for storing a sufcient

amount of energy in a small volume. It is worth noticing

the fact that water is the most common circulation factor

in installations. Long-term and seasonal storages of heat

can be applied in zero-energy buildings. Basically, it is

possible to apply the installation for charging a storage

at high outside temperatures and a high intensity of solar

radiation and use it when a building has a high demand for

energy. It is also possible to collect surpluses of energy,

which are produced by building installations in summer

in order to make up the balance in winter. In residential

buildings, due to the specicity of objects and safety rea-

sons, it is advisable to apply low-temperature storage and

under a low working pressure [17]–[19]. A water storage

can be applied for storing energy, however, due to its size

(approximately 150 m

for the building described below)

and related structural difculties, this solution is used less

frequently. A more convenient solution is a gravel energy

storage, in this case hidden under the building, which

collects heat from the air passing through free spaces

among the aggregate and gives back heat in the same way.

A gravel storage will need a denitely greater volume than

a water storage, but due to the available space it is not

a problem. Also for economic reasons, the application of

such a solution is preferred, since the additional expen-

diture for its preparation (excavation, lling material, in-

sulation, etc.) will not be high (part of the materials and

works is included in erecting the building foundations).

A gravel storage can also be located outside the outline

of the building and in some cases this solution is more

favourable, however, it requires some additional place on

the plot of land. A gravel storage can be used by installa-

tions which are powered by air (heat pumps, ventilation

systems), whereas for charging, installations where waste

heat is collected by air or another medium can be applied.

In the latter case the factor which collects heat should sup-

ply the air heater. It should also be kept in mind that the air

122 Natalia Fidorów-Kaprawy, Maria Kostka, Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa, Krzysztof Piechurski

ukryty pod budynkiem, pobierający ciepło z powietrza

przepływającego przez wolne przestrzenie pomiędzy kru-

szywem i oddającego ciepło w ten sam sposób. Magazyn

żwirowy będzie potrzebował zdecydowanie większej ob-

jętości niż magazyn wodny, ale ze względu na dostępną

przestrzeń nie stanowi to problemu. Także ze względów

ekonomicznych zastosowanie takiego rozwiązania jest

korzystne, ponieważ dodatkowe nakłady na jego przygo-

towanie (wykop, materiał wypełniający, izolacja itp.) nie

będą wysokie (część materiałów i prac wchodzi w skład

wykonania fundamentu pod budynek). Magazyn żwiro-

wy można także zrobić poza obrysem budynku i w nie-

których sytuacjach rozwiązanie to jest korzystniejsze,

wymaga jednak wygospodarowania dodatkowego miej-

sca na działce. Z magazynu żwirowego mogą korzystać

instalacje, które zasilane są powietrzem (pompy ciepła,

instalacja wentylacyjna), natomiast do ładowania można

wykorzystać zarówno instalacje, w których ciepło odpa-

dowe jest odbierane za pomocą powietrza, jak i innego

medium. W tym drugim przypadku czynnik odbierający

ciepło powinien zasilać nagrzewnicę powietrza. Należy

także pamiętać, że przepływ powietrza przez złoże gene-

ruje straty ciśnienia, które wpływają na wielkość wenty-

latora i ilość pobieranej przez niego energii elektrycznej.

Wielkość magazynu i wymaganą izolację, a także spręż

wentylatora należy określić podczas analiz energetycz-

nych budynku, uwzględniając charakterystykę instalacji

z nim współpracujących.

Fotowoltaika

Zasada działania ogniw fotowoltaicznych wykorzystu-

je zjawisko zyczne odkryte w XIX w. przez Alexandra

Edmonda Becquerela. W 1839 r., przeprowadzając bada-

nia opisujące zachowania ciał stałych w elektrolicie, za-

uważył on, że jeśli jedną z elektrod się naświetli, to po-

wstaje napięcie pomiędzy elektrodami. Odkrycie efektu

fotowoltaicznego zostało wówczas przez badaczy przyjęte

bardzo sceptycznie i dopiero mechanika kwantowa wyja-

śniła mechanizm działania tego zjawiska. Mimo że pierw-

sze ogniwo słoneczne zostało stworzone ponad 170 lat

temu, w roku 1844 przez Charlesa Frittsa, rozwiązanie to

nie weszło do komercyjnego użycia aż do połowy XX w.

Panel fotowoltaiczny (PV) składa się z baterii połączo-

nych ze sobą ogniw słonecznych. Systemy zasilane z pa-

neli PV można podzielić na autonomiczne („off-grid”) oraz

podłączone do sieci („on-grid”). Instalacja autonomiczna

pozwala na pracę podłączonych do niej urządzeń elek-

trycznych bez dodatkowego zasilania z zewnętrznej sieci

elektrycznej i składa się paneli PV, akumulatorów, regula-

torów ładowania i napięcia. Instalacja typu „on-grid” pełni

natomiast funkcję wspomagającą instalację elektryczną

podłączoną do budynku. Wytworzona energia może być

w tym przypadku dostarczana bezpośrednio do instalacji

wewnętrznej i urządzeń, a jej nadmiar sprzedawany jest do

sieci zewnętrznej. W przypadku niedoboru energii system

pobiera (kupuje) energię z sieci. Instalacja ta pozbawiona

jest akumulatorów, które stanowią najdroższą jej część,

jednak może być stosowana wyłącznie tam, gdzie mamy

dostęp do zewnętrznego źródła energii elektrycznej.

ow through the bed generates pressure losses which have

an inuence on the size of the fan and the amount of its

electrical energy consumption. The size of the storage and

the required insulation as well as compression of the fan

must be specied during the energy analysis of a build-

ing, taking into account the characteristics of cooperating

installations.

Photovoltaics

The principle of photovoltaic cells operation uses

a phy sical phenomenon which was discovered in the

century by Alexander Edmond Becquerel. In 1839

when carrying out the research on the behaviour of solids

in the electrolyte, he noted that if one of the electrodes is

exposed to light, then voltage occurs between the elec-

trodes. At that time the discovery of the photovoltaic ef-

fect was received very sceptically by researchers and it

was only quantum mechanics that explained the mecha-

nism of this phenomenon. Although the rst solar cell was

created over 170 years ago by Charles Fritts in 1844, this

solution did not nd its commercial application until the

mid-20

century.

A photovoltaic panel (PV) consists of a battery of in-

terconnected solar cells. Systems which are powered by

PV panels can be divided into autonomous (“off-grid”)

and connected to the network (“on-grid”). The autono-

mous installation enables the operation of electrical de-

vices connected to it without any additional power supply

from the external electrical grid and consists of PV pan-

els, batteries, charge and voltage controllers. However,

the installation of “on-grid” type performs a supporting

function to the electrical installation which is connected

to a building. The generated energy can be in this case

supplied directly to the internal installation and devices,

whereas its excess is sold to the external grid. In the case

of the energy shortage, the system consumes (buys) en-

ergy from the grid. This installation is devoid of batteries

which constitute the most expensive part of it, however, it

can be applied only where we have access to the external

electrical energy source.

Apart from an obvious electrical energy gain resulting

from the use of the photovoltaic installation, it is also pos-

sible to collect additional thermal energy. During opera-

tion of PV panels a temperature growth occurs in their en-

vironment. The highest cell efciency is obtained at their

temperature below 25°C, whereas in a summer period

when the sun directly affects their surface, they heat up

even to 70–80°C, becoming overheated up even to several

tens of degrees in relation to the surrounding temperature

[20]. The most optimal location for them should be taken

into consideration during designing. The smallest heat-up

will be achieved in the devices xed on the frame situ-

ated on the ground, where a free ow of air is provided in

their surroundings [21]. A typical location on the roof may

result in a temperature growth of over 40°C [22]. Taking

into consideration the decrease in the device efciency

and its power along with a growth of temperature [23],

[24], it is preferable to prepare a solution that will make

it possible to cool the panels and thereby increase their

Koncepcja energetyczna budynku/The energy concept of the building 123

effectiveness and use the collected waste energy for other

purposes [25]. In summer a high temperature of PV can be

used, e.g. for heating usable water. The simplest solution

would be the installation which would carry energy from

the panel environment to the tube coil in a water tank by

means of a glycol agent. Another example is the applica-

tion of waste energy for heating and ventilating a building.

A signicant increase in the temperature of cells in rela-

tion to the environment also occurs in cold periods of the

year, including winter. In spring and autumn, when heat-

ing systems already/still work, the temperature may also

increase periodically by several tens of degrees or more

when compared with the surrounding temperature. In the

case of the central heating and ventilation support, it is

also possible to use systems with a glycol agent which

transfers thermal energy from panels to, e.g. the energy

storage from where it is collected for the purposes of the

central heating installation and ventilation air heaters

operation. Another example is the construction of an air

collector which allows for heating the air that surrounds

panels and then for transferring surpluses of heat to a long-

term energy storage.

Ventilation

Ventilation systems can be divided into natural (gravi-

tational) and mechanical systems. Combinations of these

two systems are called hybrid ones. At present, natural

ventilation is most commonly applied in residential build-

ings, however, as the rules concerning energy consump-

tion of buildings are becoming stricter and the public

awareness increases, other systems are more often ap-

plied, which makes it possible to reduce energy demands

connected with the exchange of air.

A “motor” for natural ventilation is a difference be-

tween a temperature in a building and in its environment

as well as a pressure difference on the partitions. A simple

phenomenon is used here, namely oating of air of a high-

er temperature and falling of air of a lower temperature.

For this reason, in upper part of rooms where emission

of contamination occurs (e.g. moisture, odours) exhaust

openings are designed through which the used and the

warmest air ows out. In order to make a fresh air inow

possible, it is necessary to provide openings, e.g. in win-

dows in the form of small diffusers xed in their frames.

Moreover, due to the temperature difference and the wind

impact on both sides of construction partitions, a differ-

ence in pressure appears. It causes a ow of air from the

excess pressure zone (e.g. the wind pressure side) to the

negative pressure zone. This phenomenon also results in

an air outow through prepared ventilation ducts and its

movement between such openings as windows in exter-

nal walls [26]–[28]. Location of openings in one pressure

zone only (on one side of a building) causes a more dif-

cult exchange of air in internal rooms. Functioning of

natural ventilation seems to be cheap in its operation – it

does not require the application of any electrical equip-

ment, does not require any maintenance, nevertheless,

it should be remembered that in winter the warmest air

ows out from a building to the outside and in its place

Poza oczywistym zyskiem energii elektrycznej związa-

nym ze stosowaniem instalacji fotowoltaicznej możliwe

jest także pozyskanie dodatkowej energii cieplnej. Pod-

czas działania paneli PV w ich otoczeniu następuje wzrost

temperatury. Najwyższą sprawność ogniw uzyskuje się

przy ich temperaturze poniżej 25°C, tymczasem w okre-

sie letnim, kiedy słońce oddziałuje bezpośrednio na ich

powierzchnię, nagrzewają się one nawet do 70–80°C,

pod grzewając nawet o kilkadziesiąt stopni w stosunku do

temperatury otoczenia [20]. Podczas projektowania nale-

ży rozważyć najbardziej optymalną ich lokalizację. Naj-

mniejszy podgrzew uzyskany zostanie w urządzeniach

zamontowanych na stelażu na gruncie, gdzie zapewniony

zostanie swobodny przepływ powietrza w ich otoczeniu

[21]. Typowa lokalizacja na dachu skutkować może wzro-

stem temperatury o ponad 40°C [22]. Biorąc pod uwagę

spadek sprawności urządzenia i jego mocy ze wzrostem

temperatury [23], [24], korzystne jest przygotowanie roz-

wiązania, które pozwoli schłodzić panele i tym samym

zwiększyć ich efektywność, a pobraną energię odpadową

wykorzystać na inne cele [25]. W okresie letnim wysoka

temperatura PV może zostać wykorzystana np. do pod-

grzewania wody użytkowej. Najprostszym rozwiązaniem

byłaby wówczas instalacja, która za pośrednictwem czyn-

nika glikolowego przenosiłaby energię z otoczenia paneli

do wężownicy w zasobniku wody. Innym przykładem jest

wykorzystanie energii odpadowej do ogrzewania i wenty-

lacji budynku. Znaczny wzrost temperatury ogniw w sto-

sunku do otoczenia następuje także w chłodnych okresach

roku, w tym zimą. W okresie wiosennym i jesiennym,

kiedy instalacje grzewcze już/jeszcze pracują, tempera-

tura może również wzrastać okresowo o kilkanaście–kil-

kadziesiąt stopni w stosunku do temperatury otoczenia.

W przypadku wspomagania ogrzewania i wentylacji

możliwe jest także wykorzystanie instalacji z czynnikiem

glikolowym, który przenosi energię cieplną z paneli np.

do magazynu energii, skąd pobierana jest na cele pracy

instalacji c.o. i nagrzewnic wentylacyjnych. Innym przy-

kładem jest wykonanie kolektora powietrznego pozwa-

lającego na podgrzanie powietrza omywającego panele

i przekazanie tych nadwyżek ciepła do długoterminowego

magazynu energii.

Wentylacja

Systemy wentylacyjne można podzielić na systemy na -

turalne (grawitacyjne) oraz mechaniczne. Kombinacje tych

dwóch systemów nazywa się hybrydowymi. W obiektach

mieszkaniowych najczęściej wykorzystywana jest obecnie

wentylacja naturalna, jednak w miarę zaostrzania przepi-

sów dotyczących energochłonności bu dyn ków i wzrostu

świadomości społeczeństwa coraz częś ciej spotyka się

pozostałe systemy, pozwalające na zmniej szenie potrzeb

energetycznych związanych z wymianą powietrza.

„Silnikiem” dla wentylacji naturalnej jest różnica

temperatury w budynku i w jego otoczeniu oraz różni-

ca ciś nienia na przegrodach. Wykorzystywane jest tu

proste zjawisko unoszenia się powietrza o wyższej tem-

peraturze i opadania powietrza o temperaturze niższej.

Z tego powodu w górnej części pomieszczeń, w których

124 Natalia Fidorów-Kaprawy, Maria Kostka, Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa, Krzysztof Piechurski

the cold air which must be heated by the central heating

installation ows in. A disadvantage of this solution is

also its operation uncertainty – the bigger the tempera-

ture difference in a building and outside, the greater the

efciency of its functioning, therefore it requires more

heat energy. In the periods when a temperature difference

disappears or turns round, ventilation ceases to operate or

the so called reverse ows appear when the air ows into

a building through exhaust openings and transfers con-

tamination to other rooms.

In order to eliminate the problems connected with

the inow of cold air from the outside during a heating

season and to provide a continuous exchange of air in

a building, mechanical systems are becoming increas-

ingly popular in residential buildings. Their functioning

is based on ventilator work – supplying and removing air

from a building. This ensures a constant ventilation per-

formance re gardless of external conditions and enables

the use of devices which collect waste energy from the

exhaust air and transfer it to the supply air. These devices

are called ex changers for heat recovery and are decisive

in terms of legitimacy of applying mechanical systems.

In residential buildings mainly cross and counter-ow,

counter-ow and rotating exchangers are applied, and

their heat recovery efciency usually oscillates within the

range of 75–85%. The principle of designing of mechani-

cal ventilation systems for residential buildings is to sup-

ply air to the rooms for people and remove it from con-

taminated rooms [29].

In a general sense hybrid ventilation is the one that

functions as a natural system in favourable weather con-

ditions, whereas in unfavourable conditions a ventilator

which removes air and thus provides a constant exchange

of air in a building is turned on. This solution, however,

does not limit energy consumption because in winter out-

side air still ows into the rooms. A less popular approach

to hybrid systems which are applied in energy efcient

buildings is to switch ventilation between two systems,

i.e. natural and mechanical which are equipped with heat

recovery. In this solution, which is dened as mixed-mode

ventilation (MMV) [26], [30], [31], natural processes are

connected with energy savings, nevertheless, at the design

stage of a building a possibility to use forces of nature

by means of preparing gravitational ventilation ducts or

deliberate building body formation and locating openings

in its partitions should be also predicted.

Exemplary energy concepts of

a zero-energy single-family house

The main assumption of a nearly zero-energy house is

the design of architecture, structure and installation so that

a building should consume as much energy as it is able

to produce from renewable sources by means of devices

which are installed within this building and its surround-

ings. At the same time, the appropriate comfort of using

the rooms should be maintained. Moreover, a system of

automatic control should provide adequate energy balanc-

ing in a building without limiting the freedom of users.

This approach is strongly focused on efcient operation,

występuje emisja zanieczyszczeń (np. wilgoć, zapachy),

projektowane są otwory, przez które zużyte i najcie-

plejsze powietrze wypływa na zewnątrz. Aby możliwy

był napływ powietrza świeżego, niezbędne jest zapew-

nienie otworów np. w oknach w postaci niewielkich na-

wiewników montowanych w ich ramach. Ponadto na sku-

tek różnicy temperatury oraz działania wiatru po dwóch

stronach przegród budowlanych powstaje różnica ciśnie-

nia. Powoduje ona przepływ powietrza ze strefy nadci-

śnienia (np. strona naporu wiatru) do strefy podciśnienia.

To zjawisko również powoduje wypływ powietrza przez

przygotowane kominy wentylacyjne, a także jego ruch

pomiędzy otworami w ścianach zewnętrznych, np. okna-

mi [26]–[28]. Lokalizacja otworów tylko w jednej stree

ciśnie nia (po jednej stronie budynku) skutkuje utrudnioną

wymianą powietrza we wnętrzach. Działanie wentylacji

naturalnej wydaje się tanie w eksploatacji – nie wyma-

ga zastosowania urządzeń elektrycznych, nie wymaga

serwisu, pamiętać jednak należy o tym, że zimą najcie-

plejsze powietrze wypływa z budynku na zewnątrz, a na

jego miejsce wpływa zimne, które musi zostać ogrzane

przez instalację c.o. Wadą tego rozwiązania jest także

niepewność jej działania – im większa różnica tempera-

tury w budynku i na zewnątrz, tym działa ona z większą

wydajnością, a więc wymaga więcej energii grzewczej.

W okresach, kiedy różnica temperatury zanika lub od-

wraca się, wentylacja przestaje działać albo pojawiają się

tzw. ciągi wsteczne, kiedy powietrze napływa do budynku

otworami wywiewnymi i przenosi zanieczyszczenia do

pozostałych pomieszczeń.

Aby wyeliminować problemy związane z napływem

zim nego powietrza z zewnątrz w okresie grzewczym oraz

zapewnić ciągłą wymianę powietrza w budynku, w obiek-

tach mieszkaniowych na popularności zyskują sy stemy

mechaniczne. Ich działanie opiera się na pracy wen ty-

latorów – dostarczającego oraz usuwającego powietrze

z budynku. Zapewnia to stałą wydajność wentylacji nie-

zależnie od warunków zewnętrznych i pozwala na wyko-

rzystanie urządzeń pobierających energię odpadową z po-

wietrza wywiewanego i przekazujących ją do powietrza

nawiewanego. Urządzenia te nazywane są wymiennikami

do odzysku ciepła i są decydujące w kwestii zasadno-

ści stosowania systemów mechanicznych. W obiektach

mieszkalnych wykorzystuje się głównie wymienniki krzy -

żowo-przeciwprądowe, przeciwprądowe i obrotowe, a ich

sprawność odzysku ciepła waha się zazwyczaj w grani-

cach 75–85%. Zasadą projektowania systemów wentyla cji

mechanicznej dla budynków mieszkaniowych jest do pro-

wadzanie powietrza do pomieszczeń przebywania ludzi

i usuwanie go z pomieszczeń zanieczyszczonych [29].

W powszechnym rozumieniu wentylacja hybrydowa to

taka, która w momentach sprzyjających warunków atmos-

ferycznych działa jako system naturalny, natomiast w mo-

mentach niesprzyjających włącza się wentylator usuwają-

cy powietrze i tym samym zapewniający stałą wymianę

powietrza w budynku. Rozwiązanie takie nie ogranicza

jednak zużycia energii, ponieważ zimą do pomieszczeń

nadal napływa powietrze zewnętrzne. Mniej popularnym

po dejściem do systemów hybrydowych, znajdujących za sto-

sowanie w budownictwie energooszczędnym, jest przełącza-

Koncepcja energetyczna budynku/The energy concept of the building 125

nie wentylacji między systemem naturalnym i me chanicz-

nym wyposażonym w odzysk ciepła. W takim

rozwiązaniu,

określanym nazwą mixed-mode ventilation (MMV) [26],

[30], [31], łączy się procesy naturalne z oszczędnością

energii, jednak na etapie projektowania budynku należy

przewidzieć możliwość wykorzystania sił przyrody po-

przez przygotowanie kanałów wentylacji grawitacyjnej

lub przemyślane ukształtowanie bryły budynku i lokaliza-

cję otworów w jego przegrodach.

Przykładowe koncepcje energetyczne

zeroenergetycznego domu jednorodzinnego

Głównym założeniem domu blisko zeroenergetyczne -

go jest zaprojektowanie architektury, konstrukcji i insta-

lacji tak, aby obiekt zużywał tyle energii, ile jest w stanie

wyprodukować ze źródeł odnawialnych za pomocą urzą-

dzeń zainstalowanych w obrębie budynku i jego otocze-

nia. Równocześnie zachowany powinien być odpowiedni

komfort użytkowania pomieszczeń. Ponadto system au-

tomatycznej regulacji powinien zapewniać odpowiednie

bilansowanie energii w budynku, nie ograniczając przy

tym swobody użytkowników. Takie podejście jest moc-

no nastawione na efektywną eksploatację, natomiast

w mniejszym stopniu uwzględnia wpływ samego procesu

budowania i użytych materiałów na środowisko. Kryte-

rium optymalizacji projektu w tym przypadku jest ener-

gia eksploatacyjna, a celem jej bilans wynoszący zero lub

nieco na plus w ciągu roku. Jak już wspomniano, jedną

z ważnych cech koncepcji była dostępna cena rozwią-

zania. Dla wielu inwestorów jest to kluczowe kryterium.

To skłoniło autorów opracowania do przedstawienia dwóch

koncepcji realizujących cel zeroenergetyczności za sad-

niczo różnymi nakładami inwestycyjnymi i kosztami eks-

ploatacji.

Zaproponowane koncepcje energetyczne opierają się

na szacunkowych wartościach zapotrzebowania na ener gię

użytkową, końcową i pierwotną nieodnawialną. Ob licze nia

te wykonano w oparciu o metodę zgodną z Roz porządze-

niem Ministra Infrastruktury dotyczącym me to dolo gii

obli cza nia świadectw charakterystyki energe tycz nej [12].

Ceny energii elektrycznej przyjęto wed ług średniej war-

tości kosztów energii elektrycznej dla Pols ki. Sprawność

fotoogniw przyjęto na poziomie 14%. Przedstawione obli-

czenia nie mają na celu zaprezentować nal nych efektów

projektu. Są raczej przykładem, jak powinien zostać zde-

niowany jego początek. Na podobnej koncepcji powinien

opierać się projekt każdego budynku, a specjaliści po-

szczególnych branż powinni dążyć do realizacji postawio-

nych celów w zakresie efektywności energetycznej.

Koncepcja 1 –

„Dom naturalny”

Zaopatrzenie domu w energię oparte jest na pracy

pom py ciepła powietrze–woda, mającej za zadanie do-

starczyć ciepło do ogrzewania pomieszczeń oraz do przy-

gotowania ciepłej wody użytkowej na potrzeby miesz -

kańców. Schemat opisujący pracę systemu w lecie i zimie

zaprezentowano na ilustracji 1. Ciepła woda użyt kowa

whereas the inuence of the process of construction and

materials on the environment is taken into account only

to a smaller extent. In this case, a criterion for optimiz-

ing is the design operation energy and the purpose is its

balance of zero or slightly plus during the year. As it was

already mentioned, one of the important features of the

concept was an available price of the solution. For many

investors, this is a key criterion. This made the authors

of the study present two concepts pursuing a zero-energy

goal basically by means of various investment costs and

operating costs.

The proposed energy concepts are based on estimated

values of a demand for usable, nal and non-renewable

primary energy. These calculations were made on the ba-

sis of the method which is in accordance with the Regula-

tion of the Minister of Infrastructure on the methodology

of calculating certicates of energy characteristics [12].

Electrical energy prices were adapted according to the

average costs of electrical energy for Poland. Efciency

of photovoltaic cells was assumed at a level of 14%. The

presented calculations do not aim to show the nal results

of the project. They are rather an example of the way its

beginning should be dened. A design of each building

should be based on a similar concept and specialists of

particular sectors ought to pursue its goals in the scope of

energy efciency.

Concept 1 –

“Natural House”

Energy supply to the house is based on the work of

an air-to-water heat pump which is supposed to supply

heat for the rooms and prepare domestic hot water for

the needs of residents. A diagram which describes the

system operation in summer and in winter is presented

in Figure 1. Domestic hot water is stored in a capacitive

heater. A heating system constitutes the underoor heating

which is installed in high storage capacity ceilings. In the

building ventilation will be natural and periodically sup-

ported mechanically. Due to the fact that the heat pump

requires electrical energy supply, the building will be

equipped with photovoltaic cells in “on-grid” system. An

air collector, which provides photovoltaic cells with cool-

ing which in turn supply electrical energy to the building,

is also supposed to support a natural ventilation air ow

through the building. In the periods when natural ventila-

tion does not fulll its task, it is possible to start exhaust

mechanical ventilation. The presented system has a mini-

mum of components. It is very important to provide the

building with high insulation to minimize static losses.

On the one hand, natural ventilation is preferable because

it does not require electrical energy supply and does not

generate high investment costs, yet it results in the ne-

cessity to install a heat pump with adequately big power

and increases the building demand for usable energy to be

used for heating. A necessity to apply an electrical heater

should also be taken into consideration in colder periods

of the year. Electrical energy intake will therefore be quite

high. In order to compensate this, it will be necessary to

install a large area of PV cells. Most probably, for the

126 Natalia Fidorów-Kaprawy, Maria Kostka, Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa, Krzysztof Piechurski

magazynowana jest w podgrzewaczu pojemnoś ciowym.

System grzewczy stanowi ogrzewanie podłogowe zain-

stalowane w stropach o wysokiej aku mu lacyjności ciepl -

nej. Wentylacja w budynku będzie naturalna, okresowo

wspomagana mechanicznie. Ze względu na to, iż pom-

pa ciepła wymaga zaopatrzenia w energię elektryczną,

budynek będzie wyposażony w ogniwa fotowoltaiczne

w systemie „on-grid”. Kolektor powietrzny zapewniają-

cy chłodzenie ogniw fo to woltaicznych dostarczających

energię elektryczną do budynku ma również za zadanie

wspomóc naturalny prze pływ powietrza wentylacyjnego

przez budynek. W okre sach, gdy wentylacja naturalna nie

spełnia swojego za dania, istnieje możliwość uruchomie-

nia wentylacji mechanicznej wywiewnej. Przedstawio-

ny system zawiera mi nimum elementów. Bardzo ważne

jest zapewnienie wysokiej izolacyjności budynku, aby

zminimalizować straty statyczne. Wentylacja naturalna

z jednej strony korzystna, bo nie wymaga dostawy energii

elektrycznej i nie generuje wysokich kosztów inwesty-

areas of PV/T cells of about 50 m

, with good optimiza-

tion, it will be possible to obtain almost a zero balance of

non-renewable primary energy in a yearly cycle.

Concept 2 –

“House with a storage”

In this project, energy supply to the house is based on

the work of an air-to-water heat pump which is supposed

to supply heat to rooms and prepare domestic hot wa-

ter for the needs of residents. A diagram which describes

the system operation in summer and winter is presented

in Figure 2. Due to the fact that the heat pump requires

electrical energy supply, the building will be equipped with

photovoltaic cells in “on-grid” system. When excessive

production of energy occurs, it can be sent to the grid but if

energy shortage occurs, the system will consume an appro-

priate amount of electrical energy from the grid. The heat

pump work will be optimised by the application of a gravel

Il. 1. Roczny bilans energii i kosztów eksploatacji w domu naturalnym; praca systemu w lecie (górny schemat) i w zimie (dolny schemat)

Fig. 1. Annual energy and operational costs balance in the natural house; system performance in summer (top scheme)

and winter (bottom scheme)

PC – pompa ciepła powietrze–woda/HP – air-to-water heat pump, CWU – ciepła woda użytkowa/DHW – domestic hot water,

PV/T – fotowoltaiczny/cieplny/PV/T – photovoltaic/thermal

Koncepcja energetyczna budynku/The energy concept of the building 127

cyjnych, skutkuje koniecznością zainstalowania pompy

ciepła o odpowiednio dużej mocy oraz zwiększa zapotrze-

bowanie budynku na energię użytkową do ogrzewania.

Należy się również liczyć z koniecznością pracy grzałki

elektrycznej w zimniejszych okresach roku. Pobór energii

elektrycznej będzie więc dość wysoki. Aby go skompen-

sować, niezbędne będzie zainstalowanie dużej powierzch-

ni ogniw PV. Dla powierzchni ogniw PV/T około 50 m

prawdopodob nie uda się, przy dobrej optymalizacji, uzy-

skać prawie zerowy bilans energii pierwotnej nieodna-

wialnej w cyklu rocznym.

Koncepcja 2 –

„Dom z magazynem”

W tym projekcie zaopatrzenie domu w energię opar-

te jest na pracy pompy ciepła powietrze–woda, mającej

za zadanie dostarczyć ciepło do ogrzewania pomiesz-

czeń oraz do przygotowania ciepłej wody użytkowej na

energy storage. PV cells air cooling system will perform

the role of a device which will charge the storage. In sum-

mer, when there are high air temperatures outside, PV

cells heat up signicantly. This heat will be accumulated

in the storage. When the outside air temperature is low, the

heat pump power which operates using the outside air is

too small to cover the current needs, moreover the device

efciency signicantly decreases. In the building these

problems are solved by the energy storage which heats up

the air owing into the heat pump evaporator. Warmer air

enables achieving higher efciency and a required power

of the device; it also eliminates the need for the electric

heater work as an alternative source for the heat pump,

as it occurs in standard solutions of this type. It is well

known that in buildings with low energy demands, heat-

ing up ventilation air plays a big role in energy needs. The

intake-exhaust mechanical ventilation with heat recovery is

regularly applied to reduce the amount of this energy. This

concept involves the application of this type of ventilation

Il. 2. Roczny bilans energii i kosztów eksploatacji w domu z magazynem energii; praca systemu w lecie (górny schemat) i w zimie (dolny schemat)

Fig. 2. Annual energy and operational costs balance in the house with energy storage; system performance in summer (top scheme)

and winter (bottom scheme)

PC – pompa ciepła powietrze–woda/HP – air-to-water heat pump, CWU – ciepła woda użytkowa/DHW – domestic hot water,

PV/T – fotowoltaiczny/cieplny/PV/T – photovoltaic/thermal

128 Natalia Fidorów-Kaprawy, Maria Kostka, Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa, Krzysztof Piechurski

potrzeby mieszkańców. Schemat opisujący pracę systemu

w lecie i zimie zaprezentowano na ilustracji 2. Ze wzglę-

du na to, iż pompa ciepła wymaga zaopatrzenia w energię

elektryczną, budynek będzie wyposażony w ogniwa fo-

towoltaiczne w systemie „on-grid”. W czasie, kiedy wy-

stępuje nadmierna produkcja energii, można ją przesłać

do sieci, a jeżeli jest jej za mało, system pobierze z sieci

odpowiednią ilość energii elektrycznej. Praca pompy cie-

pła zostanie zoptymalizowana poprzez zastosowanie żwi-

rowego magazynu energii. Rolę urządzenia ładującego

magazyn pełnić będzie system powietrznego chłodzenia

ogniw PV. W okresie lata, gdy występują wysokie tempe-

ratury powietrza zewnętrznego, ogniwa PV znacząco się

nagrzewają. Ciepło to zostanie zgromadzone w magazy-

nie. Gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niska,

moc pompy ciepła pracującej na powietrzu zewnętrznym

jest zbyt mała, by pokryć bieżące potrzeby, ponadto efek-

tywność urządzenia znacząco spada. W budynku proble-

my te rozwiązuje magazyn energii, za pomocą którego

podgrzewa się powietrze traające na parownik pompy

ciepła. Cieplejsze powietrze pozwala na osiągnięcie wyż-

szej efektywności i wymaganej mocy urządzenia; eliminu-

je również potrzebę pracy grzałki elektrycznej jako alter-

natywnego źródła dla pompy ciepła, tak jak ma to miejsce

w standardowych rozwiązaniach tego typu. Powszechnie

wiadomo, że w budynkach o niskim zapotrzebowaniu na

energię dużą rolę w potrzebach energetycznych odgrywa

podgrzewanie powietrza wentylacyjnego. Do ogranicze-

nia ilości tej energii stosuje się standardowo nawiewno-

-wywiewną wentylację mechaniczną z odzys kiem ciepła.

W niniejszej koncepcji zakłada się zastosowanie tego

typu wentylacji z dodatkowym wstępnym podgrzaniem

powietrza wentylacyjnego w żwirowym magazynie ener-

gii. Takie rozwiązanie pozwala na eliminację nagrzew-

nicy powietrza z centrali, która w innym przypadku jest

niezbędna, ponieważ musi zabezpieczyć wymiennik ciepła

przed zamarznięciem. Analizując bilans budynku przed-

stawiony na ilustracji 2, można zauważyć, że zapotrze-

bowanie na energię użytkową do ogrzewania jest mniej-

sze niż w przypadku koncepcji 1, właśnie ze względu na

zastosowanie wentylacji mechanicznej, natomiast ilość

energii pomocniczej jest zdecydowanie większa, ponie-

waż trzeba doprowadzić energię elektryczną do wentyla-

torów w centrali. Przedstawiony system zawiera rozwią-

zania, które zwiększą koszty inwestycji, ale zapewniają

większą niezależność budynku. Zmagazynowana na okres

roku energia cieplna zapewni zmniejszone zapotrzebowa-

nie na energię elektryczną do pracy pompy ciepła w okre-

sie zimowym. Skutkiem tego uda się uzyskać zerowy bi-

lans energii pierwotnej nieodnawialnej w cyklu rocznym.

Niestety przy aktualnie obowiązującym w Polsce syste-

mie rozliczeniowym instalacji „on-grid” koszty eksplo-

atacji układu zerowe nie będą.

Podsumowanie

Projektowanie zrównoważone i proces projektowania

zintegrowanego nabierają coraz większego znaczenia.

Specjaliści z wszystkich branż związanych z budow-

nictwem zaczynają coraz lepiej rozumieć, że te sposoby

with additional preliminary heating up the ventilation air in

the gravel energy storage. This solution makes it possible

to eliminate the air heater from the air handling unit, which

in another situation is

necessary because it must protect

a heat exchanger from freezing. Analysing the balance of

the building presented in Figure 2, it can be noticed that

a demand for usable energy for heating is lower than in

the case of concept 1 due to the application of mechanical

ventilation, whereas the amount of supportive energy is

denitely greater because electrical energy must be deliv-

ered to fans in the

air handling unit

. The discussed system

includes solutions which will increase investment costs,

however, they ensure the greater independence of a build-

ing. Thermal energy, which is stored for the period of one

year, will provide a reduced demand for electric energy

for the heat pump to operate in winter periods. As a result,

it will be possible to achieve a zero balance of non-re-

newable primary energy in a yearly cycle. Unfortunately,

the system’s operating costs shall not be zero due to the

clearing system of “on-grid” installation that is currently

in use in Poland.

Summary

Sustainable design and the integrated design process

are becoming increasingly signicant. Specialists from

all sectors related to the construction industry are slowly

beginning to understand that these methods of design

constitute actually the only way that ensures energy and

economically efcient building engineering or the way to

have zero energy buildings which will be affordable to

a wider range of recipients. It is known that before special-

ists start to design a building an interdisciplinary concept

should appear rst. This is particularly important when

trying to achieve a nearly zero-energy standard. In the

case of collective residential buildings or commercial or

public facilities, some time is devoted for preparing a con-

cept, including energy issues, before starting a design pro-

cess, however, when it comes to single-family residential

buildings no one seems to make an effort of this sort. On

the example of the two concepts described in this article

we can observe that a favourable energy balance can be

achieved with various assumptions on demand for usable

energy for heating, various installation solutions and vari-

ous annual operating costs.

Translated by

Bogusław Setkowicz

Koncepcja energetyczna budynku/The energy concept of the building 129

Streszczenie

W artykule omówiono zagadnienia związane z przygotowaniem koncepcji energetycznej budynku przed etapem projektowania. Powinna ona stano-

wić stały element procesu realizacji budynków zrównoważonych. Autorzy wykazali potrzebę wykonywania tego typu koncepcji w kontekście idei

zrównoważonego rozwoju, a także w kontekście wyzwań stawianych współczesnemu budownictwu, m.in. w zakresie efektywności energetycznej.

Pokazano, że koncepcja energetyczna budynku wpisuje się dobrze w proces projektowania zintegrowanego, które zaczyna wypierać tradycyjne

etapowe podejście obowiązujące dotychczas. Opisano, jakie założenia należy przyjąć przed przystąpieniem do opracowania koncepcji. Przedstawiono

krótką charakterystykę wybranych systemów budynkowych mających zastosowanie w opisanych koncepcjach energetycznych. Zamieszczono dwie

Bibliografia /References

[1] Report of the World Commission on Environment and Develop-

ment: Our Common Future, 1987, http://www.un-documents.net/

our-common-future.pdf [accessed: 17.01.2017].

[2] Majerska-Pałubicka B., Dążenie do optymalizacji metod zrówno-

ważonego projektowania architektonicznego, „Architectus” 2014,

Nr 2(38), 15–27.

[3] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia

19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budyn-

ków, Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 153/13.

[4] Bać A., Idea zrównoważenia i jej wybrane przejawy, „Architectus”

2014, Nr 2(38), 3–13.

[5] Mazur R., Ecological and energy efcient architecture as a new trend

in the architectural culture, „Architectus” 2010, Nr 2(28), 127–131.

[6] Kamionka L., The problem of dening standards in the sustainable

architecture design, „Architectus” 2011, Nr 1(29), 69–76.

[7] Green Building Basic Information, United States Environmental

Protection Agency, https://archive.epa.gov/greenbuilding/web/html/

about.html [accessed: 17.01.2017].

[8] Janota-Bzowski J., Klasyczne projektowanie a modelowanie bu-

dynku, „Rynek Instalacyjny” 2015, Nr 4, 24–25.

[9]

Gil J., Grudzińska A., Potaczek A., EKOskręt – nowoczesny i kom-

for towy dom energooszczędny, „Architectus” 2014, Nr 2(38), 79–90.

[10] Bać A., Laboratorium zrównoważenia – modelowy budynek uni-

wersytecki w Vancouver, „Architectus” 2013, Nr 2(34), 83–92.

[11] Widera B., Budynek Rady Miejskiej w Bolonii jako przykład ar-

chitektury proekologicznej, „Architectus” 2014, Nr 2(38), 59–67.

[12] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego

2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki ener-

getycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakte-

rystyki energetycznej, Dz.U. 2015, poz. 376, http://isap.sejm.gov.

pl/DetailsServlet?id=WDU20150000376 [accessed: 17.01.2017].

[13] Sioshansi F.P., Energy, Sustainability and the Environment Tech-

nology, Incentives, Behavior, Elsevier, Burlington 2011, 231–271.

[14] Rubik M., Pompy ciepła. Poradnik, Ośrodek Informacji „Technika

Informacyjna w Budownictwie”, Warszawa 2006.

[15] Piechurski K., Szulgowska-Zgrzywa M., Obliczanie rocznej efek-

tywności pomp ciepła powietrze/woda, „Rynek Instalacyjny” 2016,

Nr 6, 35–40.

[16] Piechurski K., Szulgowska-Zgrzywa M., Wpływ warunków klima-

tycznych i obciążenia cieplnego budynku na efektywność energe-

tyczną pomp ciepła powietrze/woda z płynną regulacją mocy, „Ry-

nek Instalacyjny” 2016, Nr 10, 21–26.

[17] Domański R., Magazynowanie energii cieplnej, PWN, Warszawa

1990.

[18] Dincer İ., Rosen M.A., Thermal Energy Storage: Systems and

Appli cations, John Wiley & Sons, Hoboken 2011.

[19] Beckman G., Gilli P.V., Thermal Energy Storage, Springer Verlag,

Wien 1984.

[20] Jouhara H., Milko J., Danielewicz J., Sayegh M.A., Szulgowska-

-Zgrzywa M., Ramos J.B., Lester S.P., The performance of a novel

at heat pipe based thermal and PV/T (photovoltaic and thermal

systems) solar collector that can be used as an energy-active buil-

ding envelope material, „Energy” 2016, Vol. 108, 148–154.

[21] Haberlin H., Photovoltaics. System Design and Practice, John

Wiley & Sons, New York 2012.

[22] Kulgmann-Radziemska E., Fotowoltaika w teorii i praktyce, BCT,

Legionowo 2010.

[23] Radziemska E., The effect of temperature on the power drop in

crystalline silicon solar cells, „Renewable Energy” 2003, Vol. 28,

1–12.

[24] Radziemska E., Ostrowski P., Polek-Pasternak K., Badania rozkła-

du temperatury na powierzchni oświetlonego i obciążonego mo-

dułu fotowoltaicznego, „Proceedings of ECOpole” 2008, Vol. 2,

No. 2, 461–466.

[25] Jouhara H., Szulgowska-Zgrzywa M., Sayegh M.A., Milko J., Da-

nielewicz J., Nannou T.K., Lester S.P., The performance of a heat

pipe based solar PV/T roof collector and its potential contribution

in district heating applications, „Energy” [in press], http://dx.doi.

org/10.1016/j.energy.2016.04.070 [accessed: 12.05.2016].

[26] Kleiven T., Natural Ventilation in buildings, Architectural con-

cepts, consequences and possibilities, Doctoral thesis, Norwegian

University of Science and Technology, March 2003.

[27] Eicker U., Energy efcient buildings with solar and geothermal re-

sources, John Wiley & Sons, New York 2014.

[28] Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy, Ocyna Wydaw-

nicza PWr, Wrocław 2013.

[29] Grygier G., Szyperski P., Wytyczne dla instalacji wentylacyjnej

z odzyskiem ciepła (system rekuperacji) w domach jednorodzin-

nych, Stowarzyszenie Polska Wentylacja, Warszawa 2011.

[30] About Mixed-Mode, CBE, University of California, Berkeley, http://

www.cbe.berkeley.edu/mixedmode/aboutmm.html [accessed:

17.01.2017].

[31] Salcido J.C., Raheem A.A., Issa R.R.A., From simulation to moni-

toring: Evaluating the potential of mixed-mode ventilation (MMV)

system for integrating natural ventilation in ofce buildings thro-

ugh a comprehensive literature, „Energy and Buildings” 2016,

Vol. 127, 1008–1018.

projektowania to właściwie jedyna droga do budownic-

twa efektywnego energetycznie i ekonomicznie czy do

bu dynków zeroenergetycznych dostępnych cenowo dla

szer szego grona odbiorców. Wiadomo, że zanim specja-

liści zaczną budynek projektować, powinna pojawić się

interdyscyplinarna koncepcja. Jest to szczególnie istotne

w przypadku próby osiągnięcia blisko zeroenergetycz-

ności. O ile w przypadku budynków zamieszkania zbio-

rowego, komercyjnych czy publicznych poświęca się

czas na przygotowanie koncepcji, w tym również ener-

getycznej, przed przystąpieniem do projektowania, o tyle

w przypadku budynków jednorodzinnych zwykle nikt nie

zadaje sobie takiego trudu. Na przykładzie dwóch kon-

cepcji opisanych w artykule widać, że korzystny bilans

energetyczny można osiągnąć przy różnych założeniach

dotyczących zapotrzebowania na energię użytkową do

ogrzewania, różnych rozwiązaniach instalacyjnych i róż-

nych rocznych kosztach eksploatacyjnych.

130 Natalia Fidorów-Kaprawy, Maria Kostka, Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa, Krzysztof Piechurski

przykładowe koncepcje energetyczne dla budynku jednorodzinnego zeroenergetycznego, na których przykładzie dowiedziono, że korzystny bilans

energetyczny można osiągnąć przy różnych założeniach dotyczących zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania, różnych rozwiązaniach

instalacyjnych i różnych rocznych kosztach eksploatacyjnych.

Słowa kluczowe: koncepcja energetyczna budynku, budownictwo zrównoważone, efektywność energetyczna, projektowanie zintegrowane, budynki

blisko zeroenergetyczne

Abstract

In the paper the issues related to the preparation of the building’s energy concept before the design stage have been discussed. It should be a regu-

lar part of the of sustainable buildings’ implementation process. Authors demonstrated the need to perform this type of concept in the context of

sustainable development as well as in the context of the challenges posed for the modern construction among others in terms of energy efciency.

It has been shown that the energy concept of the building ts well into the process of integrated design, which begins to displace the traditional phased

approach in force so far. The assumptions that should be made prior to developing the concept have been described. A brief description of selected

building systems, applicable in the described energy concepts, have been given. Two examples of energy concepts for zero-energy single-family

building, have been described. It has been proven, that a favorable energy balance can be achieved using various assumptions concerning the demand

for usable energy for heating, various installation solutions and various annual operational costs.

Key words: building energy concept, sustainable construction, energy efciency, integrated design, nearly zero-energy buildings

The energy concept of the building as a part of sustainable construction

Natalia Fidorów-Kaprawy, Maria Kostka, Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa, Krzysztof Piechurski

doi:10.5277/arc170108

Abstract