Енергийно позитивни сгради

Дълго време специалистите считаха нулево енергийните и пасивните сгради за максимума по отношение на енергийната ефективност в строителната и проектантска дейност. Идеята за сграда, която произвежда повече енергия отколкото използва, някога принадлежеше на далечното и непостижимо бъдеще. Бурното развитие на сградните и енергийните технологии в наши дни обаче доведе до своеобразен “квантов скок” при конструирането на съвременните домове.

Концепцията за сгради - енергийни доставчици вече е реалност и направи възможни напълно нови технологии за снабдяване с енергия. Днес съществуват, не само на фаза проект, но и реализирани енергийно позитивни жилищни и търговски сгради, училища, офис сгради и др. Първите подобни проекти вече са факт и в България.

Преход към сградите на бъдещето
В Европа енергийно ефективните сгради постепенно се превърнаха в традиция. Повече от три десетилетия се работи по концепцията за т.нар. климатично неутрални сгради, а от близо две - нискоенергийните сгради са минимален стандарт при строежа на нови жилища.

Благодарение на развитието в сферата на сградното проектиране и строителната индустрия стана възможно да се конструират сгради, които не използват изкопаеми горива в енергийния си микс. Тези сгради дори произвеждат повече енергия отколкото консумират, и биха могли да я подават към други консуматори.

От 2020 г. натам е заложено всички новопостроени сгради да са плюсово енергийни. Концепцията за плюсово енергийна сграда не зависи от конкретна технология, а би могла да бъде изпълнена по множество различни начини чрез използване на интелигентна комбинация от енергийно ефективни строителни технологии, ВЕИ инсталации и други иновативни системи.

Концепция за енергийно позитивна сграда
В сравнение с конвенционалното архитектурно планиране, концепцията за енергийно позитивна сграда е базирана на 3 основни принципа: да се максимизира енергийната ефективност на сградата; да се редуцира потреблението на енергия за жилищните услуги до минимум; да се използва изцяло възобновяема енергия за покриване на домакинските потребности от електричество.

Тъй като тази концепция изисква използването на наличните възобновяеми източници (които не винаги са толкова много и разнообразни), е необходимо енергийното потребление на сградата да бъде значително занижено чрез подобряване на енергийните й характеристики.

Оптимизиране на енергийните характеристики
Енергийните показатели на една сграда могат да бъдат оптимизирани чрез различни подходи например чрез избор на подходящ сграден дизайн (компактна структура, оптимална ориентация), подобряване на топлоизолационните характеристики (подбор на високоефективни прозорци и изолационни системи), оптимизиране на дейностите по конструкцията (елиминиране на термомостовете, осигуряване на херметически затворени конструкции и връзки), както и чрез гарантиране на рационална експлоатация на сградата (внедряване на системи за мониторинг на консумацията, интелигентно отчитане и др.).

Всички тези мерки, наред с енергийната ефективност, повишават значително и комфорта за обитателите. Допълнителни подходи към оптимизиране на енергийните характеристики на дома са свързани с преход към нискотемпературни отоплителни системи (осигуряващи и по-ниски топлинни загуби); по-малка обща дължина на тръбните системи за отопление, БГВ (битова гореща вода) и вентилация (следователно по-ниски топлинни загуби и енергиен разход за задвижване на помпи и вентилатори); избягване на циркулацията на топла вода; внедряване на системи за рекуперация на топлина във вентилационните инсталации и инсталациите за отпадни води.

Разпространени подходи за подобряване на енергийната ефективност са и хидравличното балансиране на системите, внедряването на системи за интелигентен контрол на ОВК инсталациите, използването на домакински електроуреди от най-висок енергиен клас (A++), инсталирането на LED осветители и енергоспестяващи лампи с решения за смарт контрол и др.
Един от най-използваните методи за повишаване на енергийните показатели на една сграда е включването на

възможно най-много ВЕИ енергия в енергийния микс
Използването на възобновяемата енергия може да става активно или пасивно. Използването на топлината и светлината от слънцегреенето през прозорците например е безплатно и пасивно намалява разходите за отопление и осветление.

Инсталирането на соларни колектори, от друга страна, представлява активно използване на наличните ВЕИ източници, като изисква определена инвестиция за необходимото оборудване и носи финансови ползи в дългосрочен план. Други подобни източници на енергоспестяване са биогоривата, геотермалната енергия, топлината от околната среда и др.

За да се осигури плюсов енергиен баланс на сградата, е необходимо инсталирането на мащабни системи за генериране на енергия като фотоволтаични инсталации или вятърни турбини, както и на системи за съхранение на произведената енергия, за да е възможно задоволяването на енергийните потребности на сградата и подаването на излишната енергия към други консуматори в мрежата по всяко време, а не само в периоди на интензивно слънцегреене или силен вятър.

Топлоизолация
Намаляването на енергийните потребности на една сграда е ключът към реализирането на концепцията за позитивен енергиен баланс. Потенциалът за редуцирането им обаче зависи от конструктивните ограничения. Що се отнася до топлоизолацията на сградата, термоизолиращи дебелини над 400 mm обикновено не се използват.

Ето защо най-често прилаганите концепции за плюсово енергийни сгради са базирани на U-стойности (коефициенти на топлопреминаване) на външните стени и тавани между 0.12 и 0.15 W/m2K. Въвеждането на технологии за вакуумна и суперизолация в стандартните конструкции създава предпоставки за бъдещо увеличаване на икономиите в тази посока.

Потенциал за подобряване на енергийните показатели притежават и конвенционалните изолационни материали, които могат да бъдат използвани в плюсово енергийните сгради на бъдещето. През последните няколко години технологиите в топлоизолацията на стени, покриви, прозорци и пр. значително се усъвършенстват и стават все по-разнообразни, като все по-масово се прилагат стандартите от пасивните къщи, включващи напълно елиминиране на топлинните мостове.

Термопомпи
Понастоящем отоплението в енергийно позитивните сгради се осъществява почти изцяло чрез термопомпи, задвижвани с електричество. За разлика от пасивните къщи, при които основен топлоносител е въздухът, в тези сгради топлината обичайно се пренася чрез повърхностни водопреносни отоплителни системи.

Температурите (а с тях и топлинните загуби) във водопреносните системи могат да бъдат поддържани значително по-ниски от тези в отоплителните системи с топъл въздух. Обикновено тези системи се снабдяват с топлина от плитко разположени геотермални инсталации.

Макар на практика да е по-евтино да се използва външният въздух за източник на топлина, въздушните системи имат сериозен недостатък - техните сезонни коефициенти и коефициенти на енергийна ефективност (COP) са с 20 до 30% по-ниски от тези на геотермалните термопомпи, което в дългосрочен план води до разходна неефективност.

Има различни подходи за оптимизиране работата на термопомпите, като всички те пряко или косвено са свързани с избягване влошаването на сезонната ефективност. Концепциите за резервни отоплители, хибридни конфигурации с котли и печки на твърдо гориво или газ, както и за каскадно разполагане на термопомпите, са някои от разпространените технологии за постигане на оптимална енергийна ефективност.

Когенерационните инсталации на биогаз / биомаса, използвани в комбинация с генератори за периоди на пиково потребление, които покриват енергийните потребности на сградата и позволяват използването на място на автономно произведената енергия, са отлично решение.

Коефициент на сезонна ефективност на термопомпени системи
Необходимата температурна разлика между изпарителя и кондензатора определя постижимия коефициент на сезонна ефективност (SFP) на една термопомпена система. Колкото по-висока е тази разлика, толкова по-малък е постижимият сезонен коефициент. Ето защо по-ниски температури (< 30 °C) на отоплителната система и по-високи температури (> 10 °C) на кондензатора са по-предпочитани, за да е възможно постигането на SFP между 4 и 5.

От една страна, по-ниските температури в отоплителната система изискват по-големи отоплителни повърхности и по-мащабни разпределителни системи, което практически означава и по-високи разходи за изкопаване на канали и инсталация на геотермални тръби.

От друга страна обаче тези разходи се компенсират в дългосрочен план, като намаляват необходимия PV капацитет и инвестициите във фотоволтаични инсталации.

Фотоволтаични системи
През последните няколко години нужните инвестиции за реализиране на жилищна фотоволтаична инсталация рязко намаляха благодарение на масовото производство на PV компоненти в Азия. За сградни приложения най-често се използват поликристалните фотоволтаични модули, които осигуряват и най-високо съотношение цена/ефективност.

С най-висока практическа разходна ефективност се характеризират покривните PV инсталации, като се различават повърхностни системи и такива за вграждане. За цялостната ефективност на инсталацията от значение са не само кристалната структура на соларните клетки, но и ефективността на преобразувателите и токоизправителите.

Висококачествените съвременни преобразуватели се отличават с ефективност до 97%, а нискобюджетните версии могат да доведат до загуби в размер до 15%. Ето защо по-ниската цена в случая не е гаранция за разходна ефективност. Напротив - при преобразуването на постоянен в променлив ток могат да възникнат големи загуби, които обикновено се освобождават под формата на топлина в сградата.

В инсталации с пикова мощност 10 kWp и повече това може да доведе до вътрешни топлинни загуби до 1,5 kW и излишно прегряване на сградите, в които са инсталирани. Ето защо, за да се постигне позитивен енергиен баланс, е необходимо да се използва оптимална конфигурация от компоненти при изграждане на фотоволтаичната инсталация.

Високоефективни жилищни вентилационни и охлаждащи системи
Обикновено внедряваните в енергийно позитивните сгради механични инсталации са относително прости, а за високата им енергийна ефективност се грижат системи за интелигентен контрол, които намаляват обема на подавания въздух, когато не е необходима интензивна вентилация.

Допълнителни мерки за подобряване на ефекта от вентилацията са свеждането до минимум на загубите на въздух, запечатването на всички въздушни пропуски и осигуряването на оптимална въздухонепроницаемост на сградата, изграждането на вентилируеми фасади и пр.

Що се отнася до климатизацията, в плюсово енергийните сгради се използват технологии за свеждане на нуждата от охлаждане до минимум. Прилагат се методи за засенчване, подходи към естествена нощна вентилация, топлинноактивируеми сградни компоненти, системи за извличане и съхранение на неизползваната топлина, PCM материали с променлива фаза и др.

Комбиниране на системи за БГВ с инсталации за питейна вода
Разходите за загряване на битова гореща вода в енергийно позитивните сгради може леко да надвишат разходите за отопление. Ето защо специално внимание трябва да се обърне на разходната ефективност при проектирането на такива системи.

Подходящо решение е подгряването на БГВ чрез инсталации за питейна вода, в които водата е с ниска температура, а преди точката на консумация на БГВ се инсталира проточен бойлер. Той изпълнява двойна функция, като гарантира ниски топлинни загуби в инсталацията за БГВ поради елиминирания пренос на гореща вода и служи като единствен и достатъчен нагревател срещу легионела в системата за питейна вода.

Високоефективни домакински електроуреди
С подбора на високоефективни домакински уреди енергийната консумация на едно средностатистическо домакинство може да бъде намалена с около 1000 kWh годишно. Това на практика ще намали и необходимия фотоволтаичен капацитет в плюсово енергийната сграда с около 1 kWp пикова мощност. По този начин допълнителните разходи, които произтичат от първоначалната инвестиция в тези по-скъпи, но по-ефективни уреди, ще бъдат елиминирани.

Системи за съхранение на енергия
За да бъде изпълнена концепцията за плюсово енергийна сграда, не е изрично необходимо наличието на система за съхранение на енергия. Такава система обаче значително би намалила експлоатационните разходи, тъй като увеличава количеството използвана автономно генерирана енергия.

Цените на акумулаторните системи за жилищни приложения все още са сравнително високи, но се очаква спадането им с навлизането на технологията в масова употреба. За да се постигне оптимална разходна ефективност, е препоръчително интегрирането на системата за съхранение на енергия да е съпроводено с инсталиране на система за енергиен мениджмънт, която включва интелигентни измервателни уреди, допълнителни токоизправители и преобразуватели.

Това е необходимо, тъй като мрежата и консуматорите използват променлив ток, а фотоволтаичната система и системата за съхранение - постоянен, което изисква преобразуването на електричеството в зависимост от потреблението.

Системи за контрол и автоматизация
Начинът, по който една сграда е построена, може да снижи потреблението на енергия, но в комбинация с енергийно оптимизирана автоматизация на техническите инсталации в нея, консумацията на енергия може да намалее драстично.

Според специалистите интегрирането на интелигентен контрол на сградните инсталации води до снижаване на консумацията на енергия с до 30%. Намаляването на оперативните разходи допринася в значителна степен за превръщането на енергийно ефективната сграда в плюсово енергийна.

Освен ниски разходи за експлоатация на инсталациите интелигентният контрол на сградните системи носи и комфорт за обитателите. С внедряването на съвременни платформи за автоматизация, като KNX например, потребителите лесно могат да настройват параметрите на микроклимата чрез инсталираните в помещенията интерактивни панели или от разстояние с помощта на компютър или смарт телефон.

Във функционалните характеристики на панелите за управление са заложени индивидуални настройки на осветлението, температурата, регулиране на щорите и други, които спомагат за постигането на комфортна и едновременно с това енергийно ефективна среда.