Konkurso rezultatai nenuvylė
Europos Sąjungos energetinius tikslus puikiai atspindi tarptautinio konkurso „Solar Decathlon“ keliami tikslai: suprojektuoti ir statyti estetiškai patrauklius, tvarius, energiškai nepriklausomus, vien pasitelkiant saulės energiją funkcionuojančius namus. Šiame konkurse, rengiamame kas dvejus metus, keliasdešimt universitetų iš viso pasaulio pristato naujausius tvarių namų sprendimus ir naujoves.
Konkurso dalyviai varžosi dešimtyje kategorijų: architektūros, inžinerijos, energinio efektyvumo, elektros energijos balanso, vidaus komforto sąlygų, namo funkcionalumo, komunikacijos ir socialinės atsakomybės, industrializacijos ir pritaikymo rinkos, naujovių bei tvarumo.
Pastarąjį kartą 2012 metais Ispanijos sostinėje Madride vykusiame konkurse kaip vienas iš projekto autorių dalyvavo ir lietuvis inžinierius Martynas Skrupskelis, šiuo metu dirbantis nekilnojamojo turto plėtros bendrovėje „Eika“. Kartu su kolegomis iš Danijos technikos universiteto jis pristatė individualiojo namo koncepciją „Fold“. Konkurse šio statinio projektas bendroje įskaitoje tarp 20 dalyvių užėmė 10 vietą, ŠVOK įskaitoje – 6-ą.
Konkurso metu namas turėjo visiškai funkcionuoti, todėl jame buvo sumontuoti visi reikalingi namų apyvokos prietaisai: šaldytuvas su integruotu šaldikliu, drabužių skalbyklė, drabužių džiovyklė, indaplovė, kaitlentė ir orkaitė, kompiuteris, televizorius, DVD grotuvas. Bendra sumontuotos įrangos elektros galia siekė 1,5 kW.
Namo ŠVOK sistemą sudarė geoterminis šilumos šaltinis, vamzdelinė grindų ir lubų šildymo bei šaldymo sistema, natūralaus ir mechaninio vėdinimo sistema, karšto vandens ruošimo kaitintuvas ir saulės kolektorių bei saulės plokščių junginys. Plokštės buvo įmontuotos stogo konstrukcijoje. Šis sprendimas buvo apdovanotas specialiu „Solar Decathlon 2012“ prizu.
Namo projektavimas
Konkursui buvo suprojektuotas ir pastatytas individualusis vieno aukšto namas, skirtas dviejų asmenų šeimai. Gyvenamasis plotas – 66,2 kvadratinio metro, vėdinamasis tūris – 213 kubinių metrų. Architektūriniais statinio sprendiniais siekta efektyviai mažinti pritekančios šilumos energijos, konkrečiai saulės energijos, iš aplinkos kiekį. Namas turėjo dvi didžiules fasadines vitrinas, orientuotas į šiaurę ir pietus, esant 19 laipsnių posūkio kampui vakarų link.
Namo konstrukcija – gamykloje pagamintos medinės karkasinės plokštės. Sienos, stogas ir grindys formuotos nuosekliai klojant plokštes, tarpus tarp jų užsandarinant šilumą izoliuojančia medžiaga. Suformavus namo struktūrą montuoti stiklo fasadai. Planuoti namo pamatai – gręžtiniai, tačiau konkurso metu gręžtinius pamatus atstojo betoniniai blokeliai.
Vitrininiai langai pietinėje ir šiaurinėje pusėse pridengti stogeliais – jie eliminavo tiesioginius saulės spindulius vasaros laikotarpiu. Žiemą dėl mažesnio spindulių kritimo kampo tiesioginiai saulės spinduliai patekdavo į vidaus patalpas šias pašildydami ir gerindami šildymo sistemos efektyvumą. Aktyvios saulės spindulius nukreipiančios sistemos, tokios kaip išorinės lauko žaliuzės, nebuvo projektuojamos ir montuojamos dėl estetiškai nepatrauklaus vaizdo.
Name viena erdvė skirta virtuvei, svetainei ir miegamajam kambariui. Vonios kambarys atskirtas pertvara. Techninis kambarys atribotas nuo bendros erdvės ir turėjo atskirą įėjimą. Pertvara tarp techninio kambario ir gyvenamosios erdvės izoliuota šiltinamąja medžiaga.
ŠVOK sistema
ŠVOK sistema turėjo būti suprojektuota siekiant įgyvendinti užsibrėžtus tikslus: užtikrinti geras vidaus klimato sąlygas naudojant kuo mažiau energijos.
Kadangi namas buvo projektuojamas Danijoje, o konkursas vyko Ispanijoje, projekto įgyvendintojų komanda išsikėlė pirminę projektavimo sąlygą – namas turi būti funkcionalus skirtingose klimato zonose ištisus metus. Vidaus klimato sąlygos buvo apibrėžtos konkurso reglamente: vidaus temperatūra – 23–25 laipsniai, santykinė oro drėgmė – 40–55 proc., maksimali leistina CO2 koncentracija – 800 ppm.
Pirmuoju projektavimo etapu reikėjo atlikti šildymo ir šaldymo bei vėdinimo poreikių skaičiavimus. Jie gauti tokie: maksimalus šaldymo poreikis – 52 W vienam kvadratiniam metrui, vidutinis šaldymo poreikis – 35,2 W, maksimalus šildymo poreikis – 45,6 W, vidutinis šildymo poreikis – 26,6 W vienam kvadratiniam metrui. Numatyta, kad keičiant kai kuriuos architektūrinius sprendinius šiuos poreikius būtų galima sumažinti estetikos sąskaita.
Vienintelis namo elektros energijos šaltinis – saulė. Energija buvo gaunama iš saulės plokščių „Photo-Voltaic“ (PV), dengiančių visą stogo plotą. Namo elektros sistema buvo prijungta prie bendro elektros tinklo nemontuojant papildomų baterijų. Perteklinė elektros energija buvo siunčiama į bendrą elektros tinklą, o esant poreikiui – gaunama iš to paties tinklo. PV plokštės taip pat turėjo integruotą saulės kolektorių funkciją, tiekiančią šilumos energiją. Šilumos energija buvo kaupiama karšto vandens ruošimo kaitintuve. Konkurencinis šios sistemos pranašumas palyginti su įprasta PV sistema yra tai, kad elektros gamybos metu išskiriama šilumos energija yra efektyviai naudojama karštam vandeniui gaminti, kartu atvėsinamos ir PV plokštės. Tyrimais įrodyta, kad šaldant plokštes pasiekiamas didesnis PV efektyvumas.
Namo šildymo ir šaldymo sistema veikė vandens pagrindu. Šilumos šaltinis – geoterminis šilumos siurblys įrengus gręžinį. Suprojektuota ir įrengta šaldymo sistema „Free cooling“. Šiltuoju metų laiku uždaru žiedu keliaujantis vanduo iš namo į geoterminį gręžinį atiduoda statinyje sukauptą šilumos energiją. Vienintelis elektros energiją naudojantis prietaisas yra vandens siurblys. Šildymui pasitelktas šilumos siurblys „vanduo–vanduo“.
Tam, kad būtų padidinta medinio namo savitoji šiluminė talpa, nagrinėta galimybė pastato konstrukcijoje integruoti fizinę būseną keičiančią medžiagą „Phase Change Material“ (PCM). Pasirinktas aktyviojo šaldymo modelis, kai gryna PCM medžiaga (druska) talpinama metaliniame konteineryje ir konteineris tiesiogiai kontaktuoja su vidaus erdve. Konteineryje taip pat įrengta vamzdelinė sistema, iškraunanti sukauptą perteklinę šilumos energiją. Iškrovimas galimas naudojant arba geoterminį gręžinį, arba šilumos siurblį.
Tinkamai patalpų oro kokybei užtikrinti buvo suprojektuota ir sumontuota mechaninė bei natūrali ventiliacija. Mechaninę ventiliaciją sudarė du oro padavimo ir keturi oro išmetimo difuzoriai.
Sistemos kontrolė
Projektui pristatyto namo sistema veikė dviem režimais – žiemos ir vasaros. Namas šildytas ir šaldytas tiekiant reikalingos temperatūros vandenį vamzdžiais, integruotais grindyse bei lubose. Radiatorinė sistema įrengta po mediniu apdailos sluoksniu su aliuminio lakštais, užtikrinančiais efektyvų temperatūros paskirstymą.
Namas šildytas naudojant tik grindų šildymo sistemą, o šaldymui pasitelkta lubose sumontuota sistema. Jeigu šaldymo poreikis viršydavo lubų sistemos šaldymo galimybes, papildomai buvo įjungiama grindų sistema. Tiekiamoji ir grįžtamoji vandens srovė tekėdavo į arba iš geoterminio gręžinio. Srovės stiprumas ir temperatūra kontroliuota maišymo stotelėje. Madrido sąlygomis, kai nėra užšalimo rizikos, tarp geoterminio ir šildymo bei šaldymo sistemos žiedo buvo naudojamas grynas vanduo be šilumokaičio, kad sistema veiktų efektyviau.
Įrengta mechaninė vėdinimo sistema tiekė iki 320 kubinių metrų per valandą šviežio oro, tūris per valandą keitėsi 1,5 karto. Mechaninė vėdinimo sistema turėjo du šilumos atgavimo įrenginius: pasyvųjį (priešpriešinių oro srautų šilumokaitį) ir aktyvųjį (kintamos krypties šilumos siurblį „oras–vanduo“).
Mechaninė vėdinimo sistema gali tiksliau kontroliuoti tokius parametrus kaip temperatūra, santykinė oro drėgmė ir CO2 lygis, tačiau ši sistema eikvoja tam tikrą elektros energijos kiekį. Elektros energijos naudojimas gali būti eliminuotas, kai lauko oro sąlygos yra palankios pasitelkti natūralų vėdinimą praveriant langus. Mechaninė ir natūrali vėdinimo sistemos kontroliuojamos automatiškai.
Karšto vandens kaitintuvas (talpa – 180 litrų) turėjo dvi integruotas spirales ir elektrinį šildytuvą. Viena iš spiralių buvo prijungta prie saulės plokščių sistemos, kita – prie vėdinimo sistemos aktyvaus šilumos atgavimo įrenginio. Viršutinė kaitintuvo dalis (54 litrai) šildyta elektriniu šildytuvu (1,5 kW).
Verta paminėti, kad viso „Solar Decathlon Europe 2012“ konkurso metu (antra ir trečia rugsėjo savaitės) karšto vandens poreikį visiškai patenkino saulės plokščių sistema. Visame karšto vandens tūryje buvo fiksuojama 65 laipsnių vandens temperatūra.
Siekiant įvertinti ir analizuoti namo sistemų efektyvumą, sukurtas detalus kompiuterinis objekte esančių sistemų modelis, naudojant dinaminę pastatų simuliacijos programą TRNSYS. Simuliacijos atliktos Kopenhagos ir Madrido klimato sąlygoms, metus suskirstant į du sezonus: šaldymo (nuo gegužės iki rugsėjo, įskaitant abu mėnesius) ir šildymo (nuo spalio iki balandžio). Ir Madrido, ir Kopenhagos klimato sąlygoms simuliacijoms buvo taikomi analogiški parametrai, įskaitant žmonių, apšvietimo ir įrangos išskiriamą šilumos energiją.
Šildymo sezonui nustatyta reikiama pasiekti jutiminė temperatūra – 21 laipsnis, šaldymo sezonui – 25 laipsniai. Jutiminė temperatūra nei į vieną, nei į kitą pusę negalėjo nukrypti daugiau kaip vienu laipsniu.
Rezultatai
Rezultatai liudija, kad namas energijos sunaudoja mažiau, negu pagamina, todėl jį galima vadinti pliusinės energijos pastatu. Verta paminėti, kad tai yra metinis energijos balansas ir trumpuoju laikotarpiu pagamintos energijos gali neužtekti momentiniam pastato energijos poreikiui.
Abiejų vietovių klimato sąlygomis didžiausias energijos poreikis tenka namui šildyti. Taip yra dėl didelių į šiaurę ir pietus nukreiptų stiklinių namo fasadų. Didelis energijos nuostolis, patiriamas pro langus, mažina teigiamą gerai izoliuotų sienų poveikį.
Įmontuota vamzdelinė sistema grindyse bei lubose yra efektyvi šildant ir šaldant pastatą. Taip yra dėl aukštos šaldymo temperatūros ir žemos šildymo temperatūros sistemų, kurios suteikia galimybę naudoti natūralius energijos šaltinius, šiuo atveju – geoterminį gręžinį, sujungtus su ŠVOK sistema.
„Free cooling“ šaldymo metodas puikiai tinka ir Kopenhagos, ir Madrido klimato sąlygomis.
Pavyzdžiui, jeigu Madride būtų naudojamas šilumos siurblys, tiekiantis šaldymo energiją į vamzdelinę sistemą, būtų sunaudota 848 kWh elektros energijos per metus. O pasitelkiant sistemą „Free cooling“ sunaudota tik 65 kWh elektros energijos. Tačiau į projektavimo ir tinkamo sistemos dydžio parinkimo procesą būtina įtraukti žemės temperatūros pokytį po tam tikro eksploatavimo laikotarpio, nes, kaip rodo rezultatai, turint netolygų įkraunamos ir iškraunamos į žemę energijos kiekį stebimas nežymus temperatūros pokytis.
Saulės plokštės namui suteikia autonomiją ir pagamina daugiau elektros energijos, negu sunaudojama. Teigiamas efektas gaunamas ir karšto vandens ruošimo sistemoje. Vertinant, kad saulės plokščių sistemos karšto vandens ruošimo dalis yra ne tokia efektyvi palyginti su paprasta saulės kolektorių sistema, 30 proc. saulės energijos įsisavinimas Danijos klimato sąlygomis gali būti vertinamas kaip labai geras rezultatas.
Nors mechaninė ventiliacija suteikia daugiau galimybių kontroliuoti ir užtikrinti tinkamą oro kokybę, natūralios ventiliacijos privalumas neeikvoti energijos turi būti išnaudojamas tol, kol tai leidžia lauko klimato sąlygos.
Gauti rezultatai rodo, kad didinant savitąją pastato šiluminę masę suformuojant PCM sluoksnį galima sumažinti objekto energijos naudojimą šaldymui. Daugiausia energijos – iki 30 proc. – pasitelkiant PCM galima sutaupyti ankstyvaisiais šaldymo periodo mėnesiais. Karščiausiais metų mėnesiais energijos naudojimas šaldymui pasitelkiant PCM yra mažesnis.
Konkursui pristatytas namas pirmiausia buvo surinktas Kopenhagoje, universiteto teritorijoje, vėliau išmontuotas ir sunkvežimiais pervežtas į Madridą, ten vėl buvo surinktas. Konkurso metu buvo stebima, ar suprojektuotos sistemos gali užtikrinti reikiamas vidaus klimato sąlygas. Rezultatai parodė, kad didžiąją laiko dalį šie reikalavimai buvo patenkinti. Vis dėlto visada yra kur tobulėti, jeigu siekiama, kad sistemos veiktų dar efektyviau.
Straipsnis parengtas pagal konferencijoje „Clima 2013“ pristatytą medžiagą.
