Prihaja projektiranje brezogljičnih stavb
Izhodišče
Prenovljena Direktiva o energetski učinkovitosti stavb (EPBD, 2024/1275), ki je začela veljati maja 2024, postavlja temelj za popolno razogljičenje stavbnega fonda v EU do leta 2050. Ključni poudarek je na prehodu s skoraj nič-energijskih stavb (sNES) na brezemisijske oziroma brezogljične stavbe. Ključni značilnosti brezogljičnih stavb po EPBD sta:
- Opredelitev: Brezemisijska stavba je stavba z zelo visoko energijsko učinkovitostjo, ki jo napaja energija iz obnovljivih virov, in ne povzroča emisij ogljika na kraju samem.
- Energijski viri: Temeljijo na energiji iz obnovljivih virov, zanašajo se na brezogljične vire.
Strojni in elektrotehnični stavbni (MEP – Mechanical, Electrical & Plumbing) sistemi lahko na več načinov vplivajo na vgrajene in obratovalne emisije toplogrednih plinov in njih razumevanje na celotno performančnost stavbe je vsestransko in zapleteno. Zato je bistveno, da se zasnova stavbe in MEP sistemov obravnava celovito z vidika emisij toplogrednih plinov skozi celotno življenjsko dobo. Vendar pa je prispevke vgrajenega ogljika, ki jih MEP sistemi dodajajo, v tem trenutku težko upoštevati zaradi pomanjkanja podrobnih tozadevnih podatkov.
Študija Rodrigueza in sodelavcev (2019) je preučila potencial globalnega segrevanja MEP sistemov v poslovnih stavbah, katere rezultate prikazuje spodnja razpredelnica. Študija pokaže, da samo grelno / hladilni / prezračevalni (HVAC) stavbni sistemi prispevajo med 63 % in 80 % skupno vsebovanega ogljika s strani MEP sistemov, to brez puščajočega hladiva.
Vgrajene emisije toplogrednih plinov v MEP sistemih
MEP sistemi predstavljajo velik del vgrajenega ogljika v stavbi, glavni razlogi so naslednji:
- Vgrajeni ogljik. Stavba ima lahko v svoji MEP opremi in materialih znatno količino vgrajenega ogljika zaradi uporabe ogljično intenzivnih kovin, zahtevnih proizvodnih procesov in pogoste dospelosti njihovih sklopov od daleč.
- Stopnje zamenjave. Vpliv vgrajenega ogljika MEP sistemov v življenjski dobi se še poslabša zaradi potrebe po zamenjavi opreme, ki se glede na to, da večina opreme zdrži med 10 in 30 let, lahko pojavi večkrat v življenjski dobi stavbe. Slika 1 prikazuje študijo poslovne stavbe, ki pokaže, da lahko vgrajeni ogljik, povezan z zamenjavo sistema, predstavlja še kako pomemben delež glede na začetno izvedbo sistema. Študija izhaja iz ocenjevanja skozi 60-letno obdobje z dvema zamenjavama hladilnika tekočin in enkratno zamenjavo drugih sklopov MEP sistemov.
- Poraba hladiva. Hladiva lahko predstavljajo enega od največjih prispevkov toplogrednih plinov stavbe, če oprema ni pravilno vzdrževana in hladivo uhaja. Vpliv hladiva se lahko pojavi kadar koli v življenjski dobi strojnega sistema – na začetku, med delovanjem in na koncu življenjske dobe. Ista slika prikazuje vpliv puščanja hladiva za hladilnik z R134A, ob predpostavki 1-odstotnega puščanja pri začetnem polnjenju, 1-odstotne letne stopnje puščanja med uporabo in 90-odstotne stopnje predelave na koncu življenjske dobe. Vpliv je lahko znaten pri hladivih z visokim potencialom globalnega segrevanja ali sistemih z višjimi letnimi stopnjami puščanja.
Slika1: Emisije ogljika HVAC sklopov in hladiva v poslovni stavbi za 60-letno obdobje ocenjevanja MEP opreme.
Obratovalne emisije toplogrednih plinov za MEP sisteme
Emisije toplogrednih plinov med obratovanjem stavbe so tiste, ki nastanejo zaradi porabe energije in vode v sistemih MEP stavbe med fazo obratovalnega življenjskega cikla stavbe. Viri emisij toplogrednih plinov med obratovanjem v stavbah vključujejo:
- Porabo goriva na kraju samem. Sistemi za gretje prostorov in potrošne vode v stavbah, ki jih poganja zemeljski plin, druga fosilna goriva in biogoriva, sproščajo toplogredne pline kot posledico zgorevanja in se imenujejo emisije 1. stopnje.
- Porabo električne energije. Emisije, povezane s proizvodnjo električne energije, so odvisne od mešanice goriv v električnem omrežju in se imenujejo emisije 2. stopnje.
- Porabo potrošne vode. Emisije, povezane s čiščenjem in dovajanjem potrošne vode v stavbo ter čiščenjem odpadne vode iz stavbe, se štejejo za emisije 2. stopnje.
Merjenje in sledenje emisij toplogrednih plinov med obratovanjem je pomembno za zmanjšanje emisij v stavbah. Lastniki stavb lahko uporabljajo sisteme za spremljanje energije in potrošne vode za sledenje porabe in emisij toplogrednih plinov v realnem času ter za prepoznavanje priložnosti za izboljšave.
Ravnovesje med vgrajenimi in obratovalnimi emisijami toplogrednih plinov
Z izboljšanjem energijske performančnosti stavb, zmanjšanjem ali celo odpravo zgorevanja goriva na kraju samem in čistejšo proizvodnjo električne energije bo delež vgrajenih emisij v primerjavi z obratovalnimi odstotkovno naraščal v ocenjevanem življenjskem ciklu stavb. Na podlagi pregleda 90 študij LCA, ki so jih opravili Chastas in sodelavci (2016), je vgrajen ogljik predstavljal od 26 % do 57 % celotnega vpliva v življenjskem ciklu nizkoenergijskih stavb in od 74 % do 100 % celotnega vpliva v življenjskem ciklu neto nič-energijskih stavb.
Obratovalne emisije ogljika je mogoče zmanjšati v življenjskem ciklu stavbe z izboljšavami energijske performančnosti, prenovami, dodajanjem obnovljivih virov energije in nizkoogljičnimi električnimi omrežji. Ogljik v gradbenih materialih je bil sproščen že pred začetkom uporabe stavbe, zato ga ni mogoče zmanjšati v njeni celotni življenjski dobi. Različni časovni okviri vgrajenega in obratovalnega ogljika zahtevajo zgodnje načrtovanje in usklajevanje za optimizacijo enega in drugega.
Če se med fazo gradnje osredotočimo izključno na obratovalni ogljik, lahko to povzroči nesorazmerno povečanje vgrajenega ogljika. Na primer, zrakotesen in dobro toplotno zaščiten stavbni ovoj z debelo penasto izolacijo in 3-slojnimi okni lahko zmanjša velikost HVAC sistemov in s tem zmanjša obratovalni ogljik. Vendar pa lahko ta strategija poveča skupni vgrajeni ogljik, saj imajo 3-slojna okna in nekatere penaste izolacije visoko vrednost vgrajenega ogljika.
Nasprotno pa ima zasnova z neprepustnim ohišjem ter večjim HVAC sistemom zelo verjetno višje obratovalne emisije in stroške. Namesto obdajanja celotne stavbe z izolacijo iz ekstrudiranega polistirena, je morda boljša strategija uporaba izolacije iz ekstrudiranega polistirena samo v območju temeljev in uporaba izolacijskih plošč iz kamene volne, to je materiala z nižjim potencialom globalnega segrevanja, v preostalih delih zunanjega ovoja. Prav tako bi se lahko samo na eni fasadni usmeritvi namesto na vseh uporabila 3-slojna okna. Pri obravnavi materialov z višjim deležem ogljika za zmanjšanje porabe energije je treba izračunati, ali bodo obratovalni prihranki ogljika odtehtali vgrajeni ogljik teh materialov.
Različne strategije projektiranja nizkoogljičnih MEP sistemov lahko prav tako znižajo obratovalne emisije toplogrednih plinov. Zasnova sistema za razvod vode s centralno nameščenim grelnikom vode in združevanje končnih porabnikov tople vode blizu drug drugega bo omejilo potrebno dolžino cevi in zmanjšalo toplotne izgube zaradi dolgih cevnih odsekov. Podobne strategije bi delovale tudi pri razvodu zračnih kanalov. Kot dodatna prednost lahko takšen pristop zmanjša začetne stroške, povezane s kovinskimi cevmi in časom izvajanja del, uporabniki stavbe pa bodo imeli ugodnost hitrejše dobave potrošne tople vode.
Drug dejavnik pri razpravi o vgrajenih emisijah toplogrednih plinov predstavlja trajnost sistemov in materialov. Zato je celostno in večplastno razumevanje gradbenih materialov in konstrukcij neprecenljivo pri uravnoteženju obratovalnih in vgrajenih emisij toplogrednih plinov v gradbeništvu.
Iskanje pravega ravnovesja med obratovalnimi in vgrajenimi emisijami toplogrednih plinov zahteva, da se projektantska ekipa zgodaj vključi v integriran načrtovalni proces. Zgodnje energijsko modeliranje stavbe v največ urnih korakih in LCA celotne stavbe morajo biti usklajeni, da se zagotovijo optimizirani rezultati, ki dosegajo ali presegajo cilje projekta.
Optimizacija stavbnega ovoja in HVAC sistema
Optimizacija zasnove stavbnega ovoja in velikosti HVAC sistema je lahko precej zapletena. Postopek običajno zahteva iskanja kompromisov pri obratovalnem in vgrajenem ogljiku med obema sistemoma in včasih tudi pri sistemu razsvetljave, glede na velikost in vrsto zasteklitve.
Preprost pogled na kompromise je, da bo izboljšan stavbni ovoj s povečano izolacijo sten in strehe, izboljšanimi U-faktorji oken in izboljšanimi zračnimi/parnimi zaporami zmanjšalo potrebno velikost in delovanje HVAC sistema. Pri tem scenariju je ogljično ravnovesje videti takole:
- Povečanje vgrajenega ogljika v stavbnem ovoju z izboljšanjem njegovih energijskih performanc
- Zmanjšanje vgrajenega ogljika HVAC sistema in pripadajočega električnega sistema zaradi njihovega zmanjšanja
- Zmanjšanje obratovalnega ogljika HVAC sistema zaradi znižanih toplotnih obremenitev
- Zmanjšanje obratovalnega ogljika sistema razsvetljave z upravljanjem dnevne svetlobe
Modeliranje celotne življenjske dobe ogljične performančnosti stavbe z različnimi značilnostmi stavbnega ovoja predstavlja najboljše izhodišče za optimizacijo ravnovesja med stavbnim ovojem in HVAC sistemi. Ključni pristop predstavlja energijsko modeliranje različnih performančnih ravni stavbnega ovoja (npr. izhodiščna vrednost, 10 %, 20 % in 30 % izboljšava) v največ urnih korakih, priporočljivo v 15-minutnih, kar priznana programska oprema omogoča. Na podlagi teh modelov je mogoče oceniti vgrajeni in obratovalni ogljik stavbe, s čemer se določijo najboljše projektne možnosti izhajajoč iz zahtev projektne naloge in postavljenih ciljev.
Druge odločitve o projektiranem stavbnem ovoju, kot sta izbira materiala in vrsta konstrukcije, lahko vplivajo na vgrajeni ogljik, vendar ne smejo vplivati na izbiro in velikost HVAC sistema. Te odločitve pogosto vodijo drugi dejavniki, kot so cilji projekta, ki presegajo energijo in ogljik, razpoložljivost materialov in strokovnost (ne strokovnjaštvo!) projektantske skupine.
Pri vsem tem se je v osnovi potrebno zavedati, da se učinek toplotne izolacije (R-vrednost) stavbnega ovoja z vsakim dodatnim centimetrom ne povečuje sorazmerno za razliko od vgrajenega ogljika, ki pa je linearen; vsak centimeter dodatne izolacije ima enako vgrajeno emisije ogljika kot centimeter pred njim. Zato ima toplotna izolacija prelomno točko, nad katero dodajanje izolacije poslabša ogljični odtis stavbe v celotni življenjski dobi. Ta prelomna točka je edinstvena za vsak projekt in temelji na značilnostih zasnove stavbe, podnebju in faktorjih emisij električnega omrežja.
Projektiranje brezogljičnih stavb v Sloveniji
Projektiranje takšnih stavb na osnovi sedanjega PURES s pripadajočo TSG, v kateri manjkajo številne splošne in posebne zahteve za tehnične stavbne sisteme glede na v njih opravljano dejavnost, dejansko ni omogočeno. Dodatno oviro predstavlja ponovno »novoletno« podaljšane uporabe stacionarnega energijskega modeliranje še za dve leti, saj je, kot to predstavljeno, za izračun obratovalnega ogljika nujna izvedba številnih iteracij performančnosti stavbe v največ urnih korakih. Poleg tega je neprestano večletno odlaganje uporabe nestacionarnega energijskega modeliranja povzročilo popoln izpad slovenskih strokovnjakov na področju energijskega modeliranja stavb.
Za konec še informacija, vezana na napovedano prenovo PURES (tukaj). Do sestanka s predstavniki MOPE (še) ni prišlo, očitno je »obvisel v zraku«, kot to napovedano na filmski način (tukaj).