Racionalus energijos vartojimas pastatuose siejamas ne tik su konkretaus pastato savininko ar nuomininko ekonominiais interesais, bet ir su nacionaliniais, regioniniais bei pasauliniais strateginiais tikslais. Lietuva yra įsipareigojusi Europos Sąjungai iki 2020 m bent 20 % sumažinti šiltnamio dujų išmetimą ir iki 20 % padidinti energijos kiekį, išgaunamą iš atsinaujinančių energijos šaltinių. Kitas svarbus aspektas, skatinantis atsinaujinančių energijos šaltinių naudojimą, tai nuolat brangstantis iškastinis kuras, kuris vis dar dažnai naudojamas pastatams aprūpinti šilumine ir elektros energija.
Inžinerinės sistemos turi būti nagrinėjamos šilumos gamybos ir atsinaujinančių energijos šaltinių naudojimo, pastato konstrukcijų šiluminių savybių, šiluminio komforto, oro kokybės ir poveikio žmogui kontekste. Statant sandarius, gera šilumine izoliacija išsiskiriančius pastatus, svarbu atsižvelgti ir į statybinių bei apdailos medžiagų sudėtį. Nuo šių medžiagų susidarantys teršalai kartu su nepakankamu vėdinimu ar prasta vėdinimo sistemos priežiūra gali lemti ligoto pastato sindromo (LPS) simptomų pasireiškimą žmonėms. LPS sąvoka yra apibrėžta Pasaulio sveikatos organizacijos kaip visuma cheminių ir fizikinių poveikių, dėl kurių pastatuose dirbantys arba gyvenantys žmonės skundžiasi erzinančiu kvapu, silpnumu, galvos svaigimu, pykinimu ir panašiais neaiškios kilmės negalavimais. Svarbu, kad ateities pastatuose energija nebūtų taupoma kenkiant žmonių savijautai ir sveikatai.
Reikalavimai pastatų energiniam naudingumui
Pagal Lietuvos Respublikos statybos įstatymus ir statybos techninius reglamentus nuo 2014 m. sausio 1 d. visi naujai statomi gyvenamieji, administraciniai ar kiti viešojo sektoriaus bei komercinės paskirties pastatai privalo atitikti ne žemesnę kaip B energinio naudingumo klasę. Tai reiškia, kad projektuojant ir statant naujus pastatus reikia atsižvelgti ne tik į norminius atitvarų reikalavimus,
bet ir į pastato inžinerines sistemas bei jų energinį efektyvumą. Kaip pavyzdį galima pateikti C ir B energinio naudingumo klasių reikalavimų skirtumą: pastatui pasiekti C energinio naudingumo klasę pakanka norminius reikalavimus atitinkančių atitvarų, o B energinio naudingumo klasės pastato metinės energijos sąnaudos neturi viršyti STR 2.05.01:2013 „Pastatų energinio naudingumo projektavimas“ reikalavimų. Šias sąnaudas lemia ne tik šilumos nuostoliai per pastato atitvaras, bet ir efektyvus pastato inžinerinių sistemų naudojimas bei jų techninės charakteristikos (1 lentelė).
Aukštesnės energinio naudingumo klasės pastatų, tokių kaip A, A+ ar A++, šiluminių savybių reikalavimai dar labiau sugriežtėja. Kartu su pastarąja STR 2.01.09:2012 „Pastatų energinis naudingumas. Energinio naudingumo sertifikavimas“ redakcija taikomas reikalavimas, kad A ir aukštesnės energinio naudingumo klasės pastatuose turi būti įrengta mechaninio vėdinimo sistema su rekuperacija (šilumogrąža). Vėdinimo sistemų techniniai parametrai priklauso nuo norimos pasiekti energinio naudingumo klasės (A energinės klasės pastate sumontuoto rekuperatoriaus temperatūrinio efektyvumo koeficientas turi būti ne mažesnis kaip 0,65, o A++ – ne mažesnis kaip 0,90). Be mechaninės vėdinimo sistemos įrenginio energinio naudingumo, vertinami ir kiti parametrai: energijos poreikis pastatui vėdinti kiekvieną mėnesį, vėdinimo sistemos tipas, rekuperatoriaus elektros energijos sąnaudos, į patalpas tiekiamam orui pašildyti naudojamo šilumos šaltinio naudingumo koeficientas, energijos šaltinių pirminės energijos faktorių vertės ir energijos, pagamintos iš atsinaujinančių ir neatsinaujinančių išteklių, sąnaudos. Todėl labai svarbu atkreipti dėmesį į tai, kad mechaninių vėdinimo sistemų projektiniuose sprendiniuose pirmenybė turi būti teikiama tokiems vėdinimo sistemų įrenginiams, kurių naudingumo koeficientas didžiausias, vėdinimo įrenginio naudojamo energijos šaltinio neatsinaujinančios pirminės energijos faktoriaus vertė mažiausia, o atsinaujinančios pirminės energijos faktoriaus vertė didžiausia.
Kalbant apie energiškai efektyvių pastatų projektavimą, reikia nepamiršti ir pastato apšvietimo sistemos energinių savybių. Projektuojant apšvietimo sistemas pirmenybė turi būti teikiama tokiai įrangai, kurios efektyvumo rodiklio vertės didesnės. Apšvietimo sistemos elektros energijos sąnaudoms skaičiuoti naudojamos 2 lentelėje nurodytos apšvietimo įrangos efektyvumo rodiklio ηE (lm/W) vertės.
Atliekant projektavimo darbus taip pat reikia įvertinti:
a) pastatas turėtų būti suprojektuotas taip, kad etaloninėmis pastato eksploatavimo sąlygomis nebūtų energijos poreikio pastatui vėsinti;
b) vertinant sandėliavimo, garažų, gamybos ir pramonės paskirties pastatų, kuriuose nėra vėsinimo įrenginių ir kurių projekte nenustatyta leistina patalpų temperatūra vasaros laikotarpiu, energinį naudingumą, energijos sąnaudos patalpoms vėsinti neskaičiuojamos.
Vienas svarbiausių pastato inžinerinių sistemų elementų, kuriam tenka didžioji pastato suvartojamos energijos dalis, tai – šildymo ir karšto buitinio vandens ruošimo sistemos. Kitaip nei ankstesnėse pastatų energinio naudingumo sertifikavimo redakcijose, karšto vandens (KV) ruošimo sistemų skaičiuojamąsias energijos sąnaudas sudaro:
- KV ruošimo įrangos energijos sąnaudos;
- energijos nuostoliai vamzdynuose tarp vandens ruošimo įrangos ir skirstomųjų stovų;
- energijos nuostoliai skirstomųjų stovų vamzdynuose;
- energijos nuostoliai patalpų skirstomuosiuose vamzdynuose;
- energijos nuostoliai karšto buitinio vandens talpose.
Todėl planuojant, projektuojant ar diegiant šildymo ir karšto vandens sistemas reikia žinoti, kad:
1) šildymo sistemų ir karšto buitinio vandens ruošimo sistemų projektiniuose sprendiniuose pirmenybė turi būti teikiama tokioms karšto vandens ruošimo įrangoms, kurių naudingumo koeficientas didžiausias, įrangos naudojamo energijos šaltinio neatsinaujinančios pirminės energijos faktoriaus vertė mažiausia, o atsinaujinančios pirminės energijos faktoriaus vertė didžiausia;
2) projektiniuose sprendimuose pirmenybė turi būti teikiama šildymo sistemoms su reguliavimo įtaisais, apimančiais viso pastato patalpų šildymo reguliavimą, su termostatiniais šildymo prietaisų ventiliais ir patalpų arba išorės termostatu;
3) nustatant projektines energijos sąnaudas pastatui šildyti turi būti įvertinti energijos nuostoliai šildymo sistemos akumuliacinėse talpose;
4) projektinės metinės šiluminės energijos sąnaudos pastatui šildyti turi būti ne didesnės už atitinkamos energinio naudingumo klasės pastatui nustatytas normines šiluminės energijos sąnaudas.
Šilumos gamyba ir atsinaujinančios energijos technologijos
Kad ir kokios atsinaujinančios energijos rūšys būtų taikomos pastate, svarbiausia sėkmingo atsinaujinančios energijos naudojimo pastate sąlyga yra gera pastato šilumos izoliacija ir atitiktis anksčiau pateiktiems pastato energinio naudingumo reikalavimams. Tik tokiu atveju pastate galimas taupus ir greitai atsiperkantis atsinaujinančių energijos šaltinių naudojimas.
Kauno technologijos universiteto Statybos ir architektūros fakultete studentai, studijuojantys pastatų inžinerinių sistemų specialybę, ypatingą dėmesį skiria pastatų renovacijos problemoms spręsti ir efektyviam atsinaujinančių energijos šaltinių naudojimo klausimui. Kaip rodo dėstytojų ir studentų atliekami tyrimai, iš atsinaujinančių energijos rūšių pastatams aprūpinti šilumine energija Lietuvoje geriausiai tinka įvairūs biokuro katilai, šilumos siurbliai bei saulės kolektorių sistemos. Šios sistemos gali būti taikomos ne tik individualiuose namuose, bet ir daugiabučiuose, pramoniniuose objektuose, bei centralizuoto šilumos tiekimo įmonėse.
Biokuras
Lietuva turi vieną geriausių potencialų visoje Europos Sąjungoje gaminti ir naudoti įvairių rūšių biokurą. Nemaža dalis individualių namų Lietuvoje nuo dujomis kūrenamų katilinių dalinai ar visiškai perėjo prie įvairių biokurą naudojančių katilinių arba naudoja kelių rūšių energiją pastatui aprūpinti šilumine energija. Tačiau didesnės biokuro katilinės diegiamos lėtai dėl kelių priežasčių: centralizuoto tiekimo sistemose nemažai dujinį kurą kūrenančių katilinių buvo atnaujintos per pastarąjį dešimtmetį ir dirba gana efektyviai, o investicijos įrengiant naują didelę biokuro katilinę labai didelės ir be paramos dažnai neįmanomos. Kita vertus, Lietuvoje yra nemažai geros praktikos pavyzdžių, kai perėjęs nuo iškastinio kuro naudojimo prie biokuro šilumos tiekėjas gamina gerokai pigesnę šiluminę energiją vartotojams. Pavyzdžiui, Molėtų mieste šilumos kaina vartotojams yra 18,58 ct/kWh, o Vilniaus mieste centralizuotai tiekiamos šilumos kaina – 24,07 ct/kWh (2014-03-01 duomenys iš www.lsta.lt).
Nepaisant pigesnės biokuro katilinių gaminamos šiluminės energijos, tiek mažos individualiuose namuose naudojamos, tiek didelės biokuro katilinės turi keletą trūkumų, tai – sudėtingesnė priežiūra, palyginti su dujomis kūrenama katiline ar šilumos siurbliu, praktiškai nėra centralizuotos biokuro tiekimo sistemos, kuro kokybė – prastai kontroliuojama.
Šilumos siurbliai
Kai kuriais atvejais, ypač kai nėra galimybės prisijungti prie centralizuotų šilumos tiekimo tinklų ar gamtinių dujų tinklo, vienas geriausių būdų pastatus aprūpinti šilumine energija yra šilumos siurbliai „vanduo–vanduo“, „oras–vanduo“ ar išskirtiniais atvejais – „oras–oras“ tipo. Tačiau šilumos siurbliai naudoja elektros energiją, kurios didžioji dalis šiuo metu Lietuvoje gaunama deginant iškastinį kurą arba importuojama iš gretimų šalių, todėl iš dalies šios rūšies energija mūsų šalyje negali būti priskiriama prie atsinaujinančių energijos šaltinių.
Pagrindinis šilumos siurblių trūkumas yra gana didelis elektros energijos poreikis – apie 20–40 %. Šilumos siurblio generuojama šiluminė galia ir elektros energijos poreikis labai priklauso nuo aplinkos, iš kurios energija imama, temperatūros.
Pastaraisiais metais ypač išaugus „oras–vanduo“ tipo šilumos siurblių naudingojo veiksmo koeficientui ir sumažėjus jų kainai, jie vis dažniau taikomi pastatams aprūpinti šilumine energija, dalinai ar visiškai šildyti ir (arba) karštam vandeniui ruošti. Vienas didžiausių šilumos siurblių „oras–vanduo“ pranašumų – mažesnės pradinės investicijos, palyginti su „vanduo–vanduo“ tipo šilumos siurbliais, trūkumas – mažesnis naudingojo veiksmo koeficientas esant žemoms temperatūroms lauke.
Šilumos siurbliams reikia santykinai nedaug priežiūros, nes šildymas dažniausiai yra visiškai automatizuotas, lengvai valdomas ir programuojamas, nereikia rūpintis kuru, pelenų šalinimu, įranga patikimai veikia bent 10 metų. Vienas didesnių trūkumų, stabdančių šilumos siurblių įvairesnį pritaikymą, yra didelės pradinės investicijos ir neprognozuojamas elektros energijos kainos kitimas. Įvertinus investicijas bei eksploatavimo laiką, daugumos šilumos siurblių pagamintos energijos kaina yra artima centralizuotai tiekiamai šilumos energijai ar dujomis kūrenamiems katilams, t. y. apie 23 ct/kWh.
Saulės kolektoriai
Saulės energiją šilumine energija verčiantys saulės kolektoriai yra ištobulinta ir ekonomiškai labai efektyvi šiluminės energijos gamybos technologija, kuri turi vis geresnes plėtros perspektyvas, ypač brangstant iškastiniam kurui. Saulės energija Lietuvoje jau sėkmingai naudojama vandeniui šildyti ne tik individualiuose namuose, bet ir didesniuose visuomeniniuose objektuose: baseinuose, pramoniniuose objektuose, prekybos centruose, kavinėse bei daugiabučiuose namuose.
Remiantis tyrimais, pagrindinis saulės kolektorių sistemų trūkumas yra tas, kad vėlų rudenį, žiemą ir ankstyvą pavasarį saulės energijos ištekliai aukštutinėse geografinėse platumose, kur yra ir mūsų šalies teritorija, yra labai maži. Todėl dažniausiai saulės kolektorių sistemos mūsų klimato juostoje naudojamos tiesiogiai karštam vandeniui ruošti, baseinams ir dalinai patalpoms šildyti.
Nepaisant didelio sezoniškumo, saulės kolektoriai gali puikiai papildyti pagrindinį pastato energijos šaltinį ir gali būti derinami su įvairaus dydžio biokuro katilinėmis. Pavyzdžiui, biokuro katilinė galėtų pastatą aprūpinti šilumine energija šildymo sezono metu, o šiltuoju metų laiku reikalingą energijos kiekį karštam vandeniui galėtų paruošti saulės kolektorių sistema. Parenkant saulės kolektorių sistemą, nereikėtų „persistengti“, kaip rodo KTU studentų ir dėstytojų atliekami tyrimai, racionaliausios sistemos yra tos, kurios skirtos padengti 40–50 % metinio ir iki 90 % šiltojo metų sezono karšto vandens poreikio. Įvertinus investicijas bei eksploatavimo laiką (apie 20 metų) vidutinio dydžio saulės kolektorių sistemų (50–100 m²) pagamintos energijos kaina yra apie 17,5 ct/kWh.
Vėdinimo ir oro kondicionavimo sistemų efektyvumas
Pagrindinis iššūkis ateities vėdinimo sistemoms – oro kokybės pastatuose užtikrinimas taupant energiją. Pastaraisiais metais vis didesnis dėmesys skiriamas moksliniams tyrimams, skirtiems mikroklimato poveikio žmogaus sveikatai ir darbingumui identifikuoti bei vėdinimo ir oro kondicionavimo sistemų efektyvumui didinti.
Kaip pavyzdį galima pateikti nustatytą priklausomybę tarp žmonių darbingumo atliekant matematinius veiksmus, suvokimo ir koncentracijos užduotis, kurias darant žmogaus produktyvumas gali sumažėti iki 20 %, jei oro temperatūra neatitinka optimalios +22,6 °C vertės (1 paveikslas). Oro kaita, ligoto pastato sindromo simptomų pasireiškimas ir kiti mikroklimato veiksniai taip pat turi reikšmingą įtaką žmonių darbingumui. Šių tyrimų rezultatai gali būti taikomi atliekant kompleksinę analizę naujai statomiems arba renovuojamiems administraciniams pastatams, įvertinti inžinerinių sprendimų poveikį energijos bei žmonių darbingumo aspektais ir paneigia suvokimą, kad gerų mikroklimato parametrų palaikymas yra neatsiperkanti investicija. Yra apskaičiuota, kad negautos pajamos, kurias įmonė patiria dėl darbuotojų praleistų darbo dienų ir sumažėjusio jų darbingumo, yra gerokai didesnės nei išlaidos gero mikroklimato palaikymo sistemoms įrengti ir jas prižiūrėti.
Viena dažniausiai taikomų vėdinimo sistemos energinio efektyvumo didinimo priemonių – šilumogrąžos įrenginiai (rekuperatoriai, regeneratoriai). Kitas svarbus aspektas – vėdinimas pagal poreikį. Lietuvoje jau yra įdiegta mechaninio vėdinimo sistemų, kurių našumas keičiamas pagal patalpų užimtumą, taikant anglies dvideginio koncentracijos ar kitus jutiklius. Tai leidžia mažinti oro kaitą atskirose pastato dalyse tuo atveju, kai jose nėra žmonių, ir sutaupyti šiluminės bei elektros energijos orui apdoroti ir transportuoti.
Tiek energijos vartojimo, tiek poveikio žmogui požiūriu ne mažiau svarbus yra ir oro paskirstymo metodo parinkimas. Vėdinimo sistemos efektyvumas, kurio vertė gali svyruoti apytiksliai nuo 0,2 iki 1,5, yra rodiklis, nurodantis, kiek efektyviai iš patalpos pašalinami teršalai, taikant konkretų oro paskirstymo būdą. Pavyzdžiui, visuomeniniuose ar administraciniuose pastatuose gali būti taikomas išstumiamasis vėdinimas, kurio pagrindą sudaro žemesnės temperatūros oro tiekimas į apatinę patalpos dalį, naudojant specialius mažo greičio oro skirstytuvus, ir šilto užteršto oro šalinimas viršutinėje patalpos dalyje. Tinkamai suprojektuotos šio tipo sistemos efektyvumas gali siekti apie 1,4, o tai reiškia, kad tam pačiam oro švarumo lygiui žmonių veiklos zonoje užtikrinti pakanka 33 % mažesnės oro apykaitos, nei taikant įprastą sumaišomojo vėdinimo schemą. Vystomos ir kitos oro paskirstymo technologijos, tokios kaip asmeninis vėdinimas, kurio pagrindą sudaro oro tiekimas individualiai kiekvienam asmeniui.
Lietaus vandens naudojimas
Vanduo yra vienas svarbiausių gamtos išteklių. Ypač svarbus yra gėlas geriamasis vanduo, kurį kasdieniame gyvenime nuolat naudojame įvairiais tikslais. Vandens poreikis pastatuose gali skirtis, jis paprastai nustatomas vadovaujantis vandens vartojimo norma RSN 26-90. Įprastai tiekiamas į pastatus vanduo turi atitikti geriamojo vandens saugos ir kokybės reikalavimus HN 24:2003, tačiau daug buityje naudojamų prietaisų, tokių kaip klozetai, skalbimo mašinos, laistymo čiaupai ir t. t., gali naudoti ir prastesnės kokybės vandenį. Kaip alternatyvus buitinio vandens šaltinis gali būti naudojamas lietaus vanduo.
Vidutiniškai vienas žmogus per parą buityje suvartoja apie 130 litrų vandens. Šio vandens naudojimas, naudojant ir lietaus vandenį, gali būti sumažintas iki 50 %. Kadangi lietaus vanduo nieko nekainuoja, tai pastaruoju metu vis populiarėja lietaus naudojimo sistemos. Įprastai tokias sistemas sudaro požeminis arba antžeminis vandens rezervuaras, nuolat papildomas lietaus vandeniu nuo stogų, su lietaus vandens tiekimo į pastatą sistema. Šiandienės lietaus vandens kaupimo ir tiekimo technologijos vis dar yra santykinai brangios, jų atsipirkimo trukmė turi būti detaliai įvertinta. Tačiau žvelgiant į ateities perspektyvas šių sistemų diegimas pastatuose neišvengiamas dėl visame pasaulyje jaučiamo gėlo vandens stygiaus.
Inžinerinių sistemų valdymas
Šiuolaikiniame technologijų amžiuje kasdien girdimi žodžiai: protingas, išmanus, sumanus, intelektualus. Šiais žodžiais apibūdinami ne tik telefonai ir kompiuteriniai prietaisai, bet ir procesai ar sistemos. Išmaniojo namo sąvoka suprantama kaip namas, turintis valdymo sistemą, į kurią sujungti pagrindiniai elektros (apšvietimo, apsaugos, žaliuzių valdymo ir pan.) ir mechaniniai prietaisai (šildymo, vėdinimo ir oro kondicionavimo sistemos). Valdymo sistema leidžia prietaisus valdyti nuotoliniu būdu, stebėti ir kaupti informaciją apie prietaisų veikimą. Taip galima taupyti energiją, užtikrinti saugumą ir komfortiškas gyvenimo sąlygas.
Šiuo metu sparčiai tobulėjančių pastatų informacinių sistemų naudojimas išaugo kartu su komunikacijų, valdymo technologijų, kompiuterinės įrangos ir informacinių technologijų pažanga. Dauguma pastatų inžinerinių valdymo sistemų yra sujungiamos su internetiniais serveriais, taip pastato inžinerines sistemas galima valdyti ir stebėti jų darbą ne tik tiesiogiai per valdymo pultelius ant sienų, bet ir nuotoliniu būdu. Internetiniuose serveriuose valdymo sistemos atvaizduojamos vartotojui lengvai suprantama forma, taigi matyti ir valdyti pastato inžinerines sistemas galima iš bet kurios pasaulio vietos, bet kokiu prietaisu, turint interneto ryšį. Pavyzdžiui, šildymo, vėdinimo įranga gali būti automatiškai reguliuojama pagal laiką, nustatytus scenarijus, žmonių buvimo vietą. Pastatas gali būti išvėdinamas, kai nėra žmonių, o šildymas įjungiamas prieš grįžtant į namus. Informacinių technologijų ir įrangos automatizavimo integracija į pastatų inžinerines sistemas daro mūsų gyvenimą patogesnį, efektyvesnį, taupesnį ir išmanesnį.
Informacinis statinio modeliavimas
Norint užtikrinti inžinerinių sistemų valdymo kokybę, būtina turėti tvarkingą ir aiškią techninę dokumentaciją. Įprastai tokią dokumentaciją sudaro aiškūs ir informatyvūs brėžiniai, išsamios įrangos ar medžiagų techninės specifikacijos, medžiagų žiniaraščiai bei aiškinamieji raštai. Įprastai kiekvienas šių dokumentų yra rengiamas atskirai, todėl neišvengiama įvairių klaidų. Didžiausią informacinę naudą valdant inžinerines sistemas turi brėžiniai ir techninės specifikacijos, todėl šių dokumentų rengimas projektavimo stadijos metu turi būti ypač kruopštus.
Kad išvengtų daugybės projektavimo klaidų, vis daugiau projektuotojų stengiasi iš įprastos CAD (angl. Computer Aided Design) aplinkos pereiti prie BIM (angl. Building Information Modelling). Tai informacinis statinio modeliavimas, kurio metu yra kuriama ir valdoma visa statinio informacija visais jo gyvavimo ciklais – nuo pirminės projekto koncepcijos sukūrimo iki jo nugriovimo. Pastato informacinis modeliavimas skirtas tiksliau, paprasčiau ir daug greičiau priimti sprendimus bet kuriuo statinio gyvavimo etapu. BIM inžinerinių sistemų modelis gerokai palengvina jų valdymo procesus, o sugedus bet kuriam inžinerinės sistemos elementui BIM modelis padeda greitai ir lengvai jį identifikuoti.
