Dom autonomiczny. Konstrukcja i technologia

Idea domów autonomicznych zrodziła się w wyniku refleksji nad wpływem naszego sposobu życia na środowisko. Jesteśmy przyzwyczajeni do myśli, że degradacja środowiska jest przede wszystkim wynikiem działania przemysłu. To niewątpliwie poprawia nasze samopoczucie, ale nie zdejmuje z nas odpowiedzialności za stan środowiska.

Od lat w "Ładnym Domu" propagujemy budowę domów energooszczędnych. Nie ulega bowiem wątpliwości, że to właśnie energia zużywana przez budownictwo mieszkaniowe ma negatywny wpływ na środowisko.

Nasz Autonomiczny Dom Dostępny ma niemal zerowe zapotrzebowanie na energię ze źródeł nieodnawialnych, a małe nakłady na podniesienie standardu energetycznego gwarantują jego dostępność.

Fundamenty

Wybór sposobu posadowienia Autonomicznego Domu Dostępnego wcale nie jest taki oczywisty, jak się wydaje.

Najpopularniejsza metoda fundamentowania domu jednorodzinnego na ławach betonowych pod względem wytrzymałościowym sprawdza się jedynie wtedy, gdy w poziomie posadowienia jest choć trochę nośny grunt. Gdy tak nie jest, musimy się liczyć z kosztowną jego wymianą albo wybrać równie drogie fundamentowanie na palach lub studniach.

Jest jednak jeszcze większy problem, który był jak dotąd całkowicie pomijany przez projektantów. Otóż tradycyjny fundament jest jednym wielkim radiatorem, który przekazuje do gruntu ciepło napływające z domu przez ściany parteru i płytę podłogi. Sytuacji tej nie zmienia nawet bardzo dobre ocieplenie od zewnątrz ścian fundamentowych oraz całej powierzchni podłogi na gruncie.

O ile jednak w "zimnych" domach, czyli takich, które budowane są zgodnie z obowiązującymi w Polsce niezwykle łagodnymi pod względem energetycznym wymaganiami (choć uznanymi przez ustawodawcę za racjonalne), może i nie ma to specjalnie dużego znaczenia, o tyle w domach energooszczędnych tego ogromnego mostka cieplnego - jakim jest tradycyjny fundament - nie sposób już pominąć.

Dlatego, jeśli nie stać nas - ze względu na ogromne i wciąż rosnące koszty ogrzewania - na budowanie według rządowej "racjonalności", a w szczególności jeśli chcemy, by dom był dostępny ekonomicznie w rozumieniu najniższej sumy kosztów jego budowy i eksploatacji, to posadawianie go na klasycznym fundamencie powinno być wykluczone.

Fundament płytowy. Jedynym "słusznym" rozwiązaniem jest tutaj żelbetowa płyta fundamentowa, wykonana na solidnej izolacji termicznej z twardych płyt styropianowych. Dodatkową zaletą takiej płyty jest to, że z powodu jej dużej powierzchni, a przez to małych nacisków na podłoże, można na niej stawiać dom nawet na gruntach nienośnych, a więc zwykle tańszych.

Płyta fundamentowa ma jeszcze jedną zaletę - można w niej umieścić rurki wodnego ogrzewania podłogowego, co zmniejszy koszty inwestycji. W dodatku te same rurki mogą nam zapewnić komfortową i darmową klimatyzację latem.

Tradycyjny fundament potężnym mostkiem termicznym! Spróbujmy określić straty ciepła przez tradycyjny fundament. Zgodnie z normą, współczynnik strat ciepła przez styk podłogi i ścian parteru ze ścianą fundamentową wynosi 0,8 W/ (mK). Przy założeniu, że ławy i ściany fundamentowe (zewnętrzne i wewnętrzna) mają w domu o powierzchni parteru równej 100 m2 około 50 m długości, otrzymujemy wartość 0,8 × 50 = 40 W/K; oznacza to, że potrzebujemy rocznie aż 3750 kWh ciepła na pokrycie tych strat.

Nawet dla domów wybudowanych w niesłychanie energochłonnym standardzie energetycznym (określonym w warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki - wbrew oczywistym faktom - jako racjonalny), oznacza to około 13% całkowitego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania. Jest to zatem więcej niż ucieka go przez całą - bardzo słabo ocieploną, choć zgodnie z przepisami - podłogę na gruncie.

W naszym Autonomicznym Domu Dostępnym całkowite zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania jest mniejsze niż straty przez "fundamentowy" mostek ciepła, jaki stanowią ściana i ława fundamentowa. Zatem posadawianie go w tradycyjny sposób, na ławach, w żadnym razie nie powinno być tu zastosowane!

Zasobnik ciepła. W naszym domu potrzebne jest nam miejsce na gruntowy zasobnik ciepła, pozyskiwanego latem jako produkt uboczny przy produkcji energii elektrycznej w hybrydowych ogniwach PV-T.

Dobrym miejscem dla takiego zasobnika jest właśnie grunt pod budynkiem. Dzięki jego wysokiej temperaturze możemy zrezygnować z opłacalnej w tradycyjnych rozwiązaniach 40 cm warstwy izolacji termicznej podłogi na gruncie, i poprzestać jedynie na 15-20 cm warstwie styropianu, umieszczonej pod płytą fundamentową, która zapobiegać będzie przegrzewaniu się pomieszczeń latem przez ciepło zgromadzone pod domem.

Ściany zewnętrzne

Wybór rodzaju ściany zewnętrznej dla ADD jest niezwykle ważny. Po pierwsze dlatego, że w domach jednorodzinnych stanowią one prawie połowę powierzchni wszystkich przegród zewnętrznych, i co za tym idzie - odpowiadają za znaczną część strat ciepła. Po drugie - stanowią istotny element konstrukcji domu i muszą spełniać odpowiednie wymagania wytrzymałościowe. I po trzecie - montowane są w nich okna i drzwi, co generuje kolejne wymagania zarówno energetyczne (mostki ciepła), jak i konstrukcyjne (na przykład nadproża).

Połączenie tych wszystkich wymagań nie jest proste przede wszystkim dlatego, że materiały o dużej wytrzymałości konstrukcyjnej są złymi izolatorami ciepła, i odwrotnie - to, co dobrze izoluje, słabo przenosi obciążenia.

Trochę historii. Nowożytne budownictwa to w znacznej części próba pogodzenia wytrzymałości i izolacyjności ścian zewnętrznych. Pierwsze pomysły były, rzec można, ekstensywne. Dwa podstawowe materiały budowlane - drewno i cegła - używane były w nadmiarze, jeśli chodzi o ich właściwości konstrukcyjne, po to, by lepiej chroniły przed utratą ciepła. Mieliśmy zatem ściany grubości dwóch cegieł (50÷60 cm) i z bali drewnianych (20÷40 cm), choć z punktu widzenia konstrukcyjnego mogły być o wiele cieńsze.

Potem pojawiały się rozwiązania w postaci ścian z pustkami powietrznymi, zarówno z cegły, jak i z drewna (szkielet), zmniejszające zużycie materiałów i zwiększające ich opór cieplny.

Ogromna podaż energii charakteryzująca erę przemysłową nie zatrzymała poszukiwań materiałów, które pozwoliłyby taniej budować cieplejsze domy. W budownictwie drewnianym rynkiem zawładnęło lekkie budownictwo szkieletowe, a w cegle pojawiły się coraz liczniejsze dziury, czyli nastała era pustaków ceramicznych.

Z rynkiem pustaków z ceramiką zaczął konkurować beton. Pojawiły się spienione betony, ale także poryzowana ceramika, szukające kompromisu pomiędzy izolacyjnością a wytrzymałością na ściskanie materiałów ściennych. Każdy z pojawiających się materiałów do budowy ścian zewnętrznych rozwiązywał jakiś problem i zdobywał kawałek rynku.

Rozwijały się także technologie materiałów izolacyjnych i konstrukcyjnych przeznaczonych do budowy ścian warstwowych. Te zamiast szukać kompromisu izolacyjności z konstrukcyjnością, optymalizują wykorzystanie coraz lepszych właściwości konstrukcyjnych i izolacyjnych każdego z tych materiałów.

Ściana dla Autonomicznego Domu Dostępnego. Współczesny projektant ma do wyboru dziesiątki wariantów ściany zewnętrznej, a każdy z nich jest, zdaniem oferującego sprzedawcy, najlepszy. Racjonalny wybór rodzaju ściany zewnętrznej jest w tej sytuacji, bardzo trudny. Jeszcze trudniej jest wybrać technologię dla ADD, ze względu na założenie, że jedynym źródłem energii do jego ogrzewania będzie gruntowy zasobnik ciepła pod budynkiem.

Temperatura gruntu nie może, ze względu na straty ciepła, przekraczać 30 st.C. W konsekwencji o pojemności zasobnika gruntowego decyduje maksymalna temperatura zasilania wodnego ogrzewania podłogowego, która zależy od zapotrzebowania na moc. Jeżeli chcemy, by nie przekraczała ona 25 st.C, to zapotrzebowanie na moc musi być na poziomie 16 W/m2., a więc współczynnik przenikania ciepła ścian (z uwzględnieniem wszystkich mostków cieplnych!) nie powinien być wyższy niż U=0,1 W/(m2K). Dodatkowo, rozwiązanie musi być możliwie najtańsze, by dom był dostępny ekonomicznie.

W naszych rozważaniach odrzuciliśmy więc na wstępie ściany jednowarstwowe, ze względu na niemożność pełnego wyeliminowania mostków ciepła na styku stolarki otworowej ze ścianą. Pozostały nam do wyboru ściany warstwowe.

To nadal ogromny wybór, ale o tyle łatwiejszy, że założyliśmy ze względu na dostęp światła dziennego do pomieszczeń maksymalną grubość ściany 50 cm. Do wyboru pozostało nam kilkanaście wariantów w dwu technologiach. Pierwsza z nich to, ściana z elementów drobnowymiarowych, a druga - żelbetowy monolit, czyli prefabrykacja w fabryce domów lub na budowie.

Punkt rosy. O zaniechaniu technologii murowania ściany z elementów drobnowymiarowych przesądziły symulacje występowania punktu rosy, czyli miejsca blisko zewnętrznej powierzchni ściany, w którym - przy określonej wilgotności - para wodna zamienia się w wodę. Punkt ten występuje we wszystkich przegrodach zbudowanych z materiałów porowatych. Dotychczas, przy dopuszczanej przez prawo budowlane ogromnej energochłonności budynków, zjawisko to nie miało znaczenia, o ile tylko ilość wykroplonej wilgoci była na tyle niewielka, że zdołała odparować latem. Jeżeli jednak musimy zbudować ścianę o współczynniku U=0,1 W/(m2K), to kondensacja pary wodnej to uniemożliwia; zawilgocenie materiału budowlanego powoduje bowiem spadek jej izolacyjności.

Prefabrykacja na placu budowy. Rozwiązaniem okazały się prefabrykowane ściany monolityczne, wykonywane bezpośrednio na budowie. Mają one kilka wyjątkowych zalet. Od wnętrza domu mamy 5 cm warstwę zbrojonego betonu, co umożliwia zawieszenie regałów i szafek. Równocześnie ściana ma dostatecznie dużą pojemność cieplną, by optymalnie zagospodarować słoneczne i bytowe zyski ciepła.

Mimo niewielkiej grubości płyta łączy i usztywnia dwa żelbetowe słupki 7,5 × 15 cm, stanowiące układ konstrukcyjny domu. Ściana monolityczna ocieplona z zewnątrz 25 cm styropianu o x=0,031 W/(mK) pozwala na uzyskanie U=0,1 W/(m2K), bo nie występuje w niej punkt rosy. Nie ma także mostków ciepła pomiędzy ścianą a stolarką, (dzięki zastosowaniu montażu okien w warstwie ocieplenia) oraz w miejscu oparcia stropu nad parterem (dzięki wykorzystaniu 25 cm warstwy styropianu jako szalunku do wylania wieńca).

Ściany kolankowe poddasza. Poddasze w projekcie ADD ma podłużną ścianę kolankową, wykonaną z żelbetu w szalunku utworzonym ze styropianu i płyty OSB. Dzięki takiej konstrukcji ściana nie tylko przenosi obciążenia od dachu, ale ma także znakomitą wartość współczynnika U=0,09 W/(m2K).

Dach oraz ściany szczytowe poddasza

Krokwiowo-jętkowa konstrukcja dachu ocieplona jest 30 cm wełny mineralnej o współczynniku x=0,035 W/(mK). Ocieplenie osłonięte jest paroizolacją z folii refleksyjnej.

Południowa połać dachu. Jest ona przeznaczona do pozyskiwania energii słonecznej. Ponieważ zakładamy wzrost kosztów energii i zarazem szybki rozwój technologii, dach musi być przystosowany do prostej wymiany ogniw na nowe, o większej wydajności. Proponowane przez nas rozwiązanie to poszycie z płyty OSB (lub podobnej) z zamocowanym uniwersalnym systemem montażowym, osłoniętym wielowarstwowym pokryciem poliuretanowym. Pozwala ono na montaż odpowiedniej dla aktualnych uwarunkowań ekonomicznych ilości ogniw hybrydowych.

Północna połać dachu. Ma ona konstrukcję umożliwiającą utrzymanie na skosie dachu warstwy trawy i mchu. Zadaniem ich jest retencja i oczyszczanie wód opadowych, a także szarej wody (ścieków z umywalek, prysznicy, wanny i pralki). Te wymagania powodują, że także północna część dachu, a także daszki nad garażem, pomieszczeniem hobby i werandą wejściową wykonane są w tej samej technologii.

Ściany szczytowe poddasza. Mają one taką samą wartość współczynnika przenikania ciepła jak dach - U=0,09 W/(m2K). Będą one wykonane w technologii lekkiego szkieletu drewnianego wypełnionego styropianem, i zostaną - tak jak cały dom - ocieplone od zewnątrz 25 cm warstwą styropianu.

Okna pionowe i połaciowe

Dobór okien do Domu Autonomicznego, w kontekście ich wielofunkcyjności, jest bardzo ważny. Okna mają nam dostarczyć możliwie dużo światła słonecznego, chronić przed utratą ciepła i zapewnić możliwie niezniekształcony widok ogrodu.

Niestety, im lepiej okna chronią przed utratą ciepła, tym zwykle mniej energii słonecznej przenika zimą do pomieszczeń. Przed wyborem okien warto więc porównać:

- straty, które zależą od współczynnika przenikania ciepła Uw,

- z zyskami, które zależą od współczynnika przenikania energii słonecznej g.

Z prostych wyliczeń wynika, że często dla okien na elewacjach zachodnich i wschodnich, a prawie zawsze na elewacji południowej, drogie okna nazywane przez producentów pasywnymi, mają gorszy bilans zysków i strat niż najtańsze z zestawem szybowym o Ug=1,1 W/(m2K) i g=0,67.

A jeśli dodamy do okien rolety, które mają cały szereg dodatkowych poza ochroną cieplną funkcji, to bilans zysków i strat jest jeszcze korzystniejszy. W dodatku wielokomorowe zestawy szybowe deformują nieco obraz zewnętrznego świata, co ogranicza ich stosowanie w domu z pięknym ogrodem.

Więcej o Domu Autonomicznym

Technologia i konstrukcja Autonomicznego Domu Dostępnego to niezwykle istotne elementy opisywanego projektu. Bardzo ważne są jednak także inne przyjęte, opisane już przez nas (patrz słowa i wyrażenia linkujące), rozwiązania w zakresie:

- instalacji elektrycznej z ogniwami hybrydowymi, produkującymi prąd nie tylko na potrzeby domu, ale i na sprzedaż - czytaj TUTAJ

- ogrzewania - czytaj TUTAJ,

- chłodzenia i wentylacji z odzyskiem ciepła - czytaj TUTAJ,

- instalacji ciepłej i zimnej wody,

- oraz kanalizacji z przydomową oczyszczalnią ścieków i wykorzystaniem ścieków szarych - czytaj TUTAJ.

Zapisz się na NEWSLETTER. Co tydzień najnowsze wiadomości o budowie, remoncie i wykańczaniu wnętrz w Twojej poczcie e-mail: Zobacz przykład