Enerģijas bilance – informatīvs apraksts

Enerģijas bilances čaula

Enerģija vienmēr saglabājas – tā nekad nepazūd. Tomēr enerģija var pamest noteiktu vietu, ko var interpretēt kā „enerģijas zudumus” šajā konkrētajā vietā.

Tāpēc enerģijas bilances var tikt sagatavotas tikai telpiski ierobežotām vietām ar skaidri definētām robežām. Šīs robežas sauc par ēkas čaulu jeb ēkas norobežojošajām konstrukcijām.

Ja ir runa par apkuri vai dzesēšanu, tad apskatāmā platība ir „apsildāmā vai dzesējamā platība” vai, precīzāk, visas ēkas telpas, kurās ir svarīgi komfortabli temperatūras apstākļi. Parasti ir izdevīgi bilancē iekļaut visas „pasīvi apsildītās” zonas, ja tas vienkāršo bilances čaulu. Pārsvarā izpratne par čaulu tiek veidota praktiski – ēkās ir sevišķi ērti par bilances robežu noteikt ēkas siltumizolēto konstrukciju ārpusi.

Apkures vai dzesēšanas mērķis ir ēkā noturēt patīkamu, t.i. nemainīgu temperatūru.

Siltuma zudumi un siltuma ieguvumi

Aplūkosim siltuma plūsmu, kas pamet bilancē iekļauto platību caur ēkas norobežojošajām konstrukcijām (čaulu), piemēram, silts gaiss, kas izplūst caur logu. Vispirms šis siltuma zudums samazinātu enerģiju bilances platībā, tātad temperatūra ēkā kristos. Taču, lai nodrošinātu vienmērīgu temperatūru, tas jānovērš, tādēļ pazaudētais siltums jāaizstāj ar jaunu siltuma plūsmu no ārpuses uz iekšu. (Attēls nr. 1)

Attēls nr. 1.: Siltuma zudumi (pārvades un ventilācijas zudumi) notiek caur ēkas čaulu. Arī siltuma guvumi nokļūst ēkā caur čaulu. No enerģijas nezūdamības likuma viedokļa guvumu summai jābūt vienādai ar zudumu summu, ja vien iekšējais enerģijas daudzums nemainās. Avots: Martin Ploss, EIV

• Svarīga piezīme: Vajadzība pēc siltuma nodrošināšanas rodas tikai no siltuma zudumiem. Enerģijas nezūdamības dēļ pati ēka paliek silta – kamēr vien nenotiek siltuma zudumi. Diemžēl ir daudz dažādu efektīvu veidu, kā karstāki elementi pārnes siltumu uz aukstākiem elementiem vai vidi. Ja siltākais elements nav speciāli norobežots („siltumizolēts”), daudz siltuma zūd siltuma vadīšanas, konvekcijas un siltuma starojuma rezultātā.

„Sildīšana” ir tikai siltuma zudumu aizvietošana, tāpēc var tikt ierobežota, izvairoties no zudumiem

• Laimīgā kārtā eksistē arī brīvie „siltuma ieguvumi”, piemēram, saules starojums caur logiem (tā saucamā pasīvi solārā enerģija) un enerģija, kas ēkā nokļūst caur elektrotīkliem un sastāda tā saucamos „iekšējos siltuma guvumus”. Tajos ir ietverts arī siltums, ko izstaro cilvēku ķermeņi ēkā. Arī šī enerģija tiek pārvadīta caur ēkas čaulu, kad cilvēki ienāk mājā vai arī ienes tajā siltu ēdienu.
• Enerģijas bilanci ir viegli sastādīt, balstoties uz šiem vienkāršotajiem apstākļiem:

Siltuma zudumu summa ir vienāda ar siltuma ieguvumu summu

Tā kā siltuma zudumus var noteikt salīdzinoši viegli (tie lielā mērā ir atkarīgi no siltumizolācijas), un arī iekšējos siltuma guvumus un pasīvi solāro enerģiju var gana precīzi aprēķināt, tad atlikušo nepieciešamo siltumenerģijas daudzumu var iegūt, izmantojot enerģijas bilanci.

• Ir tikai viena neliela problēma: pārlieku lieli enerģijas ieguvumi no saules starojuma. Šī siltuma daļa nevar tikt produktīvi izmantota, tāpēc tā ir jānosaka precīzi. Šo problēmu var risināt, izmantojot simulāciju datorprogrammas, kas īsā laikā nosaka enerģijas bilances. Ikdienā izmantojamas un praksē apstiprinātas ir arī vienkāršotas aprēķinu formulas, kas ir atrodamas, piemēram, Eiropas normatīvā EN 832 (tagad starptautiski klasificēts kā ISO 13790). Praktisku apsvērumu dēļ šīs formulas ir integrētas arī Pasīvo Ēku Projektēšanas Programmā (PHPP).

Diskusija par apkures mērķi

Vai apkures mērķis patiešām ir tikai uzturēt ēkas temperatūru vienmērīgu? Lai gan tas ir vispārinājums, tas visnotaļ labi apraksta apkures nolūku, it īpaši, ja runa ir par augstas kvalitātes ēkas norobežojošajām konstrukcijām. Šis jautājums var tikt apskatīts no dažādiem aspektiem:

1. Kāpēc noteiktām telpām termiskās čaulas iekšienē vajadzētu būt pasīvi apsildītām līdz ar visām citām ēkas telpām, ja tajās nav nepieciešama apkure?
   Galvenais iemesls ir tāds, ka, ja neapkurināmas telpas tiek iekļautas ēkas termiskajā čaulā, tas samazina celtniecības un enerģijas izmaksas – ja vien norobežojošo konstrukciju virsma tādējādi tiek samazināta.
2. Vai nav taisnība, ka atšķirīga temperatūra dažādās telpās un temperatūras variācijas dienas gaitā nāk par labu veselībai?
   Citējot Oli Fangeru (no „Termālais komforts”): „Tas, ka ķermeņa iekšējai temperatūrai ir dienas ritms, ir labi zināms fakts. Temperatūra ir visaugstākā neilgi pirms gulēšanas, un viszemākā – īsi pirms pamošanās. Tomēr Nevinss eksperimentos, kas veikti pēcpusdienā un vakarā, nenovēroja nekādu optimālās temperatūras atšķirību – šis novērojums ir apstiprinājies arī tagadējā [Fangera] pētījumā. Ja temperatūras dienas ritms atstāj jebkādu iespaidu uz komfortu, tad iespaids, visticamāk, ir tik neliels, ka tam nav nekādas praktiskas nozīmes.”
3. Vai apkures samazināšana naktī (vai nedēļas nogalē) nedod enerģijas ietaupījumus?
   Protams, dod. Tomēr labi siltumizolētās ēkās tie nav sevišķi lieli.
4. Dažreiz tiek kritizēta arī aprēķinu metode:
   Vai (nemainīgas) U-vērtības vispār var tikt izmantotas aprēķinos? Vai siltuma uzglabāšana nav svarīgāka par siltumizolāciju, un vai gadījumā visa U-vērtību aprēķināšanas metode nav nepareiza?
   Nē, daudzās sistemātiskās analīzēs ir pierādīts, ka U-vērtību aprēķina metode ir pareizā pieeja. To apstiprina arī enerģijas bilances aprēķina salīdzinājums ar mērījumiem uz vietas.

Atsauces platība: lietderīgā apkurināmā platība

Vai tā ir svarīga tēma? Ne sevišķi – tas ir vienošanās jautājums. Svarīga ir saturiskā kvalitāte – atsauces platības palielināšana ir populārs faktu „uzspodrināšanas” veids. Tomēr izmantotie lielumi un to nozīme ir būtiska, tāpēc ir svarīgi nodrošināt caurskatāmību pat šādās šķietami triviālās tēmās.

Galvenā prasība ir caurskatāmība: lietojot konkrētas vērtības (mērītas kWh/(m²a)), jānorāda, uz kādu platību tās attiecas. Citādi sniegtās vērtības jāuztver ar piesardzību un, ja rodas šaubas, atsaucei jāizmanto lielākā iespējamā platība.

Enerģijas bilance ir visas informācijas pamatā. Enerģijas bilances sagatavošana ir neatkarīga no izvēlētās lietderīgās apkurināmās platības (par to vēlāk). Enerģijas bilances rezultāts ir kopējā gada enerģijas vajadzība (aprēķināta) vai arī ar mērījumu palīdzību iegūts gada kopējais enerģijas patēriņš, no kuriem abi tiek uzrādīti enerģijas vienībās uz gadu (parasti kWh/a). Ja pastāv šaubas par konkrētajām vērtībām, parasti ir vieglāk noskaidrot kopējo gada enerģijas vajadzību vai arī enerģijas patēriņu. Vismaz šajā gadījumā nevar rasties domstarpības atsauces platības dēļ (kā ar enerģijas nodrošināšanas sistēmu: vai tā ir lietderīgā enerģija (piem., siltumenerģija), gala enerģija (piem., elektrība) vai primārā enerģija? Arī tas jānorāda).

Kāpēc ir nepieciešamas konkrētas vērtības?

Ja reiz kopējā patēriņa dalījums ar atsauces platību izraisa tik daudz pārpratumu, kāpēc tas vispār tiek izmantots? Kāpēc vienkārši neizmantot absolūtās gada enerģijas vajadzības vai patēriņa vērtības?

Atbilde ir samērā vienkārša – ēku izmēri ir atšķirīgi. Salīdzinot vienģimenes māju ar daudzstāvu dzīvojamo ēku ar 3000 dzīvokļiem, absolūtās vērtības neko neizsaka. Ir jānovērtē patēriņš attiecībā pret iegūto labumu. Bet kas tieši ir šis labums? Par to trūkst acīmredzamas vienprātības, tāpēc arī pastāv dažādi veidi, kā risināt šo jautājumu.

Kas ir „pareizā” atsauces vērtība?

„Pareizā” atsauces vērtība nepastāv, ir vienīgi vairāk vai mazāk piemērotas vērtības.

• Boršs-Lākss un citi ir izteikuši versiju, ka ir nepieciešams ņemt vērā mājas iedzīvotāju skaitu (kWh uz cilvēku gadā). Bet kas notiek, kad bērni izaug un pamet vecāku mājas? Šis nav piemērots veids, kā mērīt ēkas kvalitāti, un ir prātīgi izmantot metodi, kas apskata kvalitāti.
• Citi (piemēram, Vācijas Inženieru Asociācija) dod priekšroku bruto tilpuma kā atsauces vērtības izmantošanai (kWh/m³). Kritiķi, savukārt, apgalvo, ka, palielinot siltumizolācijas biezumu, siltuma vajadzība samazinātos automātiski lielākā atsauces tilpuma dēļ. Tās, protams, ir muļķības, tomēr citi „neizmantojamie” tilpumi arī var palielināt konkrēto enerģijas vērtību. Tas noved pie nepamatotas optimizācijas – tiek izbūvēti lielāki tilpumi nekā nepieciešams, tādējādi uzrādot labākas konkrētās vērtības. Tas nav akurāti.
• Atbilstoši Vācijas Enerģijas taupīšanas rīkojumam (EnEV), „izmantojamā” platība A_N ir vienkārši bruto tilpums pārvērsts divdimensiju platībā:
  A_N= 0,32 m^-1 V
  Šī „platība” nevar tikt reāli izmērīta – tā ir tīri matemātiska vērtība – un palielinās proporcionāli biezākai siltumizolācijai vai ieskaitot dažādus „neizmantojamos” tilpumus. Tātad arī šī metode nav piemērota.
• Bruto ēkas platība A_BGF ir nepabeigtas ēkas visu grīdu platība. To ir ļoti viegli noteikt un izmērīt, bet tā ietver arī visas neizmantojamās platības, kā starpsienas, piekļuves telpas u.c.. A_BGF ir vislielākā no šeit apspriestajām platībām. Tā bieži tiek izmantota Šveicē, piemēram, MINERGIE ® enerģijas standartā. Tāpēc šveiciešu vērtības vienmēr izskatās tik labas!
• Dzīvojamā platība A_WF tiek definēta kā visas pieejamās, mēbelētās platības, kas netiek lietotas tikai kā noliktavas. Vienīgais trūkums ir tāds, ka dzīvojamā platība tiek definēta dažādi atkarībā no katras valsts standartiem, par ko vienojas attiecīgās namsaimnieku un īrnieku asociācijas. Pārsvarā arī ārējās platības tiek iekļautas dzīvojamajā platībā, tomēr tās tiek ierēķinātas tikai daļēji (piemēram, uz pusi).
• Apkurināmā dzīvojamā platība A_behWF tiek definēta kā dzīvojamā platība, kas atrodas termiskās čaulas iekšpusē. Šī platība ir labs apkures lietojamības mērs. Arī šai metodei ir tas pats trūkums – nacionālo standartu atšķirības.
• Lai saglabātu dzīvojamās platības kā atsauces platības priekšrocības un tajā pašā laikā izvairītos no nacionālo standartu radītajām nesakritībām, CEPHEUS pilotprojekts ieviesa „lietderīgo apkurināmo platību” (TFA). Lietderīgā apkurināmā platība daudz neatšķiras no apkurināmās dzīvojamās platības. Aprēķinu metode dažviet ir vienkāršota un pielāgota enerģijas bilances vajadzībām. Izmantojot šo metodi, tiek ņemtas vērā arī apkurināmās palīgtelpas.

Kādu iespaidu šī metode atstāj uz rezultātiem?

Pavisam vienkārši – absolūtie rezultāti nemainās nemaz. Neatkarīgi no atsauces laukuma, tiek patērēts tas pats enerģijas daudzums. Tomēr, aplūkojot jautājumu subjektīvi, rezultāti izskatās labāk, ja atsauces platība ir lielāka. Zemāk dotajā piemērā tā ir atšķirība līdz pat 26%, bet citos gadījumos atšķirība var sasniegt pat 30%.

Vajadzība kā īpatnējā vērtība

Ja siltumenerģijas vajadzība ir noteikta vērtība, kā tas ir Pasīvo Ēku standartā (15 kWh/(m²a)), tad citas īpatnējās vērtības var tikt aprēķinātas vienīgi, atsaucoties uz lietderīgo apkurināmo platību, uz kuras ir balstīta vajadzība.

Tādējādi iepriekš aprakstītā formālā problēma iegūst fundamentālu nozīmi. Ja ēkas siltumenerģijas patēriņš tiek noteikts zem 15 kWh/(m²a), atsaucoties tikai uz bruto ēkas platību, tad tā nav pasīvā ēka, jo pasīvās ēkas robežvērtība ir balstīta uz TFA. Tas var sagādāt nopietnas problēmas. 15 kWh/(m²{dzīvojamā platība}) vajadzības vērtība ir noteikta tādā veidā, ka pasīvā ēka ar tādu pašu siltumizolācijas līmeni arī darbosies kā pasīvā ēka. Ja patiesībā ēkas siltumenerģijas vajadzība ir 20 kWh/(m²a), atsaucoties uz lietderīgo dzīvojamo platību, tad var gadīties tā, ka projektētā pasīvās ēkas apkures sistēma būs nepietiekama, un sliktākajā gadījumā „ne-gluži-pasīvā-ēka” paliks auksta.

Tāpēc ir svarīgi, lai visa informācija, kas ir balstīta uz platību, atsauktos uz to pašu platību, uz kuras pamata ir noteikta siltumenerģijas vajadzība. Pasīvo ēku standartā šī platība ir apkurināmā dzīvojamā platība, jo balkonam ir tikpat maz sakara ar apkuri kā kāpņu laidumiem, iekštelpu sienu šķērsgriezumiem un citām nelietojamajām telpām. Daļa no projektēšanas uzdevuma ir nodrošināt, lai platību, kas netiek iekļautas aprēķinos, nekļūtu pārāk daudz, citādi būvniecība kļūs dārgāka un neefektīvāka.

Ja konkrētas vērtības tiek „uzlabotas”, vienkārši palielinot atsauces platību, tad tas nepalīdzēs ne klimata aizsardzībai, ne enerģijas taupīšanai, ne CO₂ emisiju samazināšanai.

Nobeigums

Visa šī informācija palīdz viegli saprast, kā darbojas pasīvās ēkas. Tas ir ilustrēts zemāk redzamajā attēlā nr. 2. Pasīvo ēku koncepcija pārsvarā balstās uz siltuma zudumu samazināšanu ēkā. Brīvie siltuma guvumi tādā gadījumā ir gandrīz pietiekami, lai uzturētu telpu temperatūru komfortablā līmenī. Siltuma zudumu samazinājumu galvenokārt nodrošina laba siltumizolācija, pasīvo ēku logi un augstas efektivitātes ventilācija ar siltuma atgūšanu no izplūdes gaisa. Tādējādi soli pa solim var uzlabot enerģijas bilanci un sasniegt pasīvo ēku standartu.

Enerģijas bilances var arī palīdzēt identificēt svarīgākās enerģijas plūsmas un enerģijas zudumus citās jomās. Tas vienmēr ir pirmais solis ceļā uz zudumu samazināšanu.

Attēls nr. 2.: Enerģijas bilance, sākot tradicionālu zema enerģijas patēriņa ēku beidzot ar pasīvo ēku. Ja zudumi tiek konsekventi samazināti, tad saules siltuma guvumi (dzeltenā krāsa) un iekšējie siltuma guvumi (zaļā krāsa) var kompensēt lielāko daļu zudumu. No atsevišķas apkures sistēmas var atteikties, ja maksimālā siltumslodze nepārsniedz 10 W/m2, tādā gadījumā ventilācija ar siltuma atguvi nosedz visu siltumenerģijas patēriņu. Avots: Helmut Krapmeier, EIV

Attēlotā enerģijas bilance tika aprēķināta, izmantojot PHPP. Neskaitāmos projektos ekspluatācijā izmērītās vērtības ļoti precīzi atbilst aprēķinātajai enerģijas bilancei. Lietderīgā apkurināmā platība šeit ir apkurināmā dzīvojamā platība. Lietderīgā apkurināmā platība nemaina enerģijas bilanci, bet dažkārt liek rezultātiem izskatīties īpaši labiem.

Izmantotā literatūra

Energiebilanz und Temperaturverhalten; Protokollband Nr. 5 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser, 1. Auflage, Passivhaus Institut, Darmstadt 1997
Enerģijas bilances un termiskās īpašības; Ekonomiski izdevīgu pasīvo ēku izpētes gupas protokols nr. 5; pirmais izdevums, Pasīvo ēku institūts, Darmštate, 1997.gads.
(pieejams tikai vāciski)

Energiebilanzen mit dem Passivhaus Projektierungs Paket; Protokollband Nr. 13 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser, 1. Auflage, Passivhaus Institut, Darmstadt 1998
Enerģijas bilances ar Pasīvo Ēku Projektēšanas Programmu (PHPP); Ekonomiski izdevīgu pasīvo ēku izpētes gupas protokols nr. 5; pirmais izdevums, Pasīvo ēku institūts, Darmštate,1998. gads.
(pieejams tikai vāciski)

Thermische Gebäudesimulation; 1. Auflage, 366 Seiten, 1994
Ēku termiskā simulācija, pirmais izdevums, 1994. gads

Feist, W.; Pfluger, R.; Kaufmann, B.; Schnieders, J.; Kah, O.: Passivhaus Projektierungs Paket 2007, Passivhaus Institut Darmstadt, 2007
Pasīvo Ēku Projektēšanas Programma 2007, Pasīvo ēku institūts, Darmštate, 2007.gads

Avots:
Passipedia, „Enerģijas bilance. Informatīvs apraksts.”, Passipedia [online] [http://passipedia.passiv.de/passipedia_en/planning/calculating_energy_efficiency/energy_balances_-_background#treated_floor_area]