Spełnienie wymagań technicznych WT2014 drogą ograniczenia strat ciepła

Transkrypt

1 Spełnienie wymagań technicznych WT2014 drogą ograniczenia strat ciepła Od 01 stycznia 2014 r. obowiązują nowe wymagania techniczne (WT2014) zawierające ostrzejsze niż dotąd warunki ograniczenia energochłonności wszystkich rodzajów budynków wymagających zasilenia w energię - także najmniejszych nawet domów jednorodzinnych. Projekt architektoniczno-budowlany każdego typu budynku, od początku obecnego roku, zgodnie z rozporządzeniem [3], musi zawierać nie tylko szczegółową charakterystykę energetyczną, ale także techniczno-ekonomiczną analizę możliwości racjonalnego wykorzystania wysokoefektywnych alternatywnych systemów zaopatrzenia budynku w energię i ciepło - ze szczególnym uwzględnieniem energii ze źródeł odnawialnych. Mało tego, analiza ta musi zawierać optymalizacyjne porównanie dwóch wybranych systemów zaopatrzenia w energię: konwencjonalnego i alternatywnego lub hybrydowego oraz wykazanie celowości wyboru systemu zawartego w sporządzonym projekcie. To zupełnie nowe zadanie dla architekta - jako osoby odpowiedzialnej za całość projektu architektoniczno-budowlanego. Architekt, może osobiście wykonać obowiązujące analizy, jak też może skorzystać z pomocy specjalisty fizyki budowli. Niezależnie od drogi, jaką wybierze, powinien w miarę swobodnie poruszać się po tych zagadnieniach, co pozwoli mu nie tylko znaleźć wspólny język z konsultantem, ale znacznie usprawni proces tworzenia projektu, bowiem w trakcie analiz nieuniknione są wielokrotne zmiany i modyfikacje już na etapie tworzenia projektu wstępnego budynku. Pierwsze projekty architektoniczno-budowlane tworzone wg nowych już zasad wykazują pewną nieznajomość architektów odnośnie zakresu analiz i ich wpływu na poszczególne elementy budynku. Często wyniki analiz i warunki spełnienia wymagań WT2014, wymuszają od architekta kompletnej przebudowy zaplanowanej koncepcji budynku. Nowe projektowanie budynków, przypomina trochę akrobacje modelu samolotu na uwięzi - niby model lata i czyni nawet akrobacje, ale tylko na tyle, na ile pozwala linka trzymana w ręku modelarza. O tym musi wiedzieć współczesny architekt. Przykład praktyczny Rozpatrzmy tylko część zakresu wykonywanych analiz - aspekt cieplno-energetyczny. Nic bardziej nie przemawia, jak przykład z życia wzięty. Dopasujmy do wymagań WT2014 pierwszy z brzegu projekt domu jednorodzinnego, którego wizualizację przedstawia rysunek 1. Dane: Dom dla rodziny 4-osobowej - częściowo podpiwniczony o kubaturze 506 m 3 zlokalizowany koło Jasła. Posadowiony w gruncie gliniastym na zboczu wzgórza. Ściana frontowa wystawiona na zachód. Powierzchnie użytkowe: parteru 140 m 2, poddasza 34 m 2, piwnicy nie ogrzewanej 97 m 2. Współczynniki przenikania ciepła: ścian zewnętrznych U s = 0,25 W/m 2 K, dachu dwuspadowego U d = 0,20 W/m 2 K, podłogi parteru U g = 0,30 W/m 2 K, stropu nad piwnicą U p = 0,25 W/m 2 K, okien U o = 1,3 W/m 2 K, drzwi wejściowych U d = 1,7 W/m 2 K. Wentylacja grawitacyjna. Zasilenie instalacji co/cwu z kotła olejowego z zamkniętą komorą spalania z programatorem. Przyjęte przez architekta współczynniki przenikania ciepła U przegród spełniają wymagania WT2014 [2] zawarte w załączniku nr 2 tych wymagań. Obliczone wg metodologii [4] wartości wskaźników zapotrze-

2 Ograniczanie strat ciepła 2014 r. str. 2/7 bowania energii do ogrzewania, wentylacji i c.w.u. wynoszą: nieodnawialnej energii pierwotnej EP = 147,87 kwh/m 2 rok energii użytkowej do ogrzewania i wentylacji EU co+w = kwh/m 2 rok energii użytkowej do przygotowania c.w.u. EU cwu = 15,38 kwh/m 2 rok energii końcowej EK = 128,97 kwh/m 2 rok. Tak zaprojektowany dom niestety, nie spełnia wymagań WT2014 w zakresie rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną, bowiem przekroczony jest próg wynoszący EP = 120 kwh/m 2 rok. Zachodzi konieczność zmniejszenia EP przynajmniej o 24%. Pierwszym naturalnym odruchem projektanta jest próba zmniejszenia strat ciepła przez przenikanie poszczególnych przegród tracących ciepło. Przeanalizujmy zatem, jakie mamy możliwości w tym zakresie? Ściany zewnętrzne Rysunek 2 przedstawia wyniki obliczeń współczynników przenikania ciepła U ściany zewnętrznej wg wymagań normy [5] - dla trzech różnych materiałów nośnych: żelbetu grubości 15 cm, bloczków silikatowych grubości 24 cm oraz bloczków betonu komórkowego grubości 24 cm. Jako termoizolację przewidziano styropian EPS i metodę ociepleń bezspoinowym systemem ociepleń (BSO) - za granicą nazywanym ETICS. Zależność współczynnika U od grubości ocieplenia nie jest liniowa lecz hiperboliczna, więc w miarę wzrostu grubości styropianu, coraz mniejszy następuje spadek wartości U. Z wykresu widać, że najbardziej efektywne rezultaty ocieplenia występują przy małych grubościach ocieplenia, gdyż dla nich funkcja jest najbardziej stroma. Dla większych grubości, funkcja staje się coraz bardziej płaska, bowiem dla grubości ponad 30 cm, praktycznie nie ma znaczenia jaki materiał nośny ścian się zastosuje. Ma to ważne znaczenie dla obliczanych kosztów oszczędności na ogrzewaniu domu w stosunku do kosztów budowy ścian: koszty budowy rosną przy niezauważalnych korzyściach w eksploatacji. Na rysunku zaznaczono obecnie wymagany poziom dopuszczalnej wartości U oraz przewidziane poziomy od roku 2017 i od roku 2021 i wynikające stąd wymagane grubości ocieplenia styropianem. Naturalnie, wraz ze wzrostem grubości ocieplenia, będzie rosła grubość ścian i koszt budowy, ale będzie też maleć koszt eksploatacji z tytułu zmniejszonych strat ciepła. Te przeciwstawne relacje tworzą wynikową funkcję kosztów rocznych o kształcie paraboli mającej swoje ekstremum (minimum kosztów łącznych). Z tego powodu, nie można kierować się wyłącznie zmniejszaniem wartości U poprzez zwiększanie grubości ocieplenia. W każdym przypadku należy przeprowadzić analizy ekonomiczne, z których wyniknie ekonomicznie uzasadniona wartość U ek i jej odpowiadająca ekonomicznie uzasadniona grubość danego materiału termoizolacyjnego. Należy pamiętać, że koszt budowy ściany zależy od rodzaju i grubości materiałów, ale koszt uzyskanych oszczędności w eksploatacji, zależy od kosztu zastosowanej energii do ogrzewania, stopy dyskonta, inflacji oraz warunków klimatycznych w danej lokalizacji budynku. Stosując w projekcie rozwiązania wskazane przez U ek dajemy inwestorowi

3 Ograniczanie strat ciepła 2014 r. str. 3/7 najbardziej korzystne efekty, bowiem najniższe koszty inwestycji i jednocześnie najniższe koszty eksploatacji. Jest to niewątpliwie nowa jakość projektowania i nowa rola architekta: podstawowy wpływ na koszty budowy i koszty eksploatacji budynku. Dlatego, współczesne projekty architektoniczne będą wyróżniały się nie jak dotąd - tylko wizualnie, ale także, a wg Dyrektywy [1] - przede wszystkim energetycznie. Dach Rysunek 3 przedstawia wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła U dachu wg wymagań normy [5] - z zastosowaniem termoizolacji z wełny mineralnej układanej pomiędzy krokwiami oraz pod nimi. Krokwie są z drewna sosnowego 6x180 mm w rozstawie 70 cm. Kontrłaty i łaty 40x50 mm. Pokrycie dachu stanowi blachodachówka. Od strony poddasza wykończenie płytami gipsowo-kartonowymi grubości 12,5 mm. Funkcja przedstawiająca zależność współczynnika U od grubości wełny mineralnej w przekroju między krokwiami, jest hiperboliczna, choć nieco mniej wypukła. Dlatego, zastosowanie 30 cm i więcej grubości ocieplenia wywiera nadal znaczący wpływ na straty ciepła dachu. Z tego właśnie powodu, ograniczenia wartości U dla dachu wg WT2014 są ostrzejsze niż dla ścian. Jednakże widać, iż niewiele się zyskuje zwiększając grubość izolacji ponad 40 cm. Na uwagę zasługuje też fakt, że im mniejszy jest rozstaw krokwi, tym większa jest wartość współczynnika przenikania U - przy tej samej grubości termoizolacji - czyli tym gorsze własności cieplne dachu. Zastosowanie deskowania pełnego na krokwiach niemal nie wpływa na polepszenie wartości U - jeśli dodatkowa przestrzeń wentylująca dach znajduje się pod deskowaniem. Jeśli jednak przestrzeń wentylująca dach znajduje się tylko nad deskowaniem (w strefie kontrłat), wówczas wartość U maleje, ale rośnie zagrożenie kondensacją pary wodnej w warstwie izolacji - co wymaga sprawdzenia obliczeniami cieplno-wilgotnościowymi warstw dachu. Podłoga na gruncie Obliczenia współczynnika przenikania ciepła U podłóg na gruncie wykonuje się wg WT2014 stosownie do normy [6] i uwzględnia: rodzaj gruntu w posadowieniu, poziom wody gruntowej, wymiary podłogi (łącznie z grubością otaczających ścian zewnętrznych), obwód podłogi stykający się ze ścianami zewnętrznymi, całkowitą grubość i materiał ścian otaczających na wysokości podłogi, materiał i grubość fundamentu, materiał i grubość podsypki pod podłogą, grubość betonu podkładowego, rodzaj i grubość termoizolacji podłogi oraz grubość samego jastrychu. Są to znacznie bardziej skomplikowane obliczenia cieplne niż przegród płaskich typu ściana czy dach. Rysunek 4 przedstawia wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła U podłogi na gruncie w analizowanym domu - z zastosowaniem termoizolacji ze styropianu XPS. Krzywa zależności współczynnika U od grubości zastosowanej termoizolacji, także ma charakter hiperboliczny. Widać, że przy grubościach ocieplenia podłogi przekraczających 20 cm, efekt spadku U jest znikomy. Zgodnie z normą [6] dodatkowego ocieplenia fundamentów nie uwzględnia się przy obliczaniu U podłogi, ale uwzględnia przy obliczaniu rocznych strat ciepła podłogi.

4 Ograniczanie strat ciepła 2014 r. str. 4/7 Podłogi na gruncie w wymaganiach WT2014 objęto jednakowym ograniczeniem wartości U = 0,30 W/m 2 K - aż do roku 2021, co nie oznacza wcale, że nie może być ekonomicznie uzasadnione stosowanie innych wartości U - jeśli tylko wykaże to rachunek ekonomiczny danego przypadku. Podłoga nad piwnicą Obliczenia współczynnika przenikania ciepła U podłogi nad piwnicą nie ogrzewaną także wykonuje się wg normy [6] i uwzględnia wszystkie czynniki jak dla podłogi na gruncie, ale do powierzchni piwnicy nie uwzględnia się powierzchni fundamentów - uwzględnia się jednak rodzaj i grubość fundamentów w części nadziemnej i ich ocieplenie oraz wszystkie warstwy podłogi w piwnicy i jej zagłębienie poniżej poziomu terenu. Są to dość zawiłe obliczenia. O ile, obliczenia współczynnika U podłogi leżącej na gruncie uwzględniają 3- wymiarową wymianę ciepła pomiędzy pomieszczeniem z podłogą a gruntem i powietrzem zewnętrznym wraz z akumulacją cieplną gruntu, to w przypadku podłogi nad piwnicą nie ogrzewaną, dodatkowy wpływ na wartość U podłogi, mają też ściany piwnicy w części podziemnej i nadziemnej oraz podłoga w podpiwniczeniu. Pełna znajomość tych relacji, pozwala projektantowi na poprawny i świadomy dobór termoizolacji obu podłóg oraz fundamentu pod i nad gruntem. Rysunek 5 przedstawia wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła U podłogi nad piwnicą nie ogrzewaną w analizowanym domu - w zależności od grubości ocieplenia tej podłogi styropianem XPS. Krzywa ciągła dotyczy braku ocieplenia podłogi w piwnicy oraz braku ocieplenia fundamentów. Krzywa przerywana określa wartość U tej podłogi przy ociepleniu fundamentu od strony gruntu styropianem XPS grubości 5 cm - zarówno w części podziemnej, jak cokołowej oraz przy braku ocieplenia podłogi w piwnicy. Krzywa kropkowana dotyczy ostatniego przypadku, ale ze zwiększoną grubością ocieplenia fundamentu do 15 cm nad i pod gruntem. Krzywe także mają charakter hiperboliczny i widać, że niezależnie od istnienia ocieplenia fundamentów, stosowanie grubości ocieplenia podłogi nad piwnicą powyżej 30 cm niewiele zmniejsza straty ciepła przez tę podłogę. Jednakże widać też, że zastosowanie

5 Ograniczanie strat ciepła 2014 r. str. 5/7 ocieplenia fundamentów grubości 5 cm, obniża grubość ocieplenia podłogi nad piwnicą z 10 cm do 8 cm. Dalsze zwiększanie grubości ocieplenia fundamentu (nawet do 15 cm) niewiele zmienia. Każde dodatkowe ocieplenie fundamentu, zmniejsza wymaganą grubość ocieplenia podłogi - dla spełnienia WT2014. Oczywiście, ma to istotny wpływ na łączne koszty inwestycyjne i koszty eksploatacji. Znowu konieczna jest optymalizacja kosztów łącznych i odpowiednie do tego rozwiązanie przewidziane w projekcie budowlanym. Rysunek 6 przedstawia wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła U tej samej podłogi nad piwnicą - ocieplonej styropianem XPS grubości 10 cm (krzywa granatowa), ale w zależności od zmian grubości ocieplenia podłogi leżącej w piwnicy tym samym styropianem i przy stałej grubości ocieplenia 5 cm fundamentu na całej wysokości (w gruncie i w strefie cokołowej). Widać, że nawet brak ocieplenia podłogi w piwnicy (w tych warunkach fizycznych posadowienia) spełnia wymagania WT2014. Krzywa zielona przedstawia zależność współczynnika przenikania ciepła U podłogi nad piwnicą nie ocieplonej, w zależności od grubości ocieplenia podłogi w piwnicy - przy tym samym ociepleniu fundamentu. Krzywa ta pokazuje, że nie ocieplając podłogi nad piwnicą, a jedynie zwiększając grubość ocieplenia podłogi w piwnicy, można spełnić WT2014. Oznacza to, że można wstępnie ocieplić podłogę w piwnicy materiałem tańszym a trwałym, np. keramzytem, ale główne ocieplenie powinno leżeć na podłodze nad piwnicą. Zmiana zużycia energii drogą ocieplenia przegród Mając rozpoznane charakterystyki cieplne poszczególnych przegród tracących ciepło w analizowanym domu, można zbadać efekty zmniejszenia współczynników przenikania ciepła U przegród - poniżej wartości dopuszczonych przez WT2014. Rysunek 7 przedstawia zmiany wskaźników EP i EK zużycia energii przez dom - w zależności od jednoczesnego stopnia zmniejszenia współczynników przenikania ciepła U, tj.: dla ścian z U s = 0,25 W/m 2 K do U s = 0,10 W/m 2 K dla dachu z U d = 0,20 W/m 2 K do U d = 0,05 W/m 2 K dla podłogi na gruncie z U g = 0,30 W/m 2 K do U g = 0,15 W/m 2 K dla stropu nad piwnicą z U p = 0,25 W/m 2 K do U p = 0,10 W/m 2 K Linia żółta ciągła przedstawia zmiany wskaźnika EP zapotrzebowania na energię nieodnawialną pierwotną - przy stałych współczynnikach przenikania ciepła stolarki okien U o = 1,3 W/m 2 K i drzwi wejściowych U d = 1,7 W/m 2 K. Linia żółta przerywana przedstawia zmiany wskaźnika EP po zastosowaniu stolarki super energooszczędnej, tj. okien U o = 0,7 W/m 2 K i drzwi wejściowych U d = 1,1 W/m 2 K. Linia czerwona ciągła przedstawia zmiany wskaźnika EK zużycia energii końcowej - przy stałych współczynnikach przenikania ciepła stolarki okien U o = 1,3 W/m 2 K i drzwi wejściowych U d = 1,7 W/m 2 K. Linia czerwona przerywana przedstawia zmiany wskaźnika EK po zastosowaniu stolarki super energooszczędnej, tj. okien U o = 0,7 W/m 2 K i drzwi wejściowych U d = 1,1 W/m 2 K. Z rysunku tego widać, że tylko ograniczając straty ciepła przez przenikanie drogą zwiększania jakości i grubości termoizolacji, można spełnić wymagania WT2014 w

6 Ograniczanie strat ciepła 2014 r. str. 6/7 zakresie zużycia nieodnawialnej energii pierwotnej. Jeśli podane w projekcie wstępnym współczynniki przenikania ciepła U (zgodne z WT2014) przegród tracących ciepło zmniejszy się o 0,11 W/m 2 K i pozostawi bez zmian stolarkę okiennodrzwiową, to uzyska się wartość EP = 120 kwh/m 2 rok - czyli tyle, ile dopuszczają WT2014 na rok obecny. Jeśli stolarkę zamieni się na super energooszczędną, to wystarczy zmniejszenie wartości U przegród o 0,07 W/m 2 K. Zauważmy, że za 3 lata, kiedy górna wartość wskaźnika EP będzie zredukowana przez WT2014 do poziomu 90 kwh/m 2 rok, spełnienie tych wymagań dla tego domu tylko ograniczaniem strat ciepła będzie wymagać nie tylko stolarki super energooszczędnej i zmniejszenia jej powierzchni, ale także zmniejszenia wartości U przegród do wartości niemal zerowych. Zatem, o spełnieniu WT2014 po roku 2021 drogą tylko ograniczenia strat ciepła, nie ma nawet co marzyć. Nieuchronnie nasuwają się pytania: Czy inwestowanie w większe grubości termoizolacji jest opłacalne? Czy poniesione większe koszty na stolarkę super energooszczędną zwrócą się inwestorowi, a jeśli tak, to po jakim czasie? Czy jest inna droga do spełnienia WT niż zmniejszanie współczynników U przegród? Jakie projektant ma możliwości manewru na zmniejszenie charakterystyki energetycznej budynku? Czy rozwiązania wg WT można uznać za optymalne, czy przeciwnie? Czy warto już dzisiaj ograniczać straty ciepła przewidziane przez WT na rok 2021? Odpowiedzi na te pytania można uzyskać wyłącznie po przeprowadzeniu analiz energetyczno-ekonomicznych z uwzględnieniem przedstawionych tutaj zależności funkcyjnych dla poszczególnych przegród tracących ciepło każdego budynku. mgr inż. Jerzy Bogdan Zembrowski Autor jest absolwentem Wydziału Inżynierii Środowiska specjalizacji Urządzeń Cieplnych i Zdrowotnych Politechniki Warszawskiej. Jest rzeczoznawcą PZITS NOT w zakresie prac badawczo-studialnych instalacji sanitarnych. Od roku 1990 prowadzi autorskie Biuro Doradztwa Budowlanego. Jest autorem ponad 80 publikacji zawodowych. Prowadzi kursy i wykłady dokształcające dla architektów i projektantów w zakresie ochrony cieplnej i hydroizolacji budynków. Konsultuje architektom projekty budowlane w zakresie fizyki budowli oraz analiz energetyczno-ekonomicznych. Jest członkiem International Building Performancee Simulation Association Oddział Polski Stowarzyszenia Symulacji Procesów Fizycznych w Budynkach. Kontakt:

7 Ograniczanie strat ciepła 2014 r. str. 7/7 Bibliografia: [1] Dyrektywa 2010/31/UE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków. [2] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. W sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie - ze zmianami z dnia r. obowiązującymi od r. [3] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 3 lipca 2003 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego ze zmianami z dnia 21 września 2013 r. obowiązującymi od r. [4] Projekt z dnia r. rozporządzenia MIiR w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej. [5] PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania. [6] PN-EN ISO 13370:2008 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Przenoszenie ciepła przez grunt. Metody obliczania.