WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW

Transkrypt

1 WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW Raport opracowany przez ECOFYS dla EURIMA

2 Thomas Boermans Carsten Petersdorff (Ecofys Niemcy) wraz z międzynarodowym zespołem Ecofys Erwin Mikkers (Ecofys NL) Ronald Voskens (Ecofys Spain) Andy Horsley (Ecofys UK) Michal Siembab (Ecofys Poland) Cinzia Maga (Ecofys Italy) Dokument ten został sporządzony przez Ecofys dla Eurimy w języku angielskim. Żadna z wyżej wymienionych organizacji nie jest odpowiedzialna za rozbieżności pomiędzy oryginalną wersją w języku angielskim a jej polskim tłumaczeniem. PEPLDE ECOFYS GmbH, Eupener Straße 59, Cologne, Germany, Tel

3 WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW Raport opracowany przez ECOFYS dla EURIMA

4 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW 5 PRZEDMOWA Na Szczycie Gleneagles w lipcu 2005 roku, przywódcy G8 zwrócili uwagę na poważne i długoterminowe wyzwania dotyczące bezpiecznej i czystej energii, zmian klimatu i zrównoważonego rozwoju. Zgadzając się z tym, że trzeba działać szybko i zdecydowanie, przyjęli oni Plan Działań i rozpoczęli oni dialog z innymi znaczącymi użytkownikami energii. Przywódcy G8 zwrócili się do Międzynarodowej Agencji Energii (IEA) o przygotowanie rekomendacji do działań i o to aby stała się ona głównym partnerem w dialogu. IEA przedstawiła polityczne rekomendacje na Szczycie G8 w St. Petersburgu w czerwcu 2006 roku a w czerwcu następnego roku w Heiligendamm. Kolejne zalecenia będą prezentowane na przyszłych szczytach G8. Budynki są największym użytkownikiem końcowej energii. Prawie 40% światowej energii końcowej jest zużywane przez budynki, włączając w to oświetlenie, zainstalowane urządzenia i sprzęt. Znaczące i efektywne kosztowo możliwości, aby ograniczyć zużycie energii w budynkach, występują zarówno w krajach członkowskich IEA jak i w krajach rozwijających się. Polityka, która ma na celu ograniczenie zużycia energii i gazów cieplarnianych, a także zapewnić zrównoważony rozwój musi zawierać działania, które ograniczą zużycie energii końcowej w budynkach. Konsekwentne zalecenia dla polityki dotyczącej budynków są ważnym składnikiem pakietów rekomendacji IEA dla G8. Co więcej, Zarząd IEA poparł pięć konkretnych zaleceń dla polityki dotyczącej efektywności energetycznej w budynkach w marcu 2007 i zachęca zdecydowanie wszystkie kraje członkowskie IEA do włączenia się w te polityczne działania. Jedną z rekomendacji IEA jest egzekwowanie i regularne uaktualnianie obowiązkowych standardów dla nowych budynków (Warunki Techniczne). Te wymagania powinny opierać się na najniższych kosztach w dłuższym czasie, aby zapewnić że nowe budynki są budowane tak, aby być efektywnymi energetycznie. Zalecenia proponują także ustanowienie wymagań energetycznych dla budynków istniejących, które mają zostać poddane znaczącej renowacji. Ten raport sporządzony przez Ecofys dla EURIMA, jest cennym wkładem do prac IEA w tworzenie politycznych rekomendacji, szczególnie Warunków Technicznych, raport Ecofys zarówno wspiera jak i rozszerza zalecania IEA. Pokazując lukę pomiędzy istniejącymi wymaganiami i ekonomicznym optimum na przestrzeni 30 lat, raport Ecofys potwierdza, że nawet w krajach o długiej tradycji wymagań energetycznych, nadal istnieje spory potencjał, aby zwiększyć wydajność w nowych budynkach bez dodatkowych kosztów dla użytkowników końcowych. Raport ten pokazuje również, że wymagania efektywności dla budynków modernizowanych powinny być prawie takie same jak dla budynków nowych. Łącząc to z wcześniejszymi raportami Ecofys EURIMA, należy podkreślić potencjalne zyski efektywności, które są osiągalne poprzez modernizację budynków jak i politykę dotyczącą podnoszenia ich standardu. IEA przyjmuje z zadowoleniem ten nowy raport, doceniając jego wkład w dialog pomiędzy rządami, głównymi użytkownikami energii końcowej i innymi stronami zaangażowanymi w podnoszenie efektywności energetycznej nowych i modernizowanych budynków na całym świecie. William Ramsay Deputy Executive Director of IEA * INTERNATIONAL ENERGY AGENCY

5 6 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW SPIS TREŚCI 1 PODSUMOWANIE 8 2 WPROWADZENIE Struktura i ograniczenia analizy Wydajność ekonomiczna elementów budynku Optimum ekonomiczne Prosta inwestycja liniowa Dom pasywny Zastosowanie analizy i jej założenia/ograniczenia 14 3 PODSTAWOWE DANE Mapy europejskich indeksów temperaturowych HDD/CDD Definicja indeksów temperaturowych HDD/CDD Europejska mapa indeksu temperaturowego HDD Europejska mapa indeksu temperaturowego CDD 17 4 IZOLACJA I CHŁODZENIE Wpływ stref klimatycznych Wpływ elementów budynku Wrażliwość powiązana z innymi czynnikami Wnioski dotyczące zużycia energii do chłodzenia 27 5 WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA U ZGODNE Z EFEKTYWNOŚCIĄ KOSZTOWĄ Metodologia Mechanizm optymalnej wartości współczynnika U 31

6 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW Obliczenia danych wyjściowych Ceny energii Koszty inwestycyjne Wyniki 39 6 WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA U ZGODNE Z CELAMI I OCHRONĄ KLIMATU Podstawowe dane Metodologia Wyniki Analiza wrażliwości celów POST-Kioto 52 7 PRZEGLĄD WYNIKÓW EFEKTYWNOŚCI KOSZTOWEJ I OCHRONY KLIMATU 56 8 PORÓWNANIE WYNIKÓW Efektywna kosztowo wartość U wymagane wartości U Weryfikacja wyników w kontekście dyrektywy EPBD 61 9 WNIOSKI BIBLIOGRAFIA 64 ZAŁĄCZNIK 1 66 ZAŁĄCZNIK 2 70 ZAŁĄCZNIK 3 74 ZAŁĄCZNIK 4 78 ZAŁĄCZNIK 5 99

7 8 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW PODSUMOWANIE Kalkulacje ogólnej efektywności energetycznej budynków zgodnie z dyrektywą EPBD muszą uwzględniać podejście zintegrowane, które bierze pod uwagę wszystkie straty i zyski energii budynku. Krajowe i regionalne wymagania odnośnie efektywności energetycznej są określane w krajowych lub lokalnych rozporządzeniach dotyczących w pełni zintegrowanej efektywności energetycznej. W wielu krajach dodatkowe wymagania odnośnie przepływu energii przez poszczególne elementy budynku wyrażane są w wartościach U lub R, będących źródłem informacji, dotyczących obniżenia kosztów i podniesienia komfortu, w celu zapewnienia niskiego zużycia energii budynku, co pozwoli wykorzystać energię w jak najefektywniejszy sposób. Jednak krajowe wymagania wartości współczynnika U wobec poszczególnych elementów budynku (dach, podłoga, ściany, okna, etc.) są często minimalne i nie stanowią ekonomicznego optimum, ani nie osiągają określonych celów w zakresie ochrony środowiska. Dodatkowo gwałtowny wzrost cen energii w ostatnich latach oraz prowadzone obecnie dyskusje dotyczące ochrony klimatu w istotny sposób zmieniły warunki graniczne stosowania izolacji w europejskich budynkach. Celem tego raportu jest wniesienie wkładu w prowadzoną obecnie polityczną dyskusję na temat dokonania zmian w krajowych i regionalnych wymaganiach dotyczących wartości U dla poszczególnych elementów budynku. Odnośnie zalecanych wartości współczynnika U, można byłoby wybierać z ekonomicznego punktu widzenia i obliczać ekonomiczne optimum stopnia izolacji wynikające z koniecznych kosztów inwestycji i według oszczędności kosztów energii ze zredukowanego zapotrzebowania energii na ogrzewanie i chłodzenie. Inną metodą jest oszacowanie niezbędnego stopnia izolacji, potrzebnego do osiągnięcia celów ochrony klimatu. W niniejszej analizie zostały oszacowane wyniki obu metod, prowadząc do następujących wniosków: > Różne metody zarówno opłacalności inwestycji jak i osiągnięcia celów związanych z ochroną klimatu, prowadzą do porównywalnych maksymalnych wartości współczynnika U. Oznacza to, że ochrona środowiska i rentowność nie stoją w sprzeczności, lecz mogą dobrze ze sobą współgrać. > Zalecane maksymalne wartości współczynnika U, wynikające z analiz bazujących na wydajności ekonomicznej i możliwych do zrealizowania celów POST-Kioto są w większości przypadków ambitniejsze niż obecne standardy krajowe i dają przestrzeń na podniesienie poziomu wymogów. > Analiza pokazuje, że jeśli wartość energii oszczędzonej z ogrzewania i chłodzenia przekracza całkowity koszt inwestycji związanej z izolacją, optymalna wartość współczynnika U (głównie zdeterminowane przez zastosowanie izolacji) jest taka sama zarówno dla budynków już istniejących jak i nowo projektowanych tak długo, dopóki nie pojawią się ograniczenia techniczne. W tym sensie zalecane wartości współczynnika U dotyczą zarówno budynków już istniejących jak i nowo budowanych. > Na południu Europy w budynkach mieszkalnych izolacja termiczna redukuje także zużycie energii potrzebnej do chłodzenia budynków mieszkalnych. Szczególnie izolacja dachu i ścian w połączeniu z odpowiednim zacienieniem i dobrą wentylacją daje bardzo stabilne i znaczne oszczędności. Zoptymalizowany zestaw izolacji podłogi, dachu oraz ścian przynosi istotne i opłacalne redukcje energii zużywanej do ocieplania bądź chłodzenia.

8

9 10 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW Z raportów wynika, że te zasady mogą być wprowadzone poprzez dyrektywę EPBD, jeśli zostaną zawarte w krajowych rozporządzeniach, przez wprowadzenie minimalnego poziomu izolacji (lub maksymalnej wartości współczynnika U) i dodanie go do wymogów dotyczących ogólnej efektywności energetycznej. Kalkulacja ogólnej efektywności energetycznej budynków według dyrektywy EPBD musi uwzględniać podejście zintegrowane, które bierze pod uwagę zasady obliczeń podane w zestawie standardów CEN dla wszystkich strat i zysków energii budynku. Krajowa i lokalna efektywność energetyczna jest regulowana krajowymi i regionalnymi rozporządzeniami dotyczącymi w pełni zintegrowanej ogólnej efektywności energetycznej. W wielu krajach dodatkowe wymagania dotyczące maksymalnego przepływu energii przez poszczególne elementy budynku wyrażane są w wartościach U lub R. Jednak krajowe wymagania wartości U wobec poszczególnych elementów budynku (dach, podłoga, ściany, okna, etc.) są często minimalne i nie są optymalne ekonomicznie ani nie osiągają określonych celów w zakresie ochrony środowiska. Celem tego raportu jest wniesienie wkładu w prowadzoną obecnie polityczną dyskusję na temat wymaganych lub zalecanych przez państwo bądź region wartości współczynnika U dla elementów budynku i poddanie ich do ponownego rozważenia. Jeśli chodzi o zalecenia związane z wartością współczynnika U, istnieją dwie linie argumentów, za którymi warto podążać: 1. Efektywność kosztów: Art. 6. dyrektywy EPBD Budynki istniejące mówi, że jeśli budynek o powierzchni użytkowej powyżej 1000 m 2 podlega gruntownej modernizacji, to jego efektywność energetyczna powinna być podniesiona w celu spełnienia minimum wymogów na tyle, na ile jest to technicznie, funkcjonalnie i ekonomicznie osiągalne. Bardzo ważne jest ocenienie, które środki są technicznie, funkcjonalnie i ekonomicznie wykonalne dla przeciętnych warunków rynkowych. 2. Zmiana klimatu: W dyskusji POST-Kioto 25 ministrów ochrony środowiska UE wytyczyło cel ograniczenia emisji gazów cieplarnianych o 70-90% do roku Biorąc pod uwagę okres modernizacji lat w sektorze budowlanym, każdy budynek podlegający renowacji w 2010 powinien spełnić te wymagania. Aby wytyczyć cele na szeroką skalę w roku 2010, już teraz musi być demonstrowana ich wykonalność. Nasuwa się pytanie, co tak naprawdę znaczy cel redukcji o 70-90% dla maksymalnego zużycia energii i związanego z tym minimalnego standardu izolacji w zmodernizowanych budynkach w różnych strefach klimatycznych Europy? Aby rekomendować minimalne poziomy wydajności termicznej elementów budynków w Europie, zostały powzięte następujące kroki: > Opis podstawowych danych: utworzenie map indeksów temperaturowych HDD i CDD dla 25 państw UE; obliczenie wpływu izolacji na zużycie energii do celu chłodzenia w Europie południowej. > Rekomendacja wartości współczynnika U (poziomy wydajności termicznej) bazujących na wydajności ekonomicznej i dwóch scenariuszach cenowych z raportu Ecofys Sensitivity analysis of cost effective climate protection in the EU building stock, który odnosi się do: Scenariusza WEO (World Economic Outlook); Scenariusza cen maksymalnych. > Obliczenie minimalnych wymagań wobec ogólnej wydajności energetycznej, aby osiągnąć cele wytyczone w POST-Kioto i wniosek zgodny ze standardami izolacji. Szczegółowe podejście, dające wyniki i ich interpretację jest opisane w kolejnych rozdziałach.

10 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW STRUKTURA I OGRANICZENIE ANALIZY W wielu krajach Europy wymagana obecnie wartość współczynnika U dla budynków mieszkalnych może być rozpatrywana według minimalnych poziomów właściwości. Nie opiera się to już wyłącznie na zmianie warunków ekonomicznych, wynikających z rosnących cen energii w ciągu ostatnich lat, ale odzwierciedla zwiększające się zaangażowanie w ograniczenie emisji CO 2 i chęć uniknięcia zmiany klimatu. Te wymagane wartości współczynnika U są przyjęte lub wynikają z obliczeń bazujących na zintegrowanej metodzie zastosowanej do całkowitej efektywności energetycznej budynków, zgodnie z zasadami dyrektywy EPBD (2.1.1). Biorąc pod uwagę jakąkolwiek cenę energii, można zdefiniować trzy opcje dla polepszenia efektywności energetycznej - zobacz Rys. 2. Opcja 1: wymogi prawne (minimalna wydajność energetyczna). Opcja 2: optimum ekonomiczne (zakres najlepszych praktyk). Opcja 3: maksymalna wydajność energetyczna (aktualny stan rozwoju techniki). Celem niniejszej analizy jest rekomendowanie wartości współczynnika U dla elementów budynku ścian, dachu i podłogi dla budynków mieszkalnych (nowo budowanych i już istniejących) na poziomie ekonomicznego optimum (opcja 2). Zamierzonym odbiorcą docelowym raportu są politycy i twórcy przepisów. Wszystkie analizy bazują na parametrach mających zastosowanie w kontekście społecznym i uwzględniające stopy procentowe, podatki i koszty zmniejszenia (obniżenia) CO 2. Mają one zastosowanie w analizach dotyczących wydajności ekonomicznej na poziomie społeczeństwa, ale niekoniecznie są odpowiednie dla inwestorów i właścicieli domów prywatnych. Jako przedmiot analizy wybrano Opcję 2. Opcja 1 wykazuje braki, ponieważ nie zapewnia pełnych korzyści dla środowiska i nie jest optymalnie ekonomiczna. Opcja 3 prawdopodobnie także nie jest optymalna ekonomicznie, jest jednak wciąż efektywna i powinna dostarczać nawet bardziej wymiernych korzyści dla środowiska. Jednakże potencjalna złożoność zastosowania tej ostatniej opcji nie została rozpatrzona w niniejszej analizie (2.1.3). Uważa się, że ta opcja wymagałaby więcej lokalnych i szczegółowych analiz, które zawierałyby również założenia domu pasywnego (2.1.4) WYDAJNOŚĆ EKONOMICZNA ELEMENTÓW BUDYNKU Dyrektywa EPBD wymaga zintegrowanych obliczeń środków redukujących zapotrzebowanie na energię np. zyski z energii słonecznej, wewnętrzne wytwarzanie ciepła i zewnętrzne dostawy energii dla celów ogrzewania i chłodzenia. Analiza nie optymalizuje pomiędzy możliwą redukcją zużywanej energii a środkami zaopatrującymi budynek w energię. Dla każdego z elementów podłogi, ścian, dachu została obliczona optymalna wartość współczynnika U konieczna do redukcji zużycia energii na ogrzewanie i chłodzenie. Żadne interakcje ani zależności nie zostały uwzględnione. Jednak w osobnym rozdziale scharakteryzowano połączenie środków izolacji, aby oszacować wpływ izolacji na chłodzenie - zobacz Rozdział 4. Również, wyniki analizy (wartości współczynnika U dla wszystkich trzech elementów) zostały scalone i obliczono ogólną efektywność energetyczną typowego budynku zgodnie z metodą obliczeniową EPBD dla czterech państw: Szwecji, Polski, Holandii i Hiszpanii.

11 12 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW OPTIMUM EKONOMICZNE Dla każdego z elementów budynku wartości współczynnika U są wyznaczane niezależnie od indywidualnej grubości izolacji, co stanowi (teoretycznie) maksymalną korzyść z przeprowadzanych inwestycji i oszczędności kosztów zużycia energii. Optimum ekonomiczne, z oszczędności kosztów inwestycji i energii jest wyliczone teoretycznie. Optimum jest umiejscowione w minimalnej strefie krzywej kosztów całkowitych. Z tego powodu w praktyce optimum pokrywa dość szeroką strefę (zobacz Rys. 1 i Rys. 2). Rys. 1. Definicja optimum ekonomicznego Koszty + Liniowe koszty inwestycji max. IC -ΔE = optimum Koszty całkowite ujemne = zysk Grubość izolacji Oszczędność energii Koszty - Rys. 2. Umiejscowienie optimum ekonomicznego Koszty + Liniowe koszty inwestycji optimum ekonomiczne koszty neutralne Koszty - minimum NAJLEPSZE W PRAKTYCE Grubość izolacji Najnowocześniejsze rozwiązania Oszczędności energii Zarówno na prawo jak i na lewo od teoretycznego optimum ekonomicznego współczynnika U, na bazie odpowiedniego optimum, inwestycje uznawane są tak długo za korzystne dopóki koszty całkowite inwestycji i koszty oszczędności energii są ujemne. Ale nawet poza punktem neutralności kosztów pojedynczego środka, łączna kombinacja środków może usprawiedliwiać inwestowanie poza tym punktem, jeśli łączne koszty tej kombinacji środków są ujemne. Jednak to nie zostało uwzględnione w niniejszej analizie. Analiza zawiera obliczenia i porównuje względną pozycję optimum na bazie istniejących bądź wymaganych lub zalecanych obecnie w państwach UE wartości współczynnika U. Należy uznać, że także inne przyczyny niż optimum ekonomiczne mogą odnosić się do istniejących danych wartości współczynnika U w krajowych i lokalnych rozporządzeniach lub zaleceniach. Wskutek kształtu krzywej kosztów w pobliżu optimum (zobacz Rys. 1 i Rys. 2) możliwe jest wykroczenie poza obliczone optimum z wciąż rozsądną wydajnością ekonomiczną, co prowadzi do większych oszczędności energii i ograniczenia emisji CO 2. Biorąc pod uwagę nie tylko efektywność ekonomiczną, ale również cele ochrony środowiska, ograniczoną zależność od importu energii, itd., może to być znacząca opcja, która jest już realizowana w niektórych rozpatrywanych państwach.

12 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW PROSTA INWESTYCJA LINIOWA Jak już wspomniano, raport nie uwzględnia dodatkowych nakładów i/lub unikniętych czy obniżonych nakładów wywołanych potrzebą zmian fizycznych budynku wynikających ze zmiany grubości izolacji ani nie pozwala ona na obniżenie nakładów w innych wskaźnikach efektywności energetycznej lub w projekcie budynku. Przykłady: > Stale rosnące nakłady byłyby konieczne przy zwiększeniu grubości izolacji, gdyż pogrubiona warstwa izolacyjna niesie ze sobą potrzeby dalszych inwestycji takich jak: grubsze ramy okien; zwiększona szerokość szczelin wentylacyjnych; zwiększona szerokość ściany nośnej; zastosowanie innych więźb dachowych, itd. Rys. 3. Koszty inwestycji nieliniowej (1) Koszty + Koszty inwestycji nieliniowych Koszty inwestycji liniowej Koszty całkowite Grubość izolacji Oszczędność energii Koszty - > Pozytywnym skutkiem pogrubienia izolacji jest niższe zużycie energii, które wymagałoby mniejszej wydajności kotła i systemu dystrybucji ciepła w budynku. Rys. 4. Koszty inwestycji nieliniowej (2) Koszty + Koszty inwestycji nieliniowej Koszty całkowite Grubość izolacji Oszczędność energii Koszty - Raport ten nie uwzględnia pozytywnych czy negatywnych zmian w kosztach inwestycji przy zwiększonej grubości izolacji poszczególnych elementów, ani nie zajmuje się wpływem innych elementów budynku czy skutków innych inwestycji związanych z energią. Raport zakłada prostą inwestycję liniową, opierającą się na narastającym wzroście kosztów na każdy centymetr grubości izolacji.

13 14 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW DOM PASYWNY Analiza, jak już wspomniano, nie zajmuje się kompletną oceną budynku dla ustalenia najwydajniejszego ekonomicznie połączenia środków efektywnych energetycznie ale bierze pod uwagę stopień izolacji elementów przyjmując tradycyjne systemy ogrzewania. Jednak łącząc różne środki efektywne energetycznie w znaczący sposób można osiągnąć synchronizację oszczędności energii i kosztów jak na przykład w przypadku koncepcji domu pasywnego. Koncepcja domu pasywnego polega na ograniczeniu potrzeby ogrzewania i chłodzenia do absolutnego minimum. Z tego powodu absolutnym priorytetem jest redukcja zużycia energii związanej z ogrzewaniem, chłodzeniem i wentylacją. Pozostałe zapotrzebowanie energii jest zaspokajane przez połączone rozwiązanie wentylacyjno-grzewczo-chłodzące, które wykorzystuje raczej ciepło słoneczne, energię fotowoltaiczną, pompę ciepła i/lub pochodząca z ziemi energię cieplną lub chłodząca. Zasadnicza koncepcja nie bazuje na tradycyjnych systemach grzewczych i wentylacyjnych. Idea domu pasywnego zakłada również ograniczenie do absolutnego minimum zjawiska mostków termicznych poprzez projekt konstrukcji (lub modernizacji). Koncepcja domu pasywnego równoważy ekonomicznie różne wcześniej wspomniane rozwiązania. Powszechnie stosowane wartości współczynnika U dla domu pasywnego mieszczą się w przedziale od U=0,10 do 0,05 W/m 2 K i często wprowadzają grubość izolacji przekraczającą cm. 2.2 ZASTOSOWANIE ANALIZY I JEJ ZAŁOŻENIA/OGRANICZENIA Podsumowując i nawiązując do ograniczeń i restrykcji wspomnianych w Rozdziale 2.1, analiza jest skierowana do polityków i twórców przepisów. Oczekuje się, że analiza stanie się bodźcem do ponownego rozważenia krajowych wymogów lub zaleceń dotyczących wartości współczynnika U z uwzględnieniem: budynków mieszkalnych: nowo projektowanych i już istniejących; obecnych i spodziewanych cen energii; udziału krajowego sektora budowlanego w realizacji celu POST-Kioto odnośnie CO 2. Wyniki bazują na: danych klimatycznych ze 100 miast europejskich; optymalnej ekonomicznie wartość współczynnika U (wartość przenikania ciepła w W/m 2 K), przedstawiając pewien zakres w pobliżu tej teoretycznej wartości; optimum ekonomicznym przedstawiającym wartość Najlepszej Praktyki dla pojedynczych elementów budynku jak konstrukcja ścian, dachu i podłogi; uproszczonej liniowości w kosztach inwestycji; ogólnych cenach materiałów izolacyjnych i materiałów dodatkowych; przeciętnych wartościach współczynnika U nie izolowanych lub już istniejących konstrukcji; cenach energii i parytecie nośników energii wg stref (północ, centrum, południe, wschód); kosztach inwestycji środków izolacyjnych (północ, centrum, południe, wschód); (społecznych) stopach procentowych 4% i 6% (odpowiednio zachód i wschód); budynkach mieszkalnych z tradycyjnymi systemami grzewczymi i wentylacyjnymi (bez systemów odzysku ciepła, bez domów pasywnych). Wymagania lepszych wartości współczynnika U wynikających z potrzeby wyższych wartości termicznych, kiedy stosuje się ogrzewanie elektryczne nie zostały wzięte pod uwagę. Nie są rozważane również wymagania lepszych wartości U wynikających z innych fizycznych warunków jak zagrożenie kondensacją pary wodnej, czy wymagań akustycznych.

14 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW 15 3 ] PODSTAWOWE DANE 3.1 MAPY EUROPEJSKICH INDEKSÓW TEMPERATUROWYCH HDD/CDD DEFINICJE INDEKSÓW TEMPERATUROWYCH HDD/CDD Indeks temperaturowy HDD (ang. heating degree days/stopniodnia ogrzewania) wyraża dotkliwość chłodu przez określony okres czasu, biorąc pod uwagę zarówno temperaturę zewnętrzną jak i temperaturę pokojową. Dane do obliczenia indeksu temperaturowego HDD dla miast europejskich zostały zaczerpnięte z METEONORM. Indeks temperaturowy HDD został obliczony zgodnie z metodologią stosowaną przez EUROSTAT, która kształtuje ogólną i porównywalną bazę. Zewnętrzne i wewnętrzne warunki budynku mogą powodować zapotrzebowanie na dodatkową energię zużywaną do chłodzenia i wentylacji w celu osiągnięcia określonego poziomu komfortu. Ten poziom komfortu może być określony w przepisach dotyczących budynku lub być podany jako specyfikacje użytkownika. Po to, aby uzyskać warunki komfortowe obliczenia ilościowe energii do chłodzenia bazują albo na stopniach chłodzenia (w podobny sposób jak indeks temperaturowy HDD), albo wynikają z iteratywnej kalkulacji (jak to zostało zrobione w tym opracowaniu z programem kalkulacyjnym TRNSys) skierowanej na utrzymanie poziomu komfortu w budynku przy danej temperaturze komfortu. Podczas przygotowywania niniejszej analizy EUROSTAT pracował nad metodologią obliczania indeksu temperaturowego CDD. Ponieważ nie zostało to sfinalizowane zastosowano metodologię jak w USA (ASHRAE). Pomimo, że w międzyczasie Stany Zjednoczone przyjęły inne podejście rozwinięte przez PNLL, nie wpływa to na wnioski analizy. Użycie indeksów temperaturowych HDD i CDD dla przedstawienia modelu rozkładu energii jest akceptowalnym do celów niniejszego raportu przybliżeniem rzeczywistości. Metodologia obliczania HDD i CDD oraz tabela wyników dla wybranych miast europejskich są opisane w Załączniku nr 1.

15 16 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW EUROPEJSKA MAPA INDEKSU TEMPERATUROWEGO HDD Bazując na obliczeniach indeksu temperaturowego HDD można sporządzić następującą mapę: Rys. 5. Europejska mapa indeksu temperaturowego HDD (metoda EUROSTAT) Trzeba zaznaczyć, że ze względu na ograniczoną liczbę miast zawartych na mapie, wykaz indeksów temperaturowych HDD nie przedstawia w pełni wszystkich szczegółów lokalnych.

16 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW EUROPEJSKA MAPA INDEKSU TEMPERATUROWEGO CDD Podobnie można sporządzić następującą europejską mapę indeksu temperaturowego CDD: Rys. 6. Europejska mapa indeksu temperaturowego CCD (metoda ASHRAE) Trzeba zaznaczyć, że ze względu na ograniczoną liczbę miast zawartych na mapie, wykaz indeksów temperaturowych CDD nie przedstawia w pełni wszystkich szczegółów lokalnych.

17 18 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW 4 ] IZOLACJA I CHŁODZENIE Raport Ecofys Zmniejszenie emisji CO 2. Emisje w istniejących zasobach mieszkaniowych. Roszerzenie Dyrektywy EPBD wykazał w uzupełnieniu do raportu, że izolacja poza oszczędnością energii w sezonie grzewczym, przynosi również oszczędności energii zużywanej do chłodzenia w południowym klimacie podczas lata. Aby oszacować wpływ zaizolowania budynku na zapotrzebowanie chłodzenia w klimacie gorącym i wynikający z tego wpływ na wydajność ekonomiczną zastosowanych środków izolacji, obliczenia zostały przeprowadzone za pomocą programu symulacji termicznych TRNSYS. Na początku obliczenia zostały przeprowadzone dla standardowego domu szeregowego w Europie południowej i dla domu wielorodzinnego o typowej masywnej konstrukcji, średnich zyskach wewnętrznych, zewnętrznym zacienieniu i naturalnej wentylacji tak, aby stworzyć przeciętną sytuację pojedynczego budynku na południu Europy, w którym już stosuje się rozsądne strategie pasywnego chłodzenia. Kształt przyjęto ze standardowych domów użytych we wcześniejszych raportach Ecofys (Ecofys II do VI). Punkt wyjścia dla oszacowania wpływu na zapotrzebowanie energii do chłodzenia z dodatkowej izolacji jest opisany poniżej: Przyjęte modele budynków: > Dom jednorodzinny (skrót: SFH): Dom szeregowy o powierzchni użytkowej 120 m 2 > Dom wielorodzinny (skrót: MFH): Blok mieszkalny o powierzchni użytkowej 1600 m 2 Założono, że oba przyjęte budynki mają następującą charakterystykę: > materiały budowlane: ściany z cegieł, betonowe stropy i podłogi, jasne pokrycie dachowe; > zyski wewnętrzne: 3 W/m 2 ; > zewnętrzne zacienienie okien (75%); > wentylacja naturalna przeciętna dzienna wymiana powietrza: 0,65 (przenikanie i wentylacja przez okna); nocna wymiana powietrza: 2,5; > aktywne chłodzenie przez system klimatyzacyjny, utrzymywana maksymalna komfortowa temperatura: 25 C; > wstępny punkt wyjścia: nie zastosowana żadna izolacja. Dla przeanalizowania wpływu izolacji, wewnętrznych zysków ciepła i zacienienia na potrzebę chłodzenia w celu utrzymania komfortowych warunków we wspomnianych budynkach, został zastosowany następujący pakiet środków : > ściany: wartość współczynnika U zredukowana z 1,7 do 0,6 W/m 2 K; > dach: wartość współczynnika U zredukowana z 2,25 do 0,5 W/m 2 K; > podłoga: wartość współczynnika U zredukowana z 1,0 do 0,5 W/m 2 K.

18 [kwh/m2 a] [kwh/m2 a] ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW WPŁYW STREF KLIMATYCZNYCH Ponieważ zewnętrzne warunki klimatyczne w znaczny sposób determinują potrzebę chłodzenia, przeprowadzono analizy opisanych budynków w Sewilli (908 CDD), Marsylii (427 CDD) i w Lyonie (128 CDD). Wyniki podano w kwh energii zużywanej do chłodzenia na m 2 powierzchni użytkowej 2. Rys. 7. Zużycie energii do chłodzenia domu jednorodzinnego (SFH) w Sewilli, Marsylii i Lyonie Zapotrzebowanie na energię do chłodzenia domu jednorodzinnego [kwh/m2 a] Izolacja: ściana 0,6 / dach 0,5 / podłoga 0,5 W/m2K bez izolacji z izolacją Sewilla Marsylia Lyon Rys. 8. Energia zużywana do chodzenia domu wielorodzinnego (MFH) w Sewilli, Marsylii i Lyonie Zapotrzebowanie na energię do chłodzenia domu wielorodzinnego [kwh/m2 a] Izolacja: ściana 0,6 /dach 0,5 / podłoga 0,5 W/m2K bez izolacji z izolacją Sewilla Marsylia Lyon 2 Zużycie energii w kwh/m 2 odnosi się do m 2 powierzchni użytkowej: do 1m 2 ze 120 m 2 domu jednorodzinnego i do 1 m 2 z 1600 m 2 domu wielorodzinnego.

19 [kwh/m2 a] 20 ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW Wyniki pokazują, że po zastosowaniu izolacji mogą być zrealizowane pokaźne oszczędności energii potrzebnej do chłodzenia. Równocześnie widoczne jest, że całkowite zużycie energii do chłodzenia w budynkach mieszkalnych znacznie maleje w klimacie umiarkowanym jak Lyon w porównaniu z klimatem gorącym jak Sewilla. Obliczone zapotrzebowanie na chłodzenie wynoszące zero dla Lyonu odzwierciedla fakt, że przeciętna temperatura pomieszczenia w całym budynku przy braku aktywnego systemu chłodzącego nie przekracza 25 C w czasie lata. Sytuacja może być inna w przypadku jednopokojowego apartamentu w budynku z dachem skierowanym na południe. 4.2 WPŁYW ELEMENTÓW BUDYNKU Wpływ pojedynczych środków izolujących ściany zewnętrzne, dach, lub podłogę opisano za pomocą poniższych wykresów. Rys. 9. Oszczędność energii wynikająca z izolacji w Sewilli Oszczędności zapotrzebowania energii do chłodzenia [kwh/m2 a] SFH i MFH Sewilla Izolacja: ściana 0,6 / dach 0,5 / podłoga 0,5 W/m2K dom jednorodzinny SFH dom wielorodzinny MFH tylko ściana tylko dach tylko podłoga kombinacja ściany, dachu i podłogi Patrząc na pojedyncze środki izolacji ścian, dachu, lub podłogi widoczne jest, że na różne sposoby przyczyniają się one do oszczędności, które dają łącznie wszystkie środki izolacyjne. Izolacja ściany przyjętego domu jednorodzinnego w Sewilli redukuje zużycie energii potrzebnej do chłodzenia o 4 kwh/m 2 rocznie. Zaskakująco wpływ izolacji dachu jest pozytywny. Dzieje się tak wskutek szczególnie wysokich temperatur dachu, spowodowanych promieniowaniem słonecznym, co prowadzi do wyższych temperatur jego powierzchni. W tym przypadku izolacja przynosi korzyści termiczne. Izolacja podłogi natomiast przyczynia się do wzrostu zużycia energii na chłodzenie w klimacie gorącym. Jest to spowodowane redukcją efektu chłodzenia, które dają niskie temperatury gruntu latem. Z drugiej strony w sezonie zimowym izolacja podłogi powoduje oszczędności energii zużywanej do ogrzewania. Stąd zalecane wartości współczynnika przenikania ciepła U w niniejszej analizie uwzględniają wpływ izolacji na potrzebę ogrzewania i chłodzenia. Jeśli jednak chodzi o izolację podłogi, należałoby rozważyć inne ograniczenia, aby sprostać wymaganiom takim jak komfort akustyczny (hałas od dźwięków uderzeniowych), fizyka budowli (poziom temperatury powierzchni przy danych warunkach wilgotności w celu uniknięcia kondensacji lub pożądanej szybkiej reakcji na ogrzewanie podłogowe), które mogłoby wymagać zwiększenia izolacji (niższej wartości współczynnika U) dla podłóg.

20 [kwh/m2 a] ECOFYS >>> WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U DLA LEPSZEJ EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ BUDYNKÓW 21 Można zauważyć analogiczny wpływ izolacji na zapotrzebowanie na chłodzenie, jednak na niższym poziomie, dla domu jednorodzinnego w Marsylii - zobacz Rys. 10. Rys. 10. Oszczędność energii wynikająca z izolacji w Marsylii Oszczędność energii zużywanej do chłodzenia [kwh/m2 a] SFH i MFH w Marsylii Izolacja: ściana 0,6 / dach 0,5 / podłoga 0,5 W/m2K dom jednorodzinny SFH dom wielorodzinny MFH tylko ściany tylko dach tylko podłoga kombinacja ściany, dachu i podłogi Z Rys. 7. i Rys. 8. można wywnioskować, że dla Lyonu, jak opisano praktycznie nie ma potrzeby chłodzenia budynków mieszkalnych a wpływ izolacji dachu, ścian zewnętrznych lub podłogi na potrzebę chłodzenia może być pominięty. 4.3 WRAŻLIWOŚĆ POWIĄZANA Z INNYMI CZYNNIKAMI W trzecim kroku dokonano analizy wrażliwości dla oszacowania wpływ różnych, branych pod uwagę czynników: zewnętrzne zacienienie, wewnętrzne zyski ciepła, sposoby wentylacji i masa termiczna na potrzebę chłodzenia, w stosunku do stopnia użytej izolacji. Dokonano symulacji następujących scenariuszy: brak zewnętrznego zacienienia okien (sytuacja referencyjna: 75% zacienienia); większe zyski wewnętrzne: 5 W/m 2 (sytuacja referencyjna: 3 W/m 2 ); brak wentylacji nocnej (sytuacja referencyjna: nocna wymiana powietrza: 2,5); budynki o lekkiej drewnianej konstrukcji (sytuacja referencyjna: cegły i beton). Wyniki analiz wrażliwości dla przyjętego domu jednorodzinnego (SFH) i wielorodzinnego (MFH) dla trzech wybranych miejsc zilustrowane są na poniższych wykresach.