Ewolucja metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynków

Transkrypt

1 Ewolucja metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynków Prof. Edward Szczechowiak Politechnika Poznańska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska 14. września

2 Zakres wystąpienia Wymagania dyrektywy UE dot. budynków, Rozporządzenia z roku 2008 metodologia, warunki techniczne, projekt budowlany, Nowelizacja dyrektywy cel Budynki niemal zero-energetyczne (nzeb), Nowelizacja WT oraz metodologii, Działania przyszłościowe, Uwagi końcowe 2

3 Dyrektywa 2002/91/EC EPBD (1) Directive 2002/91/EC of the European Parliament and of the Council on the energy performance of buildings (o właściwościach energetycznych budynków lub o charakterystyce energetycznej budynków) - ważna dla przyszłości budownictwa Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 16 grudnia 2002 r. dotycząca charakterystyki energetycznej budynków terminy wdrożenia w krajach członkowskich 3

4 Podejście zintegrowane wymóg EnEV 02 (Niemcy) 4

5 Prawodawstwo polskie

6 Dyrektywa 2002/91/EC EPBD (1) Directive 2002/91/EC of the European Parliament and of the Council on the energy performance of buildings (o właściwościach energetycznych budynków lub o charakterystyce energetycznej budynków); Prace nad rozporządzeniami krajowymi: czerwiec październik 2008; Opublikowanie rozporządzenia Ministra ds. budownictwa listopad

7 Dyrektywa 2002/91/EC EPBD (2) Zakres dyrektywy Ustanowienie minimalnych wymagań efektywności energetycznej dla całego zapotrzebowania na energię przez budynek (ogrzewanie/chłodzenie, wentylacja, oświetlenie wbudowane, ciepła woda) Objąć powyższymi wymaganiami wszystkie nowe i duże remontowane budynki Wprowadzić system obowiązkowych świadectw energetycznych dla budynków nowych lub poddanych obrotowi (najem, sprzedaż) Co 5 lat przeprowadzać rewizję przepisów Cel Poprawa gospodarki energetycznej, zmniejszenie zużycia paliw pierwotnych, zmniejszenie emisji CO 2 w europejskich domach, mieszkaniach i obiektach użyteczności publicznej 7

8 Dyrektywa 2002/91/EC EPBD (3) Sformułowanie wymagań: Wymagania dotyczące zapotrzebowania całkowitej energii pierwotnej (nieodnawialnej) zużywanej przez budynek, Wymagania maksymalne zostały zawarte w warunkach technicznych. 8

9 Dyrektywa 2002/91/EC EPBD (4) Dyrektywa o charakterystyce energetycznej budynków powinna uwzględniać: Charakterystykę klimatu lokalnego, Warunki klimatu wewnętrznego, jakość powietrza, Położenie i orientację budynku, Charakterystykę budynku (przenikanie ciepła przez obudowę i szczelność powietrzną, podział wewnętrzny), Pasywne systemy słoneczne i ochrona przed promieniowaniem, Instalacje ogrzewcze i ciepłej wody, jakość izolacji, Instalacje wentylacyjne i klimatyzacyjne, wentylacja naturalna, Instalacje oświetleniowe. Szczególny nacisk w zapisach dyrektywy: Aktywne systemy słoneczne i zasoby energii odnawialnej, Układy skojarzone różnych mocy, Systemy ciepłowniczo-chłodnicze. Konkluzja prowadzi to do obniżenia zużycia energii i obniżenia emisji zanieczyszczeń, w tym CO 2. 9

10 Dyrektywa 2002/91/EC EPBD (5) Ocena energetyczna budynków: Budynki jednorodzinne różnych rodzajów, Bloki mieszkalne, Budynki biurowe, Budynki edukacyjne, Hotele i restauracje, Szpitale, Obiekty sportowe, Hurtownie i budynki usług handlu detalicznego, Inne budynki zużywające energię. Budynki wyłączone z oceny: Budynki kultu religijnego, Budynki historyczne, Budynki użytkowane okresowo. 10

11 Stan prawny w roku 2008 Nowelizacja ustawy Prawo budowlane Ustawa z dnia 19 września 2007 r. o zmianie ustawy Prawo budowlane (Dz. U. nr 191, poz. 1373) Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 21 stycznia 2008r. (Dz.U. Nr 17 poz. 104) w sprawie przeprowadzania szkolenia oraz egzaminu dla osób ubiegających się o uprawnienie do sporządzania świadectwa charakterystyki energetycznej budynku, lokalu mieszkalnego oraz części budynku stanowiącego samodzielną całość techniczno-użytkową (Dz.U. Nr 17 poz. 104). 11

12 Stan prawny Prawo budowlane Art. 5: dodano ust. 3-7 oraz 8-15, Art. 5 Ust. 3. Z zastrzeżeniem ust. 7, dla każdego budynku oddawanego do użytkowania oraz budynku podlegającego zbyciu lub wynajmowi powinna być ustalona, w formie świadectwa charakterystyki energetycznej, jego charakterystyka energetyczna, określająca wielkość energii wyrażoną w kwh/(m 2 a), niezbędnej do zaspokojenia różnych potrzeb związanych z użytkowaniem budynku. Świadectwo charakterystyki energetycznej budynku jest ważne 10 lat. Art. 5 Ust. 4. W przypadku budynku z lokalami mieszkalnymi lub częściami budynku stanowiącymi samodzielną całość techniczno-użytkową, przed wydaniem lokalu mieszkalnego lub takiej części budynku osobie trzeciej, sporządza się świadectwo charakterystyki energetycznej lokalu mieszkalnego lub części budynku. 12

13 Stan prawny - rozporządzenia Rozporządzenia Ministra Infrastruktury: Rozporządzenie z dnia 6. listopada 2008 (Dz.U. Nr 201 poz. 1240) 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 Nowelizacja z dnia 6. listopada 2008 (Dz.U. Nr 201 poz. 1238) rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jaki powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie Nowelizacja z dnia 6. listopada 2008 (Dz.U. Nr 201 poz. 1239) rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 3 lipca 2003 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego 13

14 Zasady bilansowania energii wg metodologii Bilanse energii budynków: Budynek i jego właściwości cieplne (straty, zyski ciepła), szczelność powietrzna PN-EN ISO 13790; Technika instalacyjna i jej efektywność (ogrzewanie, wentylacja, chłodzenie, ciepła woda, oświetlenie); Konwersja energii i jej pochodzenie (pierwotna - odnawialna i nieodnawialna). Rodzaje energii w ocenie budynków: Zapotrzebowanie energii użytkowej do ogrzewania (chłodzenia), cwu; Zapotrzebowanie energii końcowej (ciepło do ogrzewania i wentylacji, ciepłej wody użytkowej, straty systemu dystrybucji, energia pomocnicza), Zapotrzebowanie nieodnawialnej energii pierwotnej (energia końcowa + nakłady na wyprodukowanie energii, transport i pozyskanie). 14

15 Zasady obliczeń Budynek jest traktowany jako system energetyczny Zintegrowana analiza trzech modułów: Budynek i jego właściwości cieplne (izolacja termiczna, szczelność powietrzna, wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w zimie, ochrona przed promieniowaniem w lecie H tr, H ve (H ve1, H inf ); Technika instalacyjna odpowiedzialna za komfort cieplny i użytkowy oraz za oświetlenie (sprawność energetyczna, straty lub zyski ciepła, sprawność regulacji); Źródła energii - efektywne wyprodukowanie i dostarczenie energii do budynku. Energia pierwotna nieodnawialna i odnawialna 15

16 Rodzaje energii Poziomy bilansu energii: użytkowa (Qnd, End), końcowa (Q K, EK), pierwotna (EP) 16

17 Elementy wpływające na właściwości energetyczne budynku + standardowy klimat lokalny oraz TC + IAQ 17

18 Zakres metodologii Rozporządzenie w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku określa: sposób sporządzania świadectwa energetycznego dla budynku, lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową wzory świadectwa energetycznego dla budynku, metodologię obliczania charakterystyki energetycznej budynku, 18

19 Procedury obliczeniowe Ogrzewanie i wentylacja Roczne zapotrzebowanie na energię użytkową (ciepło użytkowe) do ogrzewania i wentylacji Oblicza się metodą bilansów miesięcznych, W obliczeniach uwzględnia się dynamikę cieplną budynku Szczechowiak 2017 IV Warsztaty BPIE Warszawa 19

20 Elementy obliczeniowe w metodologii 20

21 Elementy obliczeniowe w metodologii 21

22 Elementy obliczeniowe w metodologii 22

23 Elementy obliczeniowe w metodologii 23

24 Elementy obliczeniowe w metodologii Krajowe wskaźniki nakładu energii pierwotnej wi (Polska 2008): paliwa kopalne 1,1; biomasa 0,2; ciepło z kogeneracji węgiel 0,8; energia słoneczna termiczna 0,0; ciepło sieciowe z ciepłowni węglowej 1,3; energia elektryczna sieciowa 3,0; energia elektryczna kolektory PV 0,7; 24

25 Elementy obliczeniowe w metodologii Krajowe wskaźniki nakładu energii pierwotnej wi (Polska nowelizacja 2015): paliwa kopalne 1,1; energia słoneczna, wiatr, geotermia 0,0; biomasa 0,2; biogaz 0,5; ciepło z kogeneracji węgiel, gaz 0,8; ciepło z kogeneracji biomasa, biogaz 0,15; ciepło sieciowe z ciepłowni węglowej 1,3; energia elektryczna sieciowa 3,0; 25

26 Zasady obliczeń charakterystyki energetycznej Zużycie energii pierwotnej dla ogrzewania i wentylacji i rozkład strat w budynku mieszkalnym z własnym źródłem gazowym E. Szczechowiak 2008 Charakterystyka energetyczna budynków Poznań, 17 listopad

27 Prawodawstwo polskie (nowelizacja ) 27

28 Kierunki zmian Ustawa: Ustawa z dnia 29. sierpnia 2014 (Dz.U poz. 1200) o charakterystyce energetycznej budynków Rozporządzenia Ministra Infrastruktury: Nowelizacja z dnia 5. lipca 2013 (Dz.U. Nr 33 poz. 926) rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jaki powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie; Rozporządzenie z dnia 27. lutego 2015 (Dz.U poz. 376) w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej 28

29 Polityka energetyczna UE i Polski w zakresie budownictwa Dyrektywa w sprawie charakterystyki energetycznej budynków 2002/91/CE, Nowelizacja Dyrektywy (2010/31/EU) z 19 maja 2010 w sprawie charakterystyki energetycznej budynków wprowadza budynki o prawie zerowym zużyciu energii (very low and close to zero energy buildings), Po wszystkie nowe budynki o niemal zerowym zużyciu energii, Po budynki nowe zajmowane przez władze publiczne o niemal zerowym zużyciu energii, Po roku 2015 wymagania okresu przejściowego, Nowelizacja warunków technicznych (WT 13) w zakresie wprowadzenia budynków nzeb w Polsce (5. lipca 2013) 29

30 Polityka energetyczna UE i Polski w zakresie budownictwa Budynek o niemal zerowym zużyciu energii (close to zero energy buildings) oznacza budynek o bardzo wysokiej efektywności energetycznej określonej liczbowo wg jednolitej procedury (wspólne ramy do obliczania charakterystyki energetycznej wydane przez Komisje Europejską ), Niemal zerowa lub bardzo mała ilość wymaganej energii powinna pochodzić w bardzo wysokim procencie z energii ze źródeł odnawialnych (w tym ze źródeł odnawialnych wytwarzanej na miejscu lub w pobliżu lokalizacji budynku). 30

31 Standardy energetyczne budynków Pierwsze budynki energooszczędne (lata 70-te XX wieku): Jako efekt I kryzysu naftowego (1974); Wprowadzono maksymalne współczynniki przenikania ciepła przegród budynku; Określono maksymalne zużycie energii użytkowej dla ogrzewania i wentylacji 70 kwh/(m 2 a). Pierwszy budynek pasywny (lata 80/90 XX wieku): Opracowanie podstaw B. Adamson Szwecja 1988, Realizacja W. Feist (Niemcy) 1991 (dom szeregowy 4 - segmentowy); Określono standard budynku pasywnego (szczelność powietrzna n50 = 0,6 h -1, zużycie energii użytkowej dla ogrzewania i wentylacji 15 kwh/(m 2 a), zużycie energii pierwotnej dla wszystkich potrzeb 120 kwh/(m 2 a). Budynki nzeb (lata ): Opracowanie podstaw Dyrektywa UE 2010 (maj 2010), Wdrożenie: 2019/

32 Budynki niemal zero-energetyczne Kryterium projektowe nzeb: (rozwiązanie zagadnienia odwrotnego, zastosowanie projektowania zintegrowanego) Wybór rozwiązania wg minimalnego kosztu globalnego - Kglobal (koszt inwestycji i zdyskontowany koszt eksploatacji) Kglobal = F(EP) EP = f(pp,po) EP energia pierwotna PP parametry projektowe PO parametry operacyjne 32

33 Budynki nzeb i ich ocena Budynki niemal zero energetyczne (nzeb): nzeb (1) = LEB + Energia odnawialna, nzeb (2) = VLEB + Energia odnawialna. 33

34 Wdrożenie budynków o niemal zerowym zużyciu energii Wartości optymalne EP oraz EK zależą od kosztu globalnego w cyklu życia (20 lub 30 lat) wg PN-EN Charakterystyka energetyczna budynków Ekonomiczna ocena instalacji energetycznych budynków 34

35 Budynki nzeb wartości EP w Polsce 35

36 Budynki nzeb wartości EP w Polsce 36

37 Krajowe plany realizacji budynków nzeb w wybranych krajach UE Wdrożenie Dyrektywy UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków 2002/91/CE (po roku 2003) 37

38 Budynki nzeb bilansowanie energii Powiązania budynku z technicznym wyposażeniem i przepływy energii: 38

39 Metodologia zmiany w 2015 Definicje: System ogrzewania i wentylacji, System przygotowania ciepłej wody użytkowej, System chłodzenia, System wbudowanej instalacji oświetlenia Energia użytkowa, Energia końcowa, Energia pomocnica, Energia pierwotna (nieodnawialna, odnawialna) Emisja zanieczyszczeń (CO 2 ), Udział energii odnawialnej. 39

40 Metodologia zmiany w 2015 Charakterystyka energetyczna: Metoda obliczeniowa dla standardowego sposobu użytkowania; Metoda zużyciowa tylko dla ogrzewania i cwu. Zmiany we wzorze świadectwa charakterystyki energetycznej (oprócz EP mamy emisję CO 2 oraz udział energii odnawialnej) 40

41 Zasady projektowania budynków nzeb Obudowa i struktura budynku Przegrody zewnętrzne nieprzezroczyste (U, Htr); Przegrody zewnętrzne przezroczyste (U, Htr, b); Struktura i masywność budynku (wewnętrzna pojemność cieplna); Szczelność powietrzna budynku Hinf; Wymagania minimalne WT 13 41

42 Zasady projektowania budynków nzeb Technika budynku Instalacje wentylacyjne Instalacje grzewcze/chłodnicze Źródła ciepła Źródła chłodu Wykorzystanie energii odnawialnej (analiza projekt budowlany) Sterowanie i zarządzanie budynkiem Wymagania WT 13 Izolacja termiczna komponentów układów instalacyjnych 42

43 Zmiany metodologii 2015 Komentarz Standardowy sposób użytkowania: Współczynniki nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej nieprecyzyjnie energia słoneczna, wiatru i geotermalna (w = 0), Średnia sezonowa sprawność regulacji, Wewnętrzne zyski ciepła, Problem obliczania wentylacji (grawitacyjna, mechaniczna), Przepływ powietrza wg metodologii a wymagania normowe, Wartości podstawowe strumienia zewnętrznego w okresie użytkowania budynku (tabela 25), Wartości obciążenia cieplnego pomieszczeń wewnętrznymi zyskami ciepła (tabl. 26), Wyznaczanie jednostkowej wielkości emisji CO 2 C H raz kwh/(m 2 rok) oraz kg/(m 2 rok) 43

44 Wentylacja/klimatyzacja budynku Parametry projektowe wentylacji wg ISO PN EN jakość powietrza wg kryterium CO 2 ; Dobór wielkości centrali wentylacyjnej i sposobu dystrybucji powietrza; Izolacja termiczna komponentów układu wentylacyjnego wg WT 13. Parametry operacyjne instalacji wentylacyjnej: Stały przepływ powietrza w czasie; Przepływ ograniczony w okresie nieużywania pomieszczeń (nawet do zera); Przepływ powietrza zmienny w czasie (wg kryterium obciążenia np. poprzez pomiar ditlenku węgla i kontrolę wartości dopuszczalnej VAV, DCV) Odzyskiwanie ciepła z powietrza wywiewanego (500 m 3 /h i min. 50% odzysk ciepła wg WT 13). 44

45 Wentylacja/klimatyzacja budynku Centrale wentylacyjne/klimatyzacyjne dyrektywa EcoDesign Strategia EUROPA 2020 Rozp. Komisji UE Nr 1253 i 1254/2014 Wymagania od : Wentylatory wielobiegunowe lub o działaniu płynnym; Odzysk ciepła; Przepustnica obejściowa wymiennika do odzysku ciepła; Odzysk 67% (z czynnikiem pośrednim 63%); SFPint określone wg rozporządzenia. Wymagania od : j.w.; Odzysk 73% (z czynnikiem pośrednim 68%); SFPint określone wg rozporządzenia. 45

46 Ogrzewanie/chłodzenie budynku Parametry projektowe ogrzewanie/chłodzenia temperatura operacyjna wg ISO EN 7730; Układy ogrzewania niskotemperaturowe o wysokiej efektywności Układy chłodzenia o wysokiej efektywności (w tym pasywne) Minimalizacja strat/zysków ciepła komponentów (WT 13) Parametry operacyjne instalacji ogrzewania/chłodzenia: Stała temperatura w czasie: zmiana zima/lato; Osłabienie ogrzewania w nocy; Regulacja pogodowa z korektą miejscową za pomocą termostatów; Chłodzenie wg potrzeb wg profilu użytkowania. 46

47 Ogrzewanie/chłodzenie budynku Wymagania wg WT 08; WT 13 Wymagania dla techniki instalacyjnej Izolacja termiczna przewodów i zbiorników akumulacyjnych układów grzewczych i ciepłej wody Izolacja termiczna przewodów wentylacyjnych i central wentylacyjnych Izolacja termiczna (zimnochronna) przewodów i zbiorników akumulacyjnych układów chłodzenia Transportowe straty ciepła prowadzenie przewodów wewnątrz izolacji 47

48 Cechy systemów zaopatrzenia w energię lokalnych i zdalaczynnych Cechy nowoczesnych systemów zaopatrzenia w energię: Małe zużycie nieodnawialnej energii pierwotnej na jednostkę energii końcowej (wskaźnik wep), Niska emisja ditlenku węgla i innych gazów na jednostkę energii końcowej Ograniczenie lub wyeliminowanie tzw. emisji niskiej (również ze źródeł ciepła gazowych i olejowych) Niezawodność i bezpieczeństwo dostawy ciepła Akceptowalna i konkurencyjna cena Analiza w projekcie budowlanym racjonalne wykorzystanie odnawialnych źródeł energii (wymóg rozporządzenia) 48

49 Nowoczesne układy skojarzone technologie wielopaliwowe (1) CHP Horsens Dania 1992 Waste-fired CHP Plant Elektrociepłownia średniej mocy CHP Horsens/Dania: Moc nominalna 35 MW e i 45 MW th ; Paliwo odpady komunalne 2x 5 Mg/h oraz gaz ziemny 5500 m 3 /h. Produkcja w roku 2006: Ciepło MWh th ; Energia elektryczna MWh e ; Zużycie paliwa: odpady komunalne Mg, gaz ziemny 21 mln m 3. Wskaźnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla produkcji ciepła: w P = 0,43. Kocioł gazowy w p = 1,1. E. Szczechowiak 2016 MTP BUDMA

50 Metodologia zmiany w przyszłości Charakterystyka energetyczna: Metoda obliczeniowa dla standardowego sposobu użytkowania; Doprecyzowanie niektórych definicji; Uściślenie standardowego sposobu użytkowania (referencyjne profile użytkowe); Wewnętrzne zyski ciepła wartości preferencyjne bardziej; realne niż dotychczas (w budynkach nzeb istotny udział w bilansie energetycznym); Referencyjne parametry budynków; Referencyjne parametry systemów HVAC i ciepłej wody; Zintegrowane systemy budowlano-instaalcyjne. 50

51 Uwagi końcowe (1) Określanie maksymalnych wartości EP dla budynków w oparciu o minimalny koszt globalny jest metodą najbardziej racjonalną dla wdrożenia budynków nzeb; Określone w WT 13 wartości EP należy traktować jako wartości maksymalne; Określone w WT 13 wartości współczynników przenikania ciepła przegród budynku U są niewystarczające dla opisu budynku referencyjnego. Dodatkowo należy określić szczelność powietrzną budynku i wymagania w zakresie mostków cieplnych; Metodologia powinna być dostosowywana do zmieniających się wymagań dotyczących parametrów energetycznych budynków. 51

52 Budynki przyszłości nzeb Uwagi końcowe (2) Celowość wznoszenia budynków niemal zeroenergetycznych i modernizacja do poziomu nzeb: Niezbędne dla przyszłości budownictwa, Realizacja idei zrównoważonego rozwoju, Obniżenie zużycia nieodnawialnej energii pierwotnej, Obniżenie emisji CO 2 i innych zanieczyszczeń do środowiska, Poprawa komfortu cieplnego w pomieszczeniach, Obniżenie szkód substancji budowlanej i wzrost trwałości budynków, Niskie koszty eksploatacyjne. Aktualne przepisy budowlane nie precyzują wielu wymagań cząstkowych (szczególnie w zakresie techniki instalacyjnej budynku) 52