MATERIAŁY KONFERENCYJNE. Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków

Transkrypt

1 MATERIAŁY KONFERENCYJNE I Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Gliwice, 10 grudzień 2010

2 Seminarium realizowano w ramach programu strategicznego: Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Zadanie nr 3 Zwiększenie wykorzystania energii z odnawialnych źródeł energii w budownictwie Projekt realizowany jest na zlecenie Narodowego Centrum Badań i Rozwoju przez konsorcjum w skład którego wchodzi: Politechnika Śląska ul. Akademickiej 2A Gliwice Główny Instytut Górnictwa Plac Gwarków Katowice Instytut Technik Innowacyjnych EMAG Ul. Leopolda Katowice Uniwersytet Śląski Ul. Bankowa Katowice Park Naukowo-Technologiczny Euro-Centrum Sp. z o.o. ul. Ligocka Katowice,

3 Program: Rejestracja uczestników konferencji Spotkanie Komitetu Sterującego Powitanie uczestników wystąpienie Prof. dr hab. inż. Jan Ślusarek Prorektor ds. Nauki i Współpracy z Przemysłem, Politechnika Śląska Wystąpienie Prof. dr hab. inż. Tadeusz Kuczyński Prorektor ds. Nauki i Współpracy z Zagranicą, Uniwersytet Zielonogórski Zwiększenie wykorzystania energii z odnawialnych źródeł w budownictwie- zadanie w projekcie strategicznym Narodowego Centrum Badań i Rozwoju - Prof. J. Kozioł, Politechnika Śląska w Gliwicach SESJA I Etapy zrealizowane Etap 1. Ocena istniejącej bazy danych wejściowych dotyczących OŹE (zasobów, warunków klimatycznych, dostępnych technologii) - Prof. J. Popczyk, Politechnika Śląska w Gliwicach, Etap 2. Ocena istniejącej metodologii wyznaczania technicznych, ekonomicznych i ekologicznych efektów wykorzystania OŹE w budownictwie Prof. J. Kozioł, Politechnika Śląska w Gliwicach, Etap 3. Ocena istniejących metod rekomendacji wykorzystania OŹE w budownictwie, a zwłaszcza programów komputerowych - Mgr inż. A. Chomiak, dr inż. W. Boroń, Instytut Technik Innowacyjnych "EMAG" SESJA II Etapy w trakcie realizacji Etap 4. Badanie efektywności energetycznej i kosztowej realizacji przedsięwzięć w zakresie zastosowania odnawialnych źródeł energii (oźe) w budynkach, na podstawie dotychczas zrealizowanych inwestycji, ze wsparciem finansowym, ze środków publicznych - Mgr K. Papież Pawełczak, Park Naukowo-Technologiczny Euro-Centrum Etap 6. Badania nad stosowaniem mikrokogeneracji oraz technologii zintegrowanych z wykorzystaniem OŹE (z uwzględnieniem mikrobiogazowni i innych technologii OŹE) w różnych kategoriach budynków - Prof. J. Popczyk, Politechnika Śląska w Gliwicach, Etap 8. Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej - Prof. dr hab. inż. A. Ziębik, Politechnika Śląska w Gliwicach, Etap 9. Określenie wpływu zmian struktury wewnętrznej i zewnętrznej budynku na zwiększenie OŹE w budownictwie Prof. dr hab. inż. I. Szczygieł, Politechnika Śląska w Gliwicach, Etap 12. Opracowanie metodologii wyznaczania technicznych zasobów energetycznych OŹE w aspekcie możliwości zwiększenia ich zastosowania w budownictwie - Dr hab. Cabała, Uniwersytet Śląski Dyskusja Spotkanie organizacyjne realizatorów zadania 3

4 Joachim Kozioł Politechnika Śląska Instytut Techniki Cieplnej Zwiększenie wykorzystania energii z odnawialnych źródeł energii w budownictwie- zadanie w projekcie strategicznym Narodowego Centrum Badań i Rozwoju W roku 2009 Narodowe Centrum Badań i Rozwoju ogłosiło konkurs na realizacje projektu strategicznego nt. Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków, składającego się z 7 zadań. Jedno z nich dotyczyło Zwiększenia wykorzystania energii z odnawialnych źródeł energii w budownictwie. Opracowanie tego zadania NCBiR powierzyło konsorcjum,w skład którego weszli : Politechnika Śląska (reprezentowana przez Instytut Techniki Cieplnej oraz Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów) jako Lider oraz Uniwersytet Śląski, Główny Instytut Górnictwa, Instytut Technik Innowacyjnych EMAG, Park Naukowo-Technologiczny Euro- Centrum jako Partnerzy. Ponadto każdy z uczestników będzie przy rozwiązywaniu problemów zadania korzystał z pomocy ekspertów zatrudnionych w innych instytucjach. Celem zadania jest opracowanie sposobów rekomendacji służących zwiększeniu udziału odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym budynku, a poprzez to uzyskanie pozytywnych efektów ekologicznych, ekonomicznych oraz technicznych w skali budynku, kompleksów budowlanych, gmin oraz kraju. 1. Zakres zadania Oczekiwane rezultaty zadania przewiduje się uzyskać poprzez realizację następujących podzadań: 1. ocenę istniejącego stanu rekomendacji wykorzystania OŹE w budownictwie, 2. opracowanie metodologii oceny technicznej, ekonomicznej i ekologicznej wykorzystania OŹE, 3. opracowanie programu komputerowego do oceny technicznej, ekonomicznej i ekologicznej wykorzystania OŹE, 4. opracowanie szczegółowych rekomendacji. Ocenę istniejącego stanu rekomendacji wykorzystania OŹE w budownictwie zamierza się przeprowadzić przez analizę istniejącej bazy danych dotyczącej: ogółu zasobów energetycznych, zasobów OŹE, warunków klimatycznych, aktualnie dostępnych technologii wykorzystania OŹE. Ocena zasobów OŹE zostanie przeprowadzona w aspekcie ilościowym oraz metodologicznym. W celu ewentualnej adaptacji dotychczasowych metod badań oraz uniknięcia niepotrzebnych kosztów z tym związanych zamierza się przeprowadzić krytyczną analizę dotychczasowej metodologii wyznaczania technicznych, ekonomicznych i ekologicznych efektów 4

5 wykorzystania OŹE w budownictwie. Z analogicznych względów zamierza się przeprowadzić analizę istniejących programów komputerowych typu RETScreen, EnergyPlus itp. W zakresie opracowania metodologii oceny technicznej, ekonomicznej i ekologicznej wykorzystania OŹE w budownictwie zamierza się zrealizować cztery moduły etapów badań dotyczących: technologii, użytkowników, wzajemnego sprzężenia technologii i użytkowników, przygotowania danych wejściowych. W zakresie oceny technologii stosowania OŹE zamierza się określić: stopień substytucji konwencjonalnych źródeł przez OŹE przy uwzględnieniu różnych ich zastosowań, efekty zastosowania technologii kogeneracji i innych technologii zintegrowanych z OŹE, metodykę analiz ekonomicznych z uwzględnieniem LCC. Metodologię związaną z użytkowaniem energii zamierza się ukierunkować na opracowanie modelu użytkownika oraz modelu systemowego kompleksu budowlanego. Za ważne zagadnienie naukowo-badawcze należy uważać wzajemne powiązanie struktury wewnętrznej i zewnętrznej budynku z możliwością zwiększenia wykorzystania w nim OŹE. Ze względu na ważne ograniczenia wynikające z zobowiązań unijnych istotne znaczenie zdają się mieć zagadnienia dotyczące roli gminy w zakresie zwiększenia OŹE. Ponieważ wyniki badań w większym stopniu zależą od wprowadzanych danych wejściowych niż od metodologii analiz, ważne są szczegółowe badania związane z jakościowym i ilościowym określeniem warunków istotnych, dotyczących zwłaszcza parametrów pozatechnicznych takich jak: regulacje prawne oraz determinanty społeczne. Odrębnym zagadnieniem jest efektywność wykorzystania środków finansowych. Zamierza się opracować algorytmy cząstkowe: wykorzystania poszczególnych rodzajów OŹE w budownictwie, oceny wpływu struktury budynku na zapotrzebowanie energii i możliwości zastosowania OŹE, oceny efektów mikrokogeneracji oraz mikropoligeneracji z OŹE z uwzględnieniem mikrobiogazowni, oceny efektów ekologicznych i ekonomicznych. Walidację opracowanego programu komputerowego zamierza się przeprowadzić w oparciu o wielowariantowe obliczenia numeryczne dla przykładowych budynków. Poza programem komputerowym rezultatami zadania badawczego będą między innymi rekomendacje w postaci: program komputerowy wspomagający ocenę wykorzystania OŹE w budynkach, program komputerowy do oceny wpływu struktury budynku na wykorzystanie OŹE, moduł informatyczny = baza danych geośrodowiskowych, katalog technologii odnawialnych dedykowanych reprezentatywnym budynkom, rekomendacje mechanizmów wspierających wykorzystanie OŹE w budownictwie, modelowanie opracowania audytów termoizolacyjnych budynków z zastosowaniem OŹE, aplikacje komputerowe do projektowania układów energetycznych z OŹE dla kompleksu budynków, wytyczne do stosowania mikrokogeneracji technologii zintegrowanych z wykorzystaniem OŹE, wytyczne do zarządzania zespołem obiektów preferującego wykorzystanie OŹE, wytyczne do integracji mikrosystemu Gospodarstwo rolne presumenta ze Smart Grid-em, 5

6 wytyczne do oceny wpływu OŹE na celowość przystąpienia przedsiębiorstw energetyki komunalnej do systemu handlu uprawnieniami do emisji CO 2, wytyczne do uwzględnienia OŹE w planie zaopatrzenia gminy w energię elektryczną, ciepło i gaz, wytyczne do modyfikacji aktów prawnych w zakresie wsparcia wykorzystania OŹE w aspekcie realizacji celów pakietu 3x20, Przewiduje się przeprowadzenie realizacji zadania w 25 etapach. Szczegółowy schemat realizacyjny z podziałem na podzadania (moduły etapów) zilustrowano na rys.1 Ocena stanu istniejącego 1.Ocena istniejącej bazy danych wejściowych dotyczących OŹE 2.Ocena istniejącej metodologii modelowania budynków oraz określenia efektów wykorzystania OŹE w budownictwie 3.Ocena istniejących metod rekomendacji wykorzystania OŹE w budownictwie (programów komputerowych) 4.Badanie efektywności energetycznej i kosztowej OŹE w dotychczas zrealizowanych inwestycjach ze wsparciem finansowym, ze środków publicznych Metodologia oceny technicznej, ekonomicznej i ekologicznej wykorzystania OŹE w budownictwie Technologia Użytkownik Dane wejściowe 5.Opracowanie metodologii oceny efektów technicznych, ekonomicznych i ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez OŹE 6.Badania nad stosowaniem mikrokogeneracji oraz technologii zintegrowanych z wykorzystaniem OŹE 7.Opracowanie modelu użytkownika energii (budynku lub grupy budynków mieszkalnych), w aspekcie możliwości substytucji konwencjonalnych źródeł energii na OŹE 8.Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej 12.Opracowanie metodologii wyznaczania technicznych zasobów energetycznych OŹE 13.Opracowanie metodologii oceny wpływu pozatechnicznych kryteriów na wybór źródeł energii 14.Opracowanie bazy danych dotyczącej wykorzystania OŹE Współdziałanie 9.Określenie wpływu zmian struktury wewnętrznej i zewnętrznej budynku na zwiększenie wykorzystania OŹE 10.Analiza wpływu sposobu zarządzania zespołem obiektów na zwiększenie wykorzystania OŹE 11.Rola i zadania gminy w zakresie zwiększenia udziału OŹE w budownictwie Programy komputerowe Algorytmy cząstkowe 15.Opracowanie algorytmu programu komputerowego do oceny wpływu struktury budynku na zapotrzebowanie energii, możliwość wykorzystania OŹE oraz efektów energetycznych i ekologicznych 16.Opracowanie algorytmu programu komputerowego związanego z mikrokogeneracją oraz mikropoligeneracją z OŹE z uwzględnieniem mikrobiogazowni 17.Opracowanie algorytmów programów komputerowych wykorzystania poszczególnych rodzajów OŹE w budownictwie Program komputerowy 18.Opracowanie systemu komputerowego dotyczącego wykorzystania OŹE w budownictwie 19.Walidacja aplikacji Walidacja Rekomendacje Wytyczne projektowe, normatywy 20.Opracowanie wytycznych projektowych wykorzystania OŹE w budownictwie, przy uwzględnieniu krajowych i unijnych norm prawnych 21.Określenie wpływu wykorzystania OŹE na ocenę charakterystyki energetycznej budynku i przedsięwzięć termomodernizacyjnych dla poprawy efektywności końcowego wykorzystania energii 22.Ocena wpływu wykorzystania OŹE na celowość przystąpienia przedsiębiorstw energetyki komunalnej do systemu handlu uprawnieniami do emisji CO2 Rekomendacja i rozpowszechnianie wyników 23.Określenie wpływu wykorzystania OŹE oraz zarządzania redukcją emisji CO2 na realizację celów pakietu 3x20 24.Opracowania strategii zwiększenia udziału OŹE w budownictwie 25.Działania marketingowe, informacyjno-promocyjne propagujące wyniki zadania badawczego Rys.1. Struktura analizowanego zadania oraz proponowane etapy jej realizacji. 6

7 2. Elementy innowacyjne proponowanych rozwiązań Za innowacyjne cechy o charakterze ogólnym proponowanego rozwiązania zadania należy uznać: wielopoziomowe rozpatrywanie problemu zwiększonego wykorzystania OŹE poczynając od budynków poprzez kompleksy obiektów budowlanych, analizę wpływu zarządzania zespołem obiektów, ocenę celowości przystąpienia przedsiębiorstw energetyki komunalnej do systemu handlu uprawnieniami do emisji CO 2, rolę i zadania gmin, aż do wpływu wykorzystania OZE oraz związaną z tym redukcją emisji CO 2 na realizację celów pakietu 3x20 a więc bezpośrednio ocenę możliwości realizacyjnych polityki energetycznej państwa, multidyscyplinarne analizowanie problemów wykorzystania OŹE przy uwzględnieniu kryteriów techniczno-ekonomicznych, legislacyjnych, a zwłaszcza przy szczególnym zaakcentowaniu najczęściej pomijanego aspektu badań socjologicznych określających preferencje społeczne związane ze zwiększeniem wykorzystania OŹE. W dostępnej literaturze krajowej i zagranicznej brak informacji dotyczących tak kompleksowego podejścia do wykorzystania OŹE w budownictwie oraz energetyce komunalnobytowej. Za przykładowe nowatorskie zagadnienia zawarte w ofercie rozwiązania zadania można uznać: wprowadzenie mikrobiogazowni i/lub układu ORC do zasilania osiedla lub kompleksu budynków, wprowadzenie gminnego centrum energetycznego jako drugiego filaru bezpieczeństwa energetycznego, realizacja pracy wyspowej instalacji OŹE stanowiącej między innymi alternatywne zasilanie awaryjne w budynkach, zastosowanie generacji zintegrowanej typu BHP, uwzględnienie roli i zadania samochodu elektrycznego w mikrosystemie Dom prosumenta (energetycznego), integracja mikrosystemu Dom prosumenta (energetycznego) ze Smart Gridem (w warstwie infrastruktury teleinformatycznej/zarządczej), uczestniczenie przedsiębiorstw energetyki komunalnej w handlu uprawnieniami do emisji CO 2, uwzględnienie w projektowaniu układów energetycznych z OŹE struktury wewnętrznej i zewnętrznej budynku. Zalecana do oceny wszelkich przedsięwzięć (inwestycji) metoda UNIDO aktualnie powszechnie zalecana. Metoda LCC) LCA + aspekty ekonomiczne) jest uważana za metodę rozwojową i przyszłościową. Powiązanie tych metod w jednej metodologii wraz z opracowaną bazą danych będzie w tym względzie nowoczesnym narzędziem oceny technologii OŹE. Nowoczesną walidację wyników badań umożliwią obiekty Grupy Euro-Centrum, partnera konsorcjum realizującego omawiane zadanie. Grupa posiada w swoich zasobach budynki, które powstały przy wsparciu finansowym ze środków publicznych, i które osiągnęły wysoką efektywność energetyczną dzięki zastosowaniu nowoczesnych technologii oraz wykorzystaniu OŹE. Przykładem może być budynek innowacyjny, w którym maksymalnie zoptymalizowano koszty eksploatacji pod względem energetycznym. Zastosowane rozwiązania to: pompa ciepła współpracująca z czterema studniami geotermalnymi znajdującymi się poza obrysem budynku, płaszczyznowe ogrzewanie 7

8 i chłodzenie stropowe BKT, szczelna wentylacja mechaniczna z rekuperatorem odzyskującym do 75% ciepła z wywiewanego powietrza, BMS system zarządzania instalacjami grzania, chłodzenia i wentylacji, system zautomatyzowanych żaluzji fasadowych z czujnikiem nasłonecznienia i siły wiatru. Oprócz tego w budynku zastosowano zaawansowane systemy izolacyjne oraz pasywne okna, które przysłaniają żaluzje, dostosowujące stopień otwarcia do warunków pogodowych. Budynek pracuje w dni robocze w weekendy oraz po godzinach pracy system przechodzi w stan uśpienia. Naszpikowany technicznymi udogodnieniami budynek oszczędza nie tylko energię, ale i przestrzeń dzięki temu, że instalacje grzewcze nie zajmują miejsca wewnątrz. Budynek oszczędza aż 2/3 standardowo zużywanej energii. 3. Produkty zadania, poziomy rekomendacji oraz ewentualni nabywcy Na rysunku 2 podano: przewidywane produkty będące efektem zadania badawczego. Rys. 2. Przewidywane produkty zadania, poziomy rekomendacji oraz ewentualni odbiorcy 8

9 4. Uwagi końcowe Niniejsze opracowanie wykonano w oparciu o Opis zadania badawczego stanowiącego załącznik do umowy zawartej między Narodowym Centrum Badań i Rozwoju a Konsorcjum realizującym badania. W przygotowaniu tego opisu uczestniczyli przedstawiciele wszystkich Partnerów. Autor dziękuje Im za okazaną pomoc. 9

10 Kierownik części zadania badawczego: Joachim Kozioł Pozostali autorzy: Jan Składzień Wiesław Gazda Michał Kozioł Barbara Mendecka Magdalena Piłat Joanna Sas Instytut Techniki Cieplnej Politechnika Śląska Ocena istniejącej metodologii wyznaczania technicznych ekonomicznych i ekologicznych efektów wykorzystania odnawialnych źródeł energii w budownictwie 1. Wstęp Tytułowa ocena istniejącej metodologii wyznaczania skutków wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OŹE) w budownictwie powinna być swego rodzajem przewodnikiem i poradnikiem użytecznym przy kompleksowych badaniach zagadnień dotyczących energetyki komunalnej z szczególnym uwzględnieniem problemów dotyczących zwiększonego wykorzystania OŹE. Równocześnie powyższa ocena stanowi prezentację aktualnego stanu wiedzy w zakresie: modelowania procesów energetycznych zachodzących w budynkach, modelowania procesów i zjawisk związanych z funkcjonowaniem urządzeń i instalacji stosowanych w budynkach, sposobów zaspokajania potrzeb komunalno-bytowych ludności ze szczególnym uwzględnieniem OŹE, wyników i kryteriów oceny ilościowej i jakościowej wykorzystania energii w budynkach i związanych z tym efektów ekonomicznych i ekologicznych, sposób oceny efektów trudno wymiernych, optymalizacja rozwiązań związanych z wykorzystaniem OŹE, oceny efektów politycznych, prawnych i społecznych stosowania OŹE. 2. Zakres analizowanych zagadnień. Przegląd metod modelowania budynków obejmuje metodę uproszczona i bilansową określania zapotrzebowania energii, zasady i przykłady modelowania budynków z wykorzystaniem, metody różnicowej bilansów elementarnych oraz pakietu CFD-Fluent. Wskazano na zakresy przydatności Etap nr: 2 Ocena istniejącej metodologii wyznaczania technicznych, ekonomicznych i ekologicznych efektów wykorzystania OŹE w budownictwie 10

11 poszczególnych sposobów określania zapotrzebowania ciepła oraz matematycznego modelowania budynków. W odniesieniu do problemów istniejących rozwiązań technicznych energetycznego zapotrzebowania ludności wskazano na wpływu rozwiązań bryły budynku na możliwości wykorzystania OŹE oraz warianty wykorzystania OŹE do celów grzejnych, przygotowania ciepłej wody użytkowej, przygotowania posiłków oraz oświetlenia. Z kolei, przy okazji omawiania zasad modelowania urządzeń i instalacji do wykorzystania OŹE, stosunkowo szczegółowo przedstawiono problemy związane: z pompami ciepła zwłaszcza współpracujące z gruntowym źródłem ciepła, kolektorami słonecznymi, ogniwami fotowoltaicznymi, silnikami wiatrowymi oraz układami kogeneracyjnymi zasilanymi biopaliwami. W zakresie przeglądu i oceny wskaźników i kryteriów energetycznych omówiono sposób wyznaczania oraz celowość stosowania następujących wielkości: sprawności energetycznej i egzergetycznej, skumulowanej energochłonności i egzergochłonności, normatywnej oceny efektów energetycznych w budynkach (wskaźniki EK, EP). Wskazano na czynniki istotnie wpływające na wartość wskaźników i kryteriów. Stosunkowo dużo uwagi poświęcono w opracowaniu kryterium oceny efektów ekonomicznych wykorzystania OŹE w budownictwie. Omówiono sposoby wyznaczania wskaźników nie uwzględniających oraz uwzględniających wpływu czynnika czasu. Spośród wskaźników zaliczanych do pierwszej kategorii, omówiono: okres zwrotu (Payback Period - PP), prostą stopę zwrotu (Simple Rate of Return - SPBT), test pierwszego roku (Test the First Year). W przypadku wskaźników uwzględniających wpływ czasu, oprócz wielkości stosowanych powszechnie, takich jak: wartość zaktualizowana netto (Net Present Value - NPV) i wewnętrzna stopa zwrotu (Internal Rate of Return - IRR), omówiono takie wskaźniki jak: wskaźnik wartości zaktualizowanej netto (Net Present Value Ratio NPVR), współczynnik zyskowności (Profitability Index - PI), zmodyfikowaną wewnętrzną stopę zwrotu (Modified Rate of Return MIRR), okres zwrotu (dla przepływów zdyskontowanych). Ponadto, w opracowaniu przedstawiono wskaźniki stosowane do oceny opłacalności realizacji projektów energooszczędnych, takie jak: wskaźnik zaoszczędzonych kosztów (Cost of Saving - CS) oraz wskaźnik kosztów zaoszczędzonej energii (Cost of Energy Saving - CSE). W przypadku wszystkich omawianych wskaźników, zwrócono uwagę na konieczność przeprowadzenia analizy wrażliwości oraz wskazano najważniejsze czynniki których zmienność powinna zostać uwzględniona w tej analizie w przypadku oceny projektów z zakresu wykorzystania OŹE w budownictwie. W opracowaniu omówiono również użyteczność poszczególnych wskaźników i celowość ich wykorzystania m.in. w przypadku wyboru projektu z grupy projektów różniących się zarówno czasem jak i wymaganą kwotą nakładów. Ważnym problemem jest metodologia oceny efektów ekologicznych. W opracowaniu zwrócono uwagę na bezpośrednią i skumulowaną emisję CO 2 związaną z wykorzystaniem OŹE (tablica 1.). Zagadnienie to jest istotne w związku z różnicami między czasowym i lokalizacyjnym pozyskaniem i wykorzystaniem tych źródeł. Etap nr: 2 Ocena istniejącej metodologii wyznaczania technicznych, ekonomicznych i ekologicznych efektów wykorzystania OŹE w budownictwie 11

12 Tablica 1. Bezpośrednia i skumulowana emisja CO 2 związana z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii. Bezpośrednia emisja, Skumulowana emisja, kg/mj kg/mj Biopaliwa stałe: - drewno Biopaliwa ciekłe: - bioetanol - biodiesel Biopaliwo gazowe: - biogaz Energia słoneczna: - kolektory termiczne - ogniwa fotowoltaiczne Energia wiatru: - turbiny wiatrowe Energia wody: - turbiny wodne Pompy ciepła 0,109 0,07 0,076 0,054 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,007 0,009 0,014 0,006 0,005 0,020 0,070 0,010 0,010 0,100 Podano sposób określania aktualnie stosowanych wskaźników (klas) ekologicznych budynków. Omówiono zasady przeprowadzania analiz LCA (Life Cycle Assessment). Podkreślono zalety i wady oceny efektywności ekologicznej procesów za pomocą kosztu termoekologicznego stanowiącego uogólnienie analizy LCA. Ze względu na specyfikę realizowanego zadania pt.: Zwiększenie energii z odnawialnych źródeł energii w budownictwie polegającym na uwzględnieniu aspektów pozatechnicznych (między innymi politycznych, społecznych itp.) wystąpiła potrzeba oceny zasad wartościowania jakościowych i ilościowych efektów trudno wymiernych. W tym kontekście zwrócono w opracowaniu uwagę na sposoby korzystania z metody delfickiej oraz na jej zalety i wady. Ostatnie dwa punkty opracowania poświęcono metodom optymalizacji jenoi wielokryterialnej. W ramach analiz dotyczących optymalizacji jednokryterialnej przedstawiono zasady formułowania zadania optymalizacyjnego, wykorzystanie ograniczeń równościowych do zmniejszenia liczby parametrów doskonałości i padano zasady dekompozycji problemu optymalizacyjnego. Następnie przedstawiono podział metod optymalizacji ze względu na charakter danych wejściowych. Uwzględniono przy tym następujące przypadki informacji wejściowych: dane są średnie wartości danych wejściowych, znane są rozkłady statystyczne tych danych, dane charakteryzujące rozkłady o nieznanych parametrach (wartości oczekiwanej i średniego odchylenia standardowego), dane mają charakter heurystyczny. Omówiono numeryczne sposoby rozwiązania zdeterminowanych problemów optymalizacji (metodę kompleksową - siatki przestrzennej, metody gradientowe, Monte Carlo) oraz zasady optymalizacji w warunkach niepewnych rozkładów lub informacji heurystycznych (wykorzystanie kryteriów Bayesa, Walda, Hurwica, Savage a). Etap nr: 2 Ocena istniejącej metodologii wyznaczania technicznych, ekonomicznych i ekologicznych efektów wykorzystania OŹE w budownictwie 12

13 W przypadku oceny efektów wykorzystania odnawialnych źródeł energii przeprowadzona się najczęściej wielokryterialne analizy optymalizacyjne. Najbardziej znaną pod tym względem jest metoda AHP (Analytic Hierarchy Process) opracowana przez Satty ego. Ponadto w opracowaniu przedstawiono charakterystykę metod: a) PROMETHEE (Preferencje Ranking Organization Metod for Enrichment Evaluation), b) ELECTRE, c) TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solutions), d) CP (Compromise Progamming), e) MAUT (Multi-Attribute Utility Theory). 3. Wcześniej przeprowadzone przeglądy metod modelowanie procesów energetycznych. W literaturze spotkać można prace analogiczne do prezentowanego opracowania. Na szczególną uwagę zasługuje pod tym względem duże monografie: Van Beeck N.:Classification of Energy Models, Tiburg University and Eindhover University of Technology, Pohekar S.D., Ramochandran M.: Application of multi-criteria decision making to sustainable energy planning A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 8, 2004, p Pierwsza praca stanowi przegląd 22 opracowań monograficznych opublikowanych w latach zawiera ona informacje dotyczące modeli omówionych według kwalifikacji uwzględniającej: przeznaczenie: ogólne (prognostyczne i analityczne) i szczegółowe (określenie zapotrzebowania oraz sposobów zaopatrzenia obiektów w nośniki energetyczne i energię oraz ocenę wzajemnych relacji między charakterystycznymi parametrami), powiązanie zewnętrzne i wewnętrzne, podejście analityczne (ocena maksimum lub minimum przyjętego kryterium), zastosowanie (symulacyjne, kalkulacyjne, ekonomiczne, makroekonometryczne, optymalizacyjne typu input-output), sposób rozwiązania (programowanie liniowe i dynamiczne), zasięg geograficzncy (globalne, regionalne, krajowe, lokalne), aspekt (punkt widzenia): energetyczny, ekologiczny i/lub inny, horyzont czasowy: krótki, średni, długi, charakter danych: jakościowe, ilościowe, monetarne, całkowite, ułamkowe. Praca Van Beeck a zawiera ponadto szczegółowe informacje na temat 8 najbardziej znanych programów komputerowych wykorzystywanym do modelowania procesów energetycznych. Przedstawione modele są przeznaczone do analiz związanych z planowaniem energetycznym. Nie uwzględniają one specyfiki związanej z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii. Przedstawione opisy poszczególnych modeli są zazwyczaj ogólne. Nie zawierają one szczegółowych informacji merytorycznych wskazują one raczej odpowiednie źródła literaturowe. Praca Pohekar a i Romachandran a stanowiła jedno z podstawowych źródeł literaturowych wykorzystywanych przez nas przy opisie analiz wielokryterialnych. Etap nr: 2 Ocena istniejącej metodologii wyznaczania technicznych, ekonomicznych i ekologicznych efektów wykorzystania OŹE w budownictwie 13

14 Literatura: Zadanie badawcze nr 3: 1. Ocena istniejącej metodologii wyznaczania technicznych ekonomicznych i ekologicznych efektów wykorzystania odnawialnych źródeł energii w budownictwie. Sprawozdanie z realizacji etapu 2: Ocena istniejącej metodologii wyznaczania technicznych, ekonomicznych i ekologicznych efektów wykorzystania OŹE w budownictwie, Gliwice, grudzień 2010 Etap nr: 2 Ocena istniejącej metodologii wyznaczania technicznych, ekonomicznych i ekologicznych efektów wykorzystania OŹE w budownictwie 14

15 Włodzimierz Boroń Andrzej Chomiak Instytut EMAG Ocena metod i narzędzi rekomendacji wykorzystania OZE w budownictwie Streszczenie W pracy zaprezentowano wyniki Etap 3. strategicznego projektu badawczego dotyczącego zwiększenia wykorzystania energii z odnawialnych źródeł energii (OZE) w budownictwie. Etap 3. zatytułowany jest Ocena istniejących metod rekomendacji wykorzystania OZE w budownictwie, a zwłaszcza programów komputerowych. W ramach wykonanych prac poddano analizie i ewaluacji aktualny krajowy stan metod rekomendacji dla stosowania w budownictwie instalacji energetycznych wykorzystujących istniejące zasoby OZE w celu zbilansowania zużycia energii w różnych dziedzinach jej użytkowania w budynku. Analizą i oceną objęto aktualny stan zapisów w zakresie dyrektyw unijnych oraz krajowych aktów prawnych. Poddano diagnozie obowiązujące w Polsce normy i normatywy implementujące unijne wymagania zwiększenia efektywności energetycznej w aspekcie stosowania OZE w budownictwie. Scharakteryzowano i oceniono funkcjonujące aktualnie krajowe mechanizmy wsparcia finansowego dla przedsięwzięć inwestycyjnych i modernizacyjnych wdrażających systemy energetyczne oparte na instalacjach zasilanych z OZE. Poddano analizie krajową metodologię bilansowania zapotrzebowania energii w budownictwie oraz oceniono stosowane w projektowaniu i przy sporządzaniu audytów termomodernizacyjnych dla obiektów budowlanych algorytmy wyznaczania wskaźników energochłonności budynków z instalacjami zasilanymi z OZE. W kolejnym obszarze oceny istniejącego stanu rekomendacji wykorzystania OZE w budownictwie poddano charakterystyce dostosowane do warunków krajowych narzędzia wspomagania analiz techniczno-ekonomicznych wykorzystania OZE w budynkach, w tym oceniono metodologie dostępnych programów komputerowych używanych przy takich analizach. Dla zobrazowania aktualnego stanu dostępnych programów komputerowych stanowiących narzędzia wsparcia dla wdrażania instalacji opartych na OZE, poddano klasyfikacji wybrane oferty krajowych i unijnych producentów instalacji opartych na OZE i stosowanych w budownictwie oraz scharakteryzowano firmowe programy wspomagające dobór tych produktów. Przedstawiono charakterystyki energetyczne i oceniono efektywność energetyczną oraz efekt redukcji emisji gazów cieplarnianych do powietrza dla przykładowych budynków wyposażonych w instalacje zasilane z OZE. 1. Aktualny stan rekomendacji wykorzystania OZE w budownictwie W ramach prac badawczych analizowano akty prawne dotyczą wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych w powiązaniu z oszczędnością energii i ochroną środowiska. Droga do zwiększenia udziału OZE w bilansie potrzeb energetycznych prowadzi od sformułowania celów, które mają zostać osiągnięte poprzez stworzenie ram administracyjnych i prawnych, wypracowania zasad postępowania aż do wdrożenia przy użyciu konkretnych systemów wsparcia. Biorąc pod uwagę Etap nr: 3 Ocena istniejących metod rekomendacji wykorzystania OZE w budownictwie, a zwłaszcza programów komputerowych 15

16 fakt, że głównym konsumentem energii w krajach europejskich jest budownictwo, działania w zakresie racjonalizacji zużycia energii są skupione na tym obszarze. Wśród nich należy wymienić wprowadzenie obowiązku sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej w celu rekomendowania budynków o niskim zużyciu energii, czy też wspomaganie termomodernizacji budynków. Najistotniejszym dokumentem unijnym dla rozwoju wykorzystania OZE jest dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych. Wyznacza ona m. in. obowiązkowe cele krajowe co do udziału energii odnawialnej w końcowym zużyciu energii brutto i w strukturze zużycia energii w transporcie. Każde z państw członkowskich WE ma obowiązek zadbania o to, aby jego udział energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto w roku 2020 odpowiadał co najmniej jego celowi ogólnemu, określonemu w dyrektywie. Dla rekomendowania wykorzystania OZE wydano szereg krajowych rozporządzeń, do których należy zaliczyć : rozporządzenie w sprawie udzielenia pomocy publicznej w zakresie budowy lub rozbudowy jednostek wytwarzających energię elektryczną lub ciepło z odnawialnych źródeł energii; rozporządzenie w sprawie szczegółowych warunków udzielania pomocy publicznej na przedsięwzięcia związane z poszukiwaniem i rozpoznawaniem złóż wód termalnych; rozporządzenie w sprawie rodzajów programów i projektów przeznaczonych do realizacji w ramach krajowego systemu zielonych inwestycji; rozporządzenie w sprawie zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii. Do rozporządzeń pośrednio wpływających na zwiększenie wykorzystania OZE w budownictwie należy zaliczyć także: rozporządzenie wprowadzające instytucję świadectw charakterystyki energetycznej w celu rekomendowania i preferowania budynków o niskim zużyciu energii, czy też rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu i form audytu energetycznego oraz rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego. Dalsze prace dotyczyły analizy Polskich Norm związanych z energią ze źródeł odnawialnych i odnoszących się głównie do urządzeń służących jej wykorzystaniu. Normy te zawierają wymagania stawiane urządzeniom wykorzystującym różne rodzaje energii pozyskanej z OZE oraz opisują metody badań tych urządzeń. Przedstawiono normy obejmujące urządzenia, spośród których część nie jest związana bezpośrednio z budownictwem, jak turbiny wodne i wiatrowe, chociaż produkowana przez nie energia elektryczna może być zużywana przez budynki. Najwięcej opublikowanych norm dotyczy urządzeń fotowoltaicznych wraz z urządzeniami towarzyszącymi, następnie pomp ciepła, turbin wiatrowych i wodnych, kolektorów słonecznych oraz wykorzystania biomasy w zakresie paliw stałych. Istnieje szereg norm związanych z projektowaniem instalacji grzewczych w budynkach, które zasilane są energią odnawialną. O ile zatem istnieje dobrowolność stosowania Polskich Norm, to jednak ich powołanie w przepisach ma swoją podstawę ustawową, a zdefiniowane w ten sposób wymagania dotyczące obiektów budowlanych wynikają bezpośrednio z upoważnień przewidzianych Prawem budowlanym i ustawą o normalizacji. Istniejące krajowe mechanizmy wsparcia finansowego dla przedsięwzięć inwestycyjnomodernizacyjnych wdrażających systemy energetyczne oparte na instalacjach zasilanych z OZE zmienią model energetyki w Polsce. Nasze krajowe systemy energetyczne w niedalekiej przyszłości będą funkcjonowały zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju i tym samym nie będą źródłem nadmiernej emisji gazów cieplarnianych. Aktualnie w Polsce funkcjonują systemy wsparcia dla wdrażania i rozwoju instalacji opartych na zasobach OZE, co wynika ze stanu zapisów prawnych oraz 16 Etap nr: 3 Ocena istniejących metod rekomendacji wykorzystania OZE w budownictwie, a zwłaszcza programów komputerowych

17 uruchomionych programów dotacji finansowych z publicznych środków krajowych i unijnych. Dalsze prace dotyczyły oceny mechanizmów wsparcia finansowego. Krajowe budownictwo coraz bardziej dostrzega światowy trend związany ze zrównoważonym rozwojem gospodarczym. Te tendencje mogą być jeszcze bardziej wzmocnione w budownictwie poprzez wdrożenie korzystnych dla inwestorów mechanizmów wsparcia finansowego oraz ustanowienie właściwych regulacji prawnych promujących budownictwo niskoenergetyczne i oparte na zasobach OZE. Następnie poddano analizie działalność organizacji rządowych i pozarządowych, agencji i fundacji odnoszącą się do rynku budownictwa. Z dużej ilości istniejących krajowych podmiotów działających na rynku ogólnopolskim, bądź regionalnym dokonano wyboru i poddano analizie działalność tych instytucji pod kątem ich zaangażowania w promocję budownictwa energooszczędnego oraz efektywną gospodarkę energetyczną. Zestawiono i przedstawiono instytucje propagujące rozwój sektora OZE poprzez projektowanie i prowadzenie inwestycji budownictwa ekologicznego oraz użytkowania zgodnego z zasadami zrównoważonego rozwoju. Podmioty te realizują w różnych formach doradztwo i edukację użytkowników energii końcowej w obszarze zasad racjonalnego jej użytkowania i w zakresie zagadnień technicznych, ekonomicznych i ekologicznych między innymi z dziedziny stosowania odnawialnych źródeł energii w budownictwie. W przeprowadzonej analizie wydzielono grupy organizacji i instytucji działających w poszczególnych branżach energetyki odnawialnej, a mianowicie w energetyce słonecznej, energetyce wiatrowej, energetyce wodnej, źródłach ciepła wykorzystujących jako nośnik energii biomasy lub biopaliwa oraz w energetyce geotermalnej. Ustawa o zmianie ustawy Prawo budowlane wdrażająca wytyczne dyrektywy EPBD wprowadziła obowiązek ustalenia standardu energetycznego budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej, systemu ocen energetycznych oraz systemu kontroli źródeł ciepła (kotłowni) i instalacji klimatyzacyjnych. W ramach prac badawczych poddano analizie rozporządzenie metodologiczne zawierające algorytmy i szczegółowe metody obliczeniowe dla określenia charakterystyki energetycznej budynku w dziedzinie ogrzewania i wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz dodatkowo na potrzeby oświetlenia wbudowanego w przypadku oceny budynków użyteczności publicznej. Obliczona zgodnie z rozporządzeniem metodologicznym wartość wskaźnika EP energii pierwotnej nieodnawialnej dla budynku o niezadowalającej izolacji termicznej może być bardzo korzystna (niska), gdy zastosowano w budynku instalacje wykorzystujące OZE. W przygotowaniu nowelizacji ustawy Prawo budowlane i rozporządzeń wykonawczych nie ustrzeżono się wielu błędów, niejasności interpretacyjnych i niejednoznaczności w sformułowaniach. Zgodnie ze wspólnym stanowiskiem i opinią specjalistów oraz ekspertów działających w dziedzinie efektywności energetycznej budynków wprowadzone z dniem 1 stycznia 2009 r. ustawodawstwo w zakresie oceny energetycznej budynków wymaga kolejnej i szybkiej nowelizacji. 2. Komputerowe narzędzia analizy wykorzystania OZE w budynkach Narzędzia analizy wykorzystania energii w budynku stanowią integralną część procesu identyfikacji i implementowania miar oszczędności energii w budynku. Narzędzia te mają wiele zastosowań, poczynając od edukacji, ale głównie stanowią wsparcie przy wykonywaniu szczegółowych analiz projektowych. Zakres funkcji jest bardzo różny, obejmuje analizy poszczególnych elementów budynku lub analizę całego obiektu. W ramach prac badawczych wykonano przegląd narzędzi do analizy wykorzystania energii w budynku, dla odbiorców planujących budowę nowych obiektów lub modernizację już eksploatowanych. Na rynku krajowym istnieje wiele Etap nr: 3 Ocena istniejących metod rekomendacji wykorzystania OZE w budownictwie, a zwłaszcza programów komputerowych 17

18 narzędzi wspomagania komputerowego służących określeniu i obliczeniu parametrów jakości energetycznej budynków. Programy te są wykorzystywane przy opracowywaniu świadectw charakterystyki energetycznej budynku, wyznaczaniu jego projektowej charakterystyki energetycznej, sporządzaniu audytów energetycznych oceny stanu istniejącego budynków oraz audytów termomodernizacyjnych i remontowych spełniających wymagania aktualnie obowiązujące. Firmy opracowujące programy komputerowe weszły na rynek krajowy z narzędziami wspomagania o różnym zakresie funkcjonalności i różnym zakresie obliczeniowym. W okresie ostatnich kilku lat narzędzia te w coraz większym stopniu podlegają uszczegółowieniu i profesjonalizacji. Wszystkie oferowane krajowe programy do wyznaczenia projektowej charakterystyki energetycznej i sporządzenia świadectwa charakterystyki energetycznej są dostosowane do wymagań ujętych w pakiecie rozporządzeń Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. Programy do opracowania audytów termomodernizacyjnych i remontowych opierają się na wytycznych określonych w ustawie o termomodernizacji i remontach oraz w rozporządzeniach wykonawczych do tej ustawy. Zgodnie z tymi regulacjami wspomaganie komputerowe obliczeń parametrów jakości energetycznej budynków musi realizować w ścisły sposób pełny zakres wymagań narzuconych legislacją krajową. Programy różnią się również funkcjonalnością, interfejsem użytkownika i sposobem prezentacji wyników. Wadą dostępnych krajowych programów komputerowych jest brak możliwości transferu danych z ocenianego budynku do poszczególnych programów różnych producentów i przeprowadzenie przy ich wsparciu analiz jakości energetycznej budynków. Docelowo w przyszłości powinny powstać narzędzia obejmujące wirtualny cykl życia budynku, pozwalający na symulację budowy lub bieżącego stanu budynku, w połączeniu z inteligentnymi systemami monitorowania i archiwizacji planów projektowych, jak i danych eksploatacyjnych, w celu wykorzystania tych informacji przez narzędzie symulacji. Takie narzędzia będą mogły być stopniowo rozszerzane, uwzględniając doświadczenia z wielu budynków budowanych wcześniej. Na podstawie przeprowadzonego przeglądu, badania i analizy dostępnych narzędzi wspomagania komputerowego stwierdza się, że na rynku krajowym nie ma kompleksowego programu obliczeniowego, który pozwala na dogłębną analizę możliwości stosowania systemów opartych na zasobach OZE dla zaspokojenia potrzeb energetycznych budynku. W aktualnie dostępnych krajowych programach brak jest możliwości symulacji zastosowania różnych systemów zasilania budynków z zasobów OZE i analiz ekologicznych dla określonego poziomu zużycia nośników energii pierwotnej nieodnawialnej. Programy stosowane aktualnie do sporządzania charakterystyk energetycznych budynków lub opracowania audytów energetycznych przedsięwzięć termomodernizacyjnych w budynkach stanowią istotne, ale niewystarczające wsparcie dla takich analiz. Przy ich wykorzystaniu możliwa jest ocena wpływu zastosowania instalacji opartych na zasobach OZE na wskaźnik zużycia energii pierwotnej nieodnawialnej i określenie wielkości zmniejszenia emisji do środowiska produktów spalania paliw. Scharakteryzowane krajowe oprogramowanie powinno być uzupełnione narzędziem umożliwiającym przeprowadzenie wariantowych obliczeń cieplno-ekologicznych dla różnych instalacji OZE w budynkach, co wraz z analizą wskaźników ekonomicznych pozwoliłoby wskazać optymalne rozwiązanie dla takich przedsięwzięć termomodernizacyjnych. 3. Ocena efektywności energetycznej budynków z instalacjami OZE Dla zbadania wpływu wykorzystania zasobów OZE na charakterystykę energetyczną budynku przeprowadzono wariantowe obliczenia zapotrzebowania energii pierwotnej nieodnawialnej dla różnych opcji wyposażenia budynku w instalacje grzewcze wykorzystujące OZE. Wykonano obliczenia charakterystyki energetycznej dla oceny efektywności energetycznej przykładowych 18 Etap nr: 3 Ocena istniejących metod rekomendacji wykorzystania OZE w budownictwie, a zwłaszcza programów komputerowych

19 budynków oraz określono wielkość redukcji emisji gazów cieplarnianych dla systemów cieplnych zainstalowanych w budynkach. Obliczenia wykonano dla przykładowego budynku mieszkalnego i dla przykładowego budynku użyteczności publicznej. Analizę przeprowadzono w trzech aspektach: energetycznym, ekologicznym i ekonomicznym. Dla przykładowego budynku mieszkalnego najbardziej niekorzystnym ekologicznie rozwiązaniem jest zastosowanie instalacji grzewczej wykorzystującej OZE w wariancie w którym zastosowano pompę ciepła w układzie biwalentnym z kotłem gazowym, który jest bazowym źródłem ciepła dla pokrycia potrzeb grzewczych. W tym systemie cieplnym uzyskano niski wskaźnik EP wyrażony w kwh/(m 2 rok) (poprawa jakości energetycznej budynku), natomiast wzrosła emisja CO 2 do atmosfery, co jest niekorzystne z uwagi na intensyfikację efektu cieplarnianego. Najkorzystniejszym rozwiązaniem dla tego budynku jest wariant w którym zastosowano dla celów ogrzewania kocioł spalający biomasę. W tym przypadku znacznie obniża się wskaźnik EP rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną i równocześnie skutecznie redukowana jest emisja CO 2 do atmosfery. Dla przykładowego budynku użyteczności publicznej najkorzystniejszym rozwiązaniem jest wariant w którym zastosowano kocioł niskotemperaturowy na biomasę pokrywający całkowite zapotrzebowanie energii na ogrzewanie. Dla tego wariantu wskaźnik EP rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną znacznie się zmniejsza, przy równoczesnej silnej redukcji emisji CO 2. Zastosowanie w tym budynku pompy ciepła pokrywającej większą część potrzeb grzewczych powoduje pogorszenie efektu ekologicznego przy równoczesnej poprawie wskaźnika jakości energetycznej budynku. Poprawa charakterystyki energetycznej budynku w stanie istniejącym jest możliwa nie tylko poprzez poprawę izolacji termicznej przegród budowlanych, ale również z dużym skutkiem przy wykorzystaniu instalacji opartych na zasobach OZE. Taka forma termomodernizacji w obrębie budynku wymaga przeprowadzenia każdorazowo analizy techniczno-ekonomicznej dla wybrania wariantu najbardziej opłacalnego do realizacji. Przy zastosowaniu instalacji opartych na zasobach OZE uzyskujemy w większości przypadków korzystny dla środowiska naturalnego efekt ekologiczny wynikający z ograniczenia emisji zanieczyszczeń do atmosfery, co jest skutkiem zmniejszenia zapotrzebowania energii pierwotnej nieodnawialnej dla pokrycia potrzeb energetycznych budynku. 4. Podsumowanie Zrealizowany w ramach zadania badawczego Etap nr 3 zakres prac obejmuje aktualny stan rekomendacji wykorzystania OZE w budownictwie w postaci regulacji prawnych i funkcjonujących mechanizmów wsparcia organizacyjno-finansowego. Ten krajowy stan wsparcia dla stosowania instalacji grzewczych opartych na zasobach OZE wraz z wdrożeniem w Polsce wymagań unijnych w istotny sposób wpłynie na wzrost udziału energii z OZE w pokryciu krajowego bilansu potrzeb. Realizacja krajowych zadań w zakresie promowania OZE umożliwi osiągnięcie przez Unię Europejską do 2020 r. celów określonych w pakiecie klimatyczno-energetycznym. Literatura 1. Ocena istniejących metod rekomendacji wykorzystania OZE w budownictwie, a zwłaszcza programów komputerowych, Etap 3, Strategiczny Projekt Badawczy pt. Zwiększenie wykorzystania energii z odnawialnych źródeł w budownictwie, Dokumentacja, Instytut EMAG, Katowice, Etap nr: 3 Ocena istniejących metod rekomendacji wykorzystania OZE w budownictwie, a zwłaszcza programów komputerowych 19

20 Osoby uczestniczące w etapie Katarzyna Papież-Pawełczak - Kierownik części zadania badawczego Stanisław Grygierczyk - Ekspert ds. merytorycznych projektu Sylwia Ledwoch - Specjalista ds. biura projektu Dawid Szarański - Specjalista ds. komunikacji społecznej projektu Wykonawca etapu : Fundacją na rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii Jednostka Park Naukowo-Technologiczny Euro-Centrum Sp. z. o.o. Badania efektywności energetycznej i kosztowej realizacji przedsięwzięć w zakresie zastosowania odnawialnych źródeł energii (OZE) w budynkach, na podstawie dotychczasowych zrealizowanych inwestycji, ze wsparciem finansowym ze środków publicznych Powyższy etap zaplanowany został w projekcie na okres do i jest w trakcie realizacji. Park Naukowo- Technologiczny Euro-Centrum Sp. z. o.o. zgodnie z zapisami umowy ( 5 pkt. 3-5) wybrał Wykonawcę Etapu w oparciu o najbardziej korzystną ekonomicznie ofertę, tj. Fundację na rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii, z którą podpisano umowę na realizacje omawianego etapu. Zgodnie z warunkami umowy Wykonawca zobowiązany został do : 1. Przeprowadzenie badania efektywności energetycznej, ekonomicznej i środowiskowej realizacji przedsięwzięć w zakresie zastosowania odnawialnych źródeł energii (OZE) w budynkach zlokalizowanych na terenie Euro-Centrum oraz innych zlokalizowanych w regionie powstałych ze wsparciem finansowym ze środków publicznych w zakresie: a) analizy zrealizowanych inwestycji, projektów, studiów wykonalności, raportów dotyczących zastosowania OZE w celu zaopatrzenia budynków w energię, w tym dofinansowanych z funduszy ekologicznych; b) wyboru reprezentatywnej grupy projektów zastosowania OZE w budownictwie według następujących kryteriów: - zastosowana technologia, - parametry techniczne i ekonomiczne zastosowania OZE, - lokalizacja przedsięwzięcia, - sposób potwierdzenia efektu ekologicznego, Etap nr: 4 Badania efektywności energetycznej i kosztowej realizacji przedsięwzięć w zakresie zastosowania odnawialnych źródeł energii (OZE) w budynkach, na podstawie dotychczasowych zrealizowanych inwestycji, ze wsparciem finansowym ze środków publicznych 20

21 - okres realizacji. 2. Sporządzenia analizy zawierającej wnioski z ww. badań, w szczególności w zakresie: a) opracowania metodyki oceny przedsięwzięć wykorzystania OZE w budownictwie, b) ujednoliconej oceny inwestycji w oparciu o opracowaną metodykę. Wykonanie przedmiotu zamówienia przebiega etapami: etap 1: sporządzenie programu planowanych badań, przedstawienie kryteriów wyboru obiektów poddanych badaniu, przygotowanie metodologii do zastosowania w przeprowadzonych badaniach wykonanie do dnia 15 listopada 2010 r.; etap 2: przedstawienie obiektów wybranych do badanej grupy w oparciu o przeprowadzone analizy, sporządzenie wstępnego raportu wyników badań - wykonanie do dnia 15 grudnia 2010 r.; etap 3: sporządzenie ostatecznej analizy wyników badań - wykonanie do dnia 28 lutego 2010 r. Krótkie streszczenie etapu 1 1. Założenia do programu badań Celem badania jest zidentyfikowanie obecnych praktyk w zakresie zastosowania odnawialnych źródeł energii w budownictwie w oparciu o doświadczenia wynikające z realizacji projektów termomodernizacyjnych realizowanych przez podmioty indywidualne i samorządy. Ze względu na fakt, że projekty w zakresie wykorzystania OZE w budownictwie kwalifikują się do uzyskania wsparcia ze środków funduszy ochrony środowiska, a większość dużych instalacji realizowana jest przy wsparciu tych funduszy, badanie przeprowadzone będzie w oparciu o dane z instytucji finansowych. Elementem analiz będzie także pokazanie wpływu zabiegów zmniejszających zapotrzebowanie na energię finalną na ekonomikę zastosowania OZE. Odrębnym elementem badania będzie ocena efektywności energetycznej, ekonomicznej i środowiskowej w budynkach zlokalizowanych na terenie Euro-Centrum, ze szczególnym zwróceniem uwagi na budynek niskoenergetyczny, który jest przykładem zastosowanie OZE w nowym budynku projektowanym z myślą o maksymalizacji obniżenia energochłonności. 2. Źródła i zakres danych W zakresie budynków Euro-Centrum - dane pochodzą od właściciela obiektów oraz niezbędnych identyfikacji pomiarowych wykonywanych przez Wykonawcę etapu. W zakresie innych obiektów zlokalizowanych w regionie powstałych ze wsparciem finansowym ze środków publicznych - dane pochodzić będą z właściwych instytucji finansowych, tj. Wojewódzki Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach oraz Fundacja Ekofundusz. 3. Kryteria wyboru obiektów W zakresie obiektów Euro-Centrum analizie poddane będą: Etap nr: 4 Badania efektywności energetycznej i kosztowej realizacji przedsięwzięć w zakresie zastosowania odnawialnych źródeł energii (OZE) w budynkach, na podstawie dotychczasowych zrealizowanych inwestycji, ze wsparciem finansowym ze środków publicznych 21

22 - budynek niskoenergetyczny - pozostałe obiekty Zadanie badawcze nr 3: W zakresie obiektów realizowanych ze wsparciem WFOŚiGW w Katowicach wstępnej ocenie poddane będą: - wszystkie przedsięwzięcia zawierające komponent OZE zrealizowane w latach realizowane na podstawie indywidualny umów - dodatkowo wybrane zostaną 1-2 lokalne programy likwidacji niskiej emisji w ramach, których realizowane były przedsięwzięcia OZE W zakresie obiektów realizowanych ze wsparciem Fundacji Ekofundusz w Warszawie wstępnej ocenie poddane będą: - przedsięwzięcia zawierające komponent OZE zrealizowane w latach wybrane projekty realizowane w ramach konkursu ciepłowniczego Pod uwagę będą brane również: a) kompleksowość projektu preferowane przypadki zastosowania OZE połączone z modernizacją obiektów b) kompletność dokumentacji projektowej audyt energetyczny, studium wykonalności, zakres finansowo- rzeczowy c) dostępność dokumentacji powykonawczej d) dostępność wiarygodnych danych pomiarowych przed i po realizacji zadania 4. Metodologia badań Badanie będzie polegać na zidentyfikowaniu stanu bazowego, określeniu linii bazowej do dalszych analiz, rozdzieleniu przedsięwzięć polegających na zastosowaniu OZE i pozostałych przedsięwzięć termomodernizacyjnych oraz indywidualnej analizie tych przedsięwzięć w celu określenia ich parametrów energetycznych, ekonomicznych oraz efektów środowiskowych (ograniczenie emisji). Analizy te oraz dokumenty będą stanowić również podstawę do oceny przedsięwzięć. W ramach etapu dodatkowo wykonano (w ramach kosztów O ) : a) Bilbord informacyjny usytuowany na terenie Euro-Centrum przy ul. Ligockiej 103 b) Broszurę edukacyjną pt. Badania wykorzystania energii odnawialnej w budynkach (dostępna na Konferencje br.) Etap nr: 4 Badania efektywności energetycznej i kosztowej realizacji przedsięwzięć w zakresie zastosowania odnawialnych źródeł energii (OZE) w budynkach, na podstawie dotychczasowych zrealizowanych inwestycji, ze wsparciem finansowym ze środków publicznych 22

23 Kierownik części zadania badawczego: Marek Bieniecki Pozostali autorzy: Piotr Krawczyk Dorota Burchart - Korol Joanna Krzemień Krystyna Olejniczak Mariusz Ćwięczek Małgorzata Bojarska Kraus Główny Instytut Górnictwa Opracowanie metodologii oceny efektów technicznych, ekonomicznych i ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez OŹE z wykorzystaniem analizy cyklu życia (LCC) Raport nr 1 za okres od do W ramach dokumentacji pt.: Opracowanie metodologii oceny efektów technicznych, ekonomicznych i ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez OŹE z wykorzystaniem analizy cyklu życia (LCC) Raport nr 1 za okres od do wykonano następujące prace: Zebrano i przedstawiono informacje o metodach LCA, LCC i UNIDO pod kątem możliwości wykorzystania do oceny efektów technicznych, ekonomicznych i ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez OŹE. Dokonano analizy dostępnych narzędzi informatycznych do przeprowadzania analiz metodami LCA, LCC i UNIDO oraz wybrano optymalne. Zdefiniowano zakres efektów technicznych, ekonomicznych i ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez OŹE pod kątem możliwości oceny metodami LCA, LCC i UNIDO, a następnie przedstawiono zbiór wskaźników. Powyższe prace zostały wykonane w podziale na następujące grupy analiz: Ocena cyklu życia - LCA (Life Cycle Assessment); Analiza koszu cyklu życia - LCC (Life Cycle Cost); Metodyka UNIDO. Wskazano również metodykę przetwarzania wyników analiz efektywności ekologicznej i ekonomicznej w celu uzyskania wskaźnika ekoefektywności oraz metodykę analizy wrażliwości i analizy ryzyka z uwzględnieniem symulacji metodą Monte Carlo uzyskanych wyników. Na podstawie przeglądu literatury przeprowadzono analizę metod i technik oceny ekologicznej oraz opisano ocenę cyklu życia LCA (Life Cycle Assessment) pod kątem możliwości wykorzystania tej metody do oceny efektów ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez Etap nr: 5 Opracowanie metodologii oceny efektów technicznych, ekonomicznych i ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez OŹE z wykorzystaniem analizy cyklu życia (LCC). 23

24 odnawialne źródła energii OŹE. Jednym z głównych założeń techniki LCA jest dążenie do wykazania wszystkich czynników, mających potencjalny wpływ na środowisko i związanych z danym produktem/technologią. Ocena cyklu życia jest przedmiotem norm międzynarodowych związanych z systemem zarządzania środowiskowego (ISO 14040:2006 oraz ISO 14044:2006). LCA jest techniką oceny aspektów środowiskowych i potencjalnych wpływów związanych z wszystkimi etapami życia produktów/technologii obejmujących: wydobycie i przetwarzanie surowców mineralnych, proces produkcyjny, dystrybucję, transport, użytkowanie, recykling, ostateczne unieszkodliwianie odpadów. LCA składa się z czterech etapów: określenie celu i zakresu badań, analiza zbioru wejść i wyjść LCI (Life Cycle Inventory), ocena wpływu cyklu życia LCIA(Life Cycle Impact Assessment) oraz interpretacja. Przedstawiono również możliwości zastosowań metody LCA. Analizę LCA można stosować przy modernizacji lub optymalizacji istniejących technologii i przy tworzeniu nowych, bardziej przyjaznych środowisku inwestycji. Jednym z najważniejszych zastosowań analizy LCA jest możliwość identyfikacji oraz oceny oddziaływania na środowisko produktu lub technologii w całym cyklu życia, bądź też w poszczególnych etapach: wydobycia surowców, produkcji, użytkowania oraz końcowego zagospodarowania. Dokonano przeglądu dostępnych programów i narzędzi informatycznych do przeprowadzenia analizy cyklu życia LCA. Do najbardziej znanych narzędzi pod względem możliwości aplikacyjnych należą: SimaPro7, Umberto, TEAM oraz GaBi. Przedstawiono również metody obliczania oddziaływania na środowisko techniką LCA, spośród których wybrano metody: Ecoindicator 99, IPCC 2001 GWP, CML 2 baseline 2000, które posłużą w kolejnych etapach w celu przeprowadzenia analiz środowiskowych dla całego cyklu życia odnawialnych źródeł energii. Na podstawie przeglądu literatury dotyczącego zastosowania LCA w OŹE, określono zakres efektów ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez OŹE. Przedstawiono główne aspekty ekologiczne stosowania odnawialnych źródeł energii (OŹE). Uważa się, że wykorzystanie energii odnawialnej w swoim założeniu nie wywiera ujemnego wpływu na środowisko. Jednak odnawialne źródła energii wymagają nakładów materiałowych i energetycznych w celu wytworzenia urządzeń OŹE. Powoduje to obciążenie dla środowiska. Na podstawie przeprowadzonego przeglądu literatury na temat zastosowania LCA dla odnawialnych źródeł energii stwierdzono, że w przypadku OŹE większość oddziaływań na środowisko następuje poza fazą eksploatacji (użytkowania). Należy zwrócić uwagę na szybki rozwój technologiczny OŹE i uwzględnić w analizach. Stwierdzono również, że głównym źródłem zanieczyszczeń jest etap budowy instalacji. Jednostką funkcjonalną dla LCA odnawialnych źródeł energii w analizach metodą LCA jest najczęściej kwh produkowanej energii dostarczonej do sieci lub kwh zgłaszanego zapotrzebowania. Przedstawiono przegląd analizy LCA dla wybranych odnawialnych źródeł energii: instalacji solarnych, ogniw fotowoltaicznych, turbin wiatrowych, energii wodnej, biopaliw oraz biomasy. Na podstawie przeglądu literatury dotyczącego analizy LCA dla OŹE określono czynniki, które należy brać od uwagę w analizie. Porównując systemy odnawialnych źródeł energii z systemami konwencjonalnymi stwierdzono, że system konwencjonalny wytwarzania energii, opalany węglem powoduje kilkakrotnie więcej emisji gazów cieplarnianych (975,3 g-co 2 /kwh) niż OŹE (turbiny wiatrowe: g-co 2 /kwh, fotowoltaika: g-co 2 /kwh, biomasa: g-CO 2 /kwh, instalacje solarne: g-co 2 /kwh i energia wodna: g-CO 2 /kwh). Na podstawie przeprowadzonych analiz stwierdzono, że odnawialne źródła energii mają zdecydowanie mniejszy wpływ na środowisko, należy jednak pamiętać że w przypadku oceny odnawialnych źródeł energii należy zawsze uwzględniać wszystkie fazy cyklu ich życia budowy, użytkowania i likwidacji. Etap nr: 5 Opracowanie metodologii oceny efektów technicznych, ekonomicznych i ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez OŹE z wykorzystaniem analizy cyklu życia (LCC). 24

25 Dokonano wstępnego wyboru metod, które zostaną wykorzystane do oceny efektywności ekologicznej OŹE. Określono zbiór danych niezbędnych do oceny OŹE metodą LCA. W niniejszym projekcie przewiduje się zastosowanie programu SimaPro, który posiada bazę ecoinvent do przeprowadzenia analizy Life Cycle Assessment. Analiza oddziaływania na środowisko techniką LCA zostanie przeprowadzona dla całego cyklu życia technologii odnawialnych źródeł energii: fazy budowy, fazy eksploatacji (użytkowania) oraz fazy likwidacji. W kolejnych etapach w ramach oceny cyklu życia dla OŹE określone zostaną granice systemu oraz przeprowadzona będzie analiza inwentarzowa. W celu uzyskania danych do wykonania analizy LCA opracowana zostanie karta poszczególnych technologii OŹE służąca zebraniu danych wejściowych i wyjściowych na każdym etapie życia technologii (etap budowy, użytkowania i likwidacji). Wykonany przegląd oraz przedstawione metody ocen środowiskowych stanowią podstawę do dalszych prac, a w szczególności do określenia zakresu niezbędnych danych do obliczeń w ramach oceny efektywności ekologicznej oraz doboru metod i narzędzi obliczeniowych do oceny. Na podstawie przeglądu literatury przeprowadzono analizę metod i technik oceny kosztowej za pomocą analiz koszu cyklu życia - LCC (Life Cycle Cost). Przez koszt cyklu życia rozumie się sumę kosztów ponoszonych w całym cyklu życia produktu, czyli w przedziale czasu od momentu, w którym powstaje koncepcja powstania produktu do momentu jego całkowej likwidacji. Szacowanie kosztu cyklu życia jest procesem analizy ekonomicznej mającej na celu ocenę całkowitego kosztu nabycia, posiadania i likwidacji wyrobu. Może być ono stosowane do całego cyklu życia wyrobu lub części tego cyklu albo kombinacji różnych faz cyklu życia. W przypadku technologii OŹE należy odnieść się do całego okresu cyklu życia. W raporcie przedstawiono wzory do wyliczania wskaźnika LCC oraz założenia i proces określania LCC. Przeanalizowano i przedstawiono również stosowane w praktyce modele kosztów cyklu życia Przeanalizowano i zinterpretowano pod kątem analizowania OŹE obowiązujące normy. Jako szczególnie przydatne zidentyfikowano następujące: PN-EN Zarządzanie niezawodnością. Przewodnik zastosowań. Szacowanie kosztu cyklu życia. Jest to część normy IEC 60300, opisuje szacowanie kosztu cyklu życia, jego cele, podział na poszczególne fazy, opisuje pojęcie niezawodności i koszty z nią związane, zawiera przykłady analizy cyklu życia. ISO Buildings and constructed assets - Service-life planning - Part 5: Life-cycle costing. Jej założeniem jest umożliwienie praktycznego wykorzystania LCC w celu powszechnego stosowania w budownictwie (zamówienia publiczne), przyczyniając się tym samym do poprawy realizacji procesu podejmowania decyzji oraz oceny inwestycji. Norma ISO określa metodologię kosztów cyklu życia podstawy wyznaczania celów, główne zasady, instrukcje, zawiera wskazówki jak rozwiązywać problemy związane z niepewnością i ryzykiem, stanowi ramy dla spójnego prognozowania. Powyższa norma jest 5 częścią normy ISO Ustalono, że wynikiem przeprowadzonych analiz będzie wyliczony wskaźnik LCC dla każdej z rozważanych technologii OŹE. W celu uzyskania możliwości analizowania wyników, równolegle zostaną przeprowadzone dla tych samych obiektów budowlanych analizy LCC dla rozwiązań technicznych wykorzystujących klasyczne źródła energii oparte na paliwach kopalnych. Przeprowadzono przegląd dostępnych na rynku programów i narzędzi informatycznych do przeprowadzenia analiz LCC. Stwierdzono, że pod względem możliwości aplikacyjnych oraz Etap nr: 5 Opracowanie metodologii oceny efektów technicznych, ekonomicznych i ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez OŹE z wykorzystaniem analizy cyklu życia (LCC). 25

26 możliwości równoległego prowadzenia analiz LCC na uwagę zasługuje szczególnie program UMBERTO. Dokonano przeglądu literaturowego metodyki UNIDO pod kątem wykorzystania w ocenie OŹE. Metodyka UNIDO (United Nations Industrial Development Organization) dotyczy standaryzacji w zakresie planowania projektów, realizacji, a także samej działalności i efektów projektu. Kompleksowy charakter oraz nakierowanie uwagi na wymagania instytucji zewnętrznych powodują, iż zastosowanie tych wskazań ma wiele zalet w realizacji prac nad projektem, jakimi są uzyskiwanie wymaganych pozwoleń czy finansowania oraz podejmowanie decyzji w zakresie wyboru wariantu projektu i jego przyjęcia do realizacji. Metodyka UNIDO przedstawia również sposób przeprowadzania analizy finansowej i oceny projektów inwestycyjnych. Zgodnie z tą metodyką finansowa opłacalność projektu z punktu widzenia inwestora jest kryterium nadrzędnym w ocenie inwestycji, ważniejszym niż inne zalety projektu. UNIDO zaleca stosowanie metod dyskontowych, czyli uwzględniających zmianę wartości pieniądza w czasie. Inwestycja jest bowiem definiowana jako długookresowe zaangażowanie zasobów ekonomicznych w celu produkowania i odnoszenia korzyści netto w przyszłości. Dlatego dyskontowanie strumieni pieniężnych stało się powszechnie akceptowalną metodą oceny projektów. W raporcie omówiono te z nich, które zostaną wykorzystane przy realizacji niniejszego projektu, a mianowicie: Metoda wartości zaktualizowanej netto (Net Present Value - NPV): pozwala określić aktualną wartość wpływów i wydatków pieniężnych związanych z realizacją analizowanej inwestycji. Metoda wewnętrznej stopy zwrotu (Internal Rate of Return - IRR): podobnie jak metoda NPV pozwala dokonać oceny inwestycji na podstawie strumienia przepływów pieniężnych. Wskaźnik zyskowności lub opłacalności (Profitability Index - PI): określa stosunek zdyskontowanych przepływów pieniężnych netto do zdyskontowanych nakładów inwestycyjnych. Metoda zdyskontowanego okresu zwrotu (Discount Payback Period - DPP): służy do szacowania okresu, jaki jest niezbędny, aby wartość bieżąca nakładów inwestycyjnych poniesionych na realizację danej inwestycji zostanie w pełni pokryta (zrównoważona) z bieżących (zdyskontowanych) dodatnich korzyści netto generowanych przez tę inwestycję. W raporcie przedstawiono procedury przeprowadzania analiz ww. metodami. Procedury te obejmują na tym etapie prac formuły obliczeniowe z opisem danych wejściowych specyficznych dla OŹE, a także kryteria podstawowej oceny otrzymanych wyników. Tam, gdzie było to uzasadnione przedstawiono również wady i zalety tych metod. Przeanalizowano i przyjęto również kluczowe założenia do prowadzenia analiz efektywności kosztowej takie, jak: - horyzont czasowy prowadzonych analiz: przyjęto cykl życia obejmujący, poza fazą budowy i likwidacji, 15-letni okres eksploatacji, - stopę dyskontową na poziomie 5% odzwierciedlającym średnią wartości portfela różnych papierów wartościowych, - inflacja: założono prowadzenie analiz w cenach stałych, bez inflacji, - opodatkowanie: stwierdzono konieczność pominięcia w analizach podatków pośrednich, w szczególności VAT. Etap nr: 5 Opracowanie metodologii oceny efektów technicznych, ekonomicznych i ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez OŹE z wykorzystaniem analizy cyklu życia (LCC). 26

27 Ustalono, że strumienie pieniężne wynikające z zastosowania OŹE będą obliczane metodą różnicową jako różnica w nakładach inwestycyjnych oraz kosztach eksploatacyjnych pomiędzy standardowymi rozwiązaniami technicznymi (bazującymi na źródłach energii z paliw kopalnych), a technologiami wykorzystującymi OŹE. W wyniku przeprowadzonych analiz ustalono, że metodami LCC i UNIDO zostanie przeprowadzona dla całego cyklu życia technologii odnawialnych źródeł energii, tj: fazy budowy, fazy eksploatacji (użytkowania), fazy likwidacji. Na podstawie zapisów PN-EN zdefiniowano typowe koszty występujące w fazach cyklu życia, które dla technologii wykorzystania OŹE w budownictwie będą obejmować w szczególności: 1) Koncepcja i definiowanie; 2) Projektowanie i rozwój; 3) Wytwarzanie i instalowanie; 4) Użytkowanie i obsługiwanie; 5) Likwidacja. Obliczone opisanymi powyżej metodami wskaźniki efektywności ekologicznej (metodą LCA) oraz ekonomicznej (w szczególności LCC) posłużą do wyliczenia wskaźników ekoefektywności. Standardowa analiza ekoefektywności stanowi bowiem funkcję dwóch wskaźników: ekologicznego oraz ekonomicznego. Według Światowej Rady Biznesu do spraw Zrównoważonego Rozwoju (WBCSD - the World Business Council for Sustainable Development) ekoefektywność wiąże wskaźnik ekonomiczny wartości wytworzonej ze wskaźnikami określającymi obciążenie środowiska. Uzyskane wyniki zostaną poddane analizom: wrażliwości: jej celem jest ustalenie wpływu zmian wybranych zmiennych wejściowych rachunku na poziom wskaźników ekoefektywności analizowanych technologii i wariantów wykorzystania OŹE. ryzyka z uwzględnieniem symulacji metodą Monte Carlo: wykorzystuje rachunek prawdopodobieństwa przy szacowaniu ilościowym danych wejściowych do analiz efektywności ekologicznej i ekonomicznej. Do wykonania analiz ryzyka przewidziano wykorzystanie programu Oracle Crystal Ball. Jest to aplikacja działająca w oparciu o arkusz kalkulacyjny (np. EXCEL) i umożliwiająca modelowanie, symulację, strategiczne planowanie oraz optymalizację. Analiza scenariuszy przedstawia zakres możliwych rezultatów oraz prawdopodobieństwo ich wystąpienia. Etap nr: 5 Opracowanie metodologii oceny efektów technicznych, ekonomicznych i ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez OŹE z wykorzystaniem analizy cyklu życia (LCC). 27

28 Kierownik części zadania badawczego: Marek Bieniecki Pozostali autorzy: Adam Jankowski Energoekspert Sp. z o.o. Mariusz Ćwięczek Krystyna Olejniczak Joanna Krzemień Główny Instytut Górnictwa Opracowanie modelu użytkownika energii (budynku lub grupy budynków mieszkalnych), uwzględniającego zróżnicowane parametry techniczne, funkcjonalne i ekonomiczne w aspekcie możliwości substytucji konwencjonalnych źródeł energii na OZE Raport nr 1 za okres od do Niniejszy raport stanowi sprawozdanie z wykonanych prac w ramach Etapu nr 7 p.t. Opracowanie modelu użytkownika energii (budynku lub grupy budynków mieszkalnych), uwzględniającego zróżnicowane parametry techniczne, funkcjonalne i ekonomiczne w aspekcie możliwości substytucji konwencjonalnych źródeł energii na OZE w okresie od 01 sierpnia do 30 listopada 2010 roku. W tym czasie opracowano założenia wyjściowe modelu, których sformułowanie poprzedzone zostało analizami cząstkowymi. W pierwszej kolejności dokonano przeglądu istniejących programów komputerowych, modeli służących rekomendacji odnawialnych źródeł energii w budownictwie. Dokonano analizy wybranych spośród nich w celu postawienia wniosków: odnośnie kształtu i zakresu modelu w warunkach krajowych oraz zapotrzebowania na jego funkcjonalność przyszłych potencjalnych użytkowników. Przegląd modeli, programów komputerowych i narzędzi badań systemów energetycznych obejmował różne rozwiązania w tym te służące popularyzacji OZE w budownictwie mieszkaniowym. W pracach wykorzystano w znacznym zakresie opracowanie wykonane jako wynik prac etapu 3, zadania badawczego pod tytułem Ocena istniejących metod rekomendacji wykorzystania OZE w budownictwie, a zwłaszcza programów komputerowych (autor: EMAG ). Wnioski i analizy wykonane w tym opracowaniu uzupełniono o własne prace i spostrzeżenia co pozwoliło na sformułowanie ogólnych założeń modelu. Poniżej zaprezentowano najważniejsze wnioski z tej analizy: - analizowane krajowe programy badają najczęściej zastosowanie konkretnych typów rozwiązań OZE w budownictwie mieszkaniowym, - dostępne narzędzia dają ograniczone możliwości wstępnej symulacji zastosowania różnych rozwiązań OZE dla zasilania budynku mieszkalnego w warunkach krajowych, w aspekcie wspomagania substytucji rozwiązań nieodnawialnych na OZE, Etap nr: 7 Opracowanie modelu użytkownika energii (budynku lub grupy budynków mieszkalnych), uwzględniającego zróżnicowane parametry techniczne, funkcjonalne i ekonomiczne w aspekcie możliwości substytucji konwencjonalnych źródeł energii na OZE 28

29 - brak dostosowanych do warunków krajowych kompleksowych narzędzi z możliwością wstępnego doboru rozwiązania opartego na OZE z charakterystyką dostępnych w kraju urządzeń i ich parametrami technicznymi oraz ekonomicznymi, - dostępne narzędzia często nie uwzględniają w sposób zintegrowany potrzeb energetycznych budynku mieszkalnego, - brak narzędzi symulujących i upowszechniających wiedzę o ekonomicznych mechanizmach wspierania rozwoju OZE dostępnych w naszym kraju. Na potrzeby dalszych prac przyjęto, że istnieje potrzeba opracowania kompleksowego narzędzia (modelu), które pozwala na analizę możliwości stosowania różnych rozwiązań opartych na zasobach OZE dla zaspokojenia potrzeb energetycznych budynku mieszkalnego. Narzędzie powinno uwzględniać ocenę różnych czynników wpływających na decyzję o wykorzystaniu OZE w budownictwie i winno być dostosowane do różnego poziomu wiedzy potencjalnych decydentów o planowanym przedsięwzięciu. Model ma być użyteczny na wstępnym etapie przygotowania przedsięwzięcia, to jest na etapie podejmowania decyzji o wykorzystaniu rozwiązań zaopatrzenia budynku w energię. Dla prawidłowej pracy narzędzia należy opracować bazy danych: warunków lokalnych wykorzystania OZE, dostępnych rozwiązań zaopatrzenia z wykorzystaniem OZE (parametry techniczne i ekonomiczne) oraz zapewnić możliwość aktualizacji baz danych. W oparciu o przeprowadzone analizy przyjęto, aby dla opracowania modelu wykorzystać teorię podejmowania decyzji oraz z nią związane narzędzia matematyczne. Rola inwestora, zarządcy budynku lub projektanta w procesie wyboru rozwiązań zaopatrzenia w energię jest wiodąca. Tak więc popularyzacja OZE w budownictwie mieszkaniowym winna obejmować analizę procesu decyzyjnego ww. decydentów przy różnych warunkach zewnętrznych i stymulowanie tej decyzji w kierunku wykorzystania OZE. W drugiej kolejności wykonano analizy pozycji i typów użytkowników energii jakimi są budynki mieszkalne w lokalnym systemie energetycznym w warunkach krajowych w celu określenia obszaru, w którym podejmowane są decyzje o zastosowaniu rozwiązań OZE. Przez rozwiązanie zaopatrzenia rozumie się kompletny system zaopatrzenia w energię budynku lub grupy budynków z lokalizowany w budynku lub w jego bezpośrednim sąsiedztwie. Wyniki prac pozwoliły na określenie kategorii obiektów dla analiz w modelu, które prezentuje rysunek poniżej. Etap nr: 7 Opracowanie modelu użytkownika energii (budynku lub grupy budynków mieszkalnych), uwzględniającego zróżnicowane parametry techniczne, funkcjonalne i ekonomiczne w aspekcie możliwości substytucji konwencjonalnych źródeł energii na OZE). 29

30 Rysunek 1. Kategorie obiektów Określono również osłony analiz dla różnych jej typów: energetycznych, ekonomicznych i środowiskowych. Wstępną propozycję tych granic prezentuje tabela poniżej. Rysunek 2. Osłona analiz Dalej przystąpiono do analizy składowych i struktury procesu decyzyjnego wyboru rozwiązania zapatrzenia w energię w celu określenia zasad tworzenia algorytmu modelu. Określono ogólne założenia odnośnie zapotrzebowania na energię podmiotu podejmującego decyzję. Określenie Etap nr: 7 Opracowanie modelu użytkownika energii (budynku lub grupy budynków mieszkalnych), uwzględniającego zróżnicowane parametry techniczne, funkcjonalne i ekonomiczne w aspekcie możliwości substytucji konwencjonalnych źródeł energii na OZE). 30

31 potrzeb energetycznych jw. w modelu będzie oparte o metodę uproszczoną wystarczającą na etapie podejmowania decyzji o kształcie rozwiązania, gwarantującą użyteczność algorytmu. Użyte parametry i wskaźniki będą zróżnicowane w zależności od typów obiektu, warunków lokalnych, parametrów funkcjonalnych i kategorii zapotrzebowania na energię. Wstępnie przyjęto następujące kategorie zapotrzebowania na energię: wg stanu istniejącego, wg WT 2008, dla budynku niskoenergetycznego, dla budynku pasywnego. Jako zbiór możliwych decyzji przyjęto rozwiązania techniczne pokrycia zapotrzebowania na energię użytkową zdefiniowaną jako podstawowy parametr podmiotu podejmującego decyzję. Schemat doboru rozwiązania prezentuje rysunek poniżej. Rysunek 2. Schemat doboru rozwiązania Złożono, że decyzja odbiorcy podejmowana będzie na podstawie porównania rozwiązań referencyjnych nieodnawialnych z rozwiązaniem opartym na źródłach odnawialnych wykreowanym przez użytkownika modelu. Dobór rozwiązań referencyjnych i odnawialnego realizowany będzie jako wynik pracy konkretnego wycinka modelu i bazować będzie na dostępnych bazach danych warunków lokalnych oraz bazach dostępnych urządzeń i instalacji z parametrami technicznymi i ekonomicznymi. Dalej przyjęte zostaną założenia odnośnie parametrów otoczenia zewnętrznego, które stanowią głównie warunki ekonomiczne i techniczne pracy rozwiązania. W ramach warunków zewnętrznych ekonomicznych zasymulowane zostaną mechanizmy wspierania rozwoju OZE takie jak np. finansowanie preferencyjne. Dla ustalenia rankingu rozwiązań preferowanych przez decydenta określone zostaną w algorytmie funkcje korzyści o charakterze energetyczno-ekologicznym, ekonomicznym i socjologicznym. Przewiduje się również opracowanie zagregowanej z kilku typów Etap nr: 7 Opracowanie modelu użytkownika energii (budynku lub grupy budynków mieszkalnych), uwzględniającego zróżnicowane parametry techniczne, funkcjonalne i ekonomiczne w aspekcie możliwości substytucji konwencjonalnych źródeł energii na OZE). 31

32 funkcji charakterystycznych funkcji korzyści oraz przewiduje się wizualizację wyników analiz z wykorzystaniem zaproponowanego modelu z wykorzystaniem np. wskaźników ekoefektywności. Przyjęte podejście do zagadnienia stworzenia algorytmu analiz użytkownika energii w budynku w aspekcie zastosowania OZE zapewni: - użyteczność modelu na istotnym etapie procesu inwestycyjnego to jest na etapie podejmowania decyzji o zastosowanym rozwiązaniu zaopatrzenia budynku mieszkalnego w energię; - przyczyni się do kompleksowości modelu z uwagi na uwzględnienie wszystkich potrzeb energetycznych budynku mieszkalnego oraz różnych rozwiązań pokrycia tych potrzeb; - uniwersalny charakter analiz z wykorzystaniem modelu z uwagi na przyjęcie różnorodnych funkcji korzyści o charakterze energetyczno-ekologicznym, ekonomicznym i socjologicznym; - możliwość określenia efektów działania mechanizmów wspierania rozwoju OZE w warunkach krajowych. Etap nr: 7 Opracowanie modelu użytkownika energii (budynku lub grupy budynków mieszkalnych), uwzględniającego zróżnicowane parametry techniczne, funkcjonalne i ekonomiczne w aspekcie możliwości substytucji konwencjonalnych źródeł energii na OZE). 32

33 Ziębik Andrzej Hoinka Krzysztof Politechnika Śląska Instytut Techniki Cieplnej Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej Celem przeprowadzanych badań w Etapie 8 jest opracowanie oraz aplikacja modelu matematycznego służącego do analizy systemowej gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej. W pierwszej kolejności dokonano przeglądu bazy wiedzy dotyczącej współczesnych urządzeń i systemów energetycznych stosowanych w kompleksach budowlanych użyteczności publicznej. Szczególnej analizie poddano rozwiązania energetyczne wykorzystujące odnawialne źródła energii. Skompletowano bazę wiedzy o ich wskaźnikach energetycznych i ekologicznych. Następnie bazując na teorii przepływów międzygałęziowych opracowano modele matematyczne bilansu bezpośredniego oraz skumulowanego zużycia energii. Bazując na opracowanej metodyce stworzono model matematyczny skumulowanej emisji substancji szkodliwych do otoczenie. W modelach matematycznych uwzględniono możliwość wykorzystania nośników energii ze źródeł odnawialnych. 1. Opracowanie bazy wiedzy na temat urządzeń energetycznych wytwarzania ciepła, elektryczności i chłodu w budynkach użyteczności publicznej oraz możliwości zastosowania w nich odnawialnych źródeł energii. Współczesne budynki użyteczności publicznej charakteryzują się szczególnie złożoną strukturą gospodarki energetycznej. Spowodowane to jest coraz powszechniejszym zastosowaniem różnego rodzaju wariantów instalacji ogrzewania, chłodzenia, wentylacji i klimatyzacji, a w przypadku kogeneracji również zasilania w energię elektryczną. Stwarza to określone możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii w tego typu budynkach. Coraz częściej stosowane są układy realizujące gospodarkę skojarzoną polegającą na równoczesnym wytwarzaniu ciepła i elektryczności. Są to zarówno tradycyjne układy silnikowe tłokowe lub turbinowe, jak również układy skojarzone oparte na ogniwach paliwowych. W ostatnich latach dużą uwagę przywiązuje się do układów kogeneracyjnych wykorzystujących silniki Stirlinga. Układy takie mogą być zasilane biomasą spalaną bezpośrednio bądź uprzednio poddaną zgazowaniu. W tego typu układach z powodzeniem mogą zostać zastosowane również inne paliwa odnawialne np. biogaz czy płynne paliwa pochodzenia roślinnego. Pewne możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii w budynkach użyteczności publicznej stwarza również technologia ORC (Organic Rankine Cycle). Przez zintegrowanie układów skojarzonych cieplno elektrycznych z urządzeniami ziębniczymi możliwe jest równoczesne wytwarzanie ciepła, elektryczności i chłodu w jednym układzie. Są to tzw. układy trigeneration. W ramach przeprowadzonych badań stworzono bazę wiedzy na temat urządzeń energetycznych wytwarzania ciepła, elektryczności i chłodu w budynkach użyteczności publicznej oraz możliwości zastosowania w nich odnawialnych źródeł energii. Etap nr: 8 Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej 33

34 2. Model matematyczny bilansu bezpośredniego zużycia energii w gospodarce energetycznej kompleksu budowlanego Z zebranych na potrzeby bazy wiedzy informacji o nowoczesnych systemach energetycznych w budynkach użyteczności publicznej wynika, że występuje potrzeba opracowania metodyki systemowej analizy gospodarki energetycznej dla tego typu obiektów. Metodyki, która będzie mogła być wykorzystana zarówno do analizy energetyczno ekologicznej eksploatacji budynków jak również do wspomagania projektowania ich optymalnego wariantu struktury gospodarki energetycznej. Model matematyczny bezpośredniego zużycia energii w gospodarce energetycznej budynku użyteczności publicznej został zbudowany w oparciu o teorię przepływów międzygałęziowych, co umożliwia analizę nie tylko bezpośredniego, ale również pośredniego zużycia nośników energii wynikającego z powiązań międzygałęziowych występujących w rozpatrywanym systemie. Opracowany model bilansu bezpośredniego zużycia energii w kompleksie budowlanym dotyczy bilansowania długoterminowego. W tablicy 1 przedstawiono strukturę przepływów międzygałęziowych w kompleksie budowlanym. Tablica 1. Nośnik energii Tablica przepływów międzygałęziowych Produkcja główna Część przychodowa Podsystem energetyczny Produkcja uboczna Podsystem odbiorców Etap nr: 8 Dostawa zewnętrzna Część rozchodowa Przepływy międzygałęziowe Podsystem energetyczny Podsystem odbiorców i G i n U i j j = 1 p U i k k = 1 n G D Gi Z ij j= n n i D Di n D Z ij j= m W zapisie macierzowym układ równań bilansowych bezpośredniego zużycia energii w kompleksie budowlanym użyteczności publicznej oraz nośników energii stanowiących dostawę zewnętrzną (przede wszystkim paliwa) ma postać: gdzie: G + FG + FG + DG = AGG + A DD = A DG + A Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej 34 D G G G p k = 1 p k = 1 G Z ik D Z ik

35 A, - macierze wskaźników jednostkowego bezpośredniego zużycia nośników energii w G AG podsystemie energetycznym i w podsystemie odbiorców, D - wektor dostaw uzupełniających nośników energii wytworzonych w podsystemie G energetycznym, F, F - macierze współczynników ubocznego wytwarzania nośników energii w podsystemie energetycznym i w podsystemie odbiorców, G,G - wektory produkcji głównej nośników energii w gałęziach energetycznych, bądź w gałęziach technologicznych, D - wektor dostaw nośników energii stanowiących dostawy zewnętrzne. D A, - macierze wskaźników jednostkowego bezpośredniego zużycia nośników energii D AD stanowiących dostawy wyłączne odpowiednio w podsystemie energetycznym i w podsystemie odbiorców energii. Analiza bezpośredniego zużycia energii nie obejmuje całkowitej energii jaka jest potrzebna do wytworzenia danego użytecznego nośnika energii (produktu) w kompleksie budowlanym Stosowane bowiem do jego wytworzenia inne nośniki energii (np. paliwa) również wymagają pewnego zużycia energii w pośrednich procesach wytwórczych i transportowych. Zasilanie budynku ze źródeł odnawialnych również wiąże się z pewnym nakładem energetycznym. Tak więc każdy produkt (nośnik energii) jest wytwarzany w wyniku nie tylko bezpośredniego, ale i pośredniego zużycia energii w licznych ogniwach poprzedzających w sieci powiązań energetycznych i technologicznych. Dlatego też kompletna analiza energetyczna powinna być oparta o rachunek skumulowanego zużycia energii. 3. Model matematyczny bilansu skumulowanego zużycia energii Metodologia obliczania wskaźników skumulowanego zużycia energii dla nośników energii w kompleksie budowlanym jest oparta o opisany w punkcie 2 model matematyczny bilansu gospodarki energetycznej. Dane wejściowe do takiej analizy stanowią wyniki obliczeń bilansu bezpośredniego zużycia energii w kompleksie budowlanym oraz wskaźniki skumulowanego zużycia energii dla nośników energii dostarczanych z zewnątrz (wartości średnich wskaźników skumulowanego zużycia energii w krajowym systemie energetycznym). W celu określenia relacji opisujących wskaźniki skumulowanego zużycia energii sporządza się bilanse skumulowanego zużycia na wzór liniowego modelu matematycznego gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego. Nośniki energii zużywane w kompleksie budowlanym mogą być produktami głównymi lub produktami ubocznymi podsystemu energetycznego, bądź mogą być dostarczane z zewnątrz (np. paliwa). Dlatego należy operować pojęciem średnioważonego wskaźnika skumulowanego zużycia energii. Bilans skumulowanego zużycia energii dla j-tej gałęzi energetycznej został przedstawiony na rys. 1. Etap nr: 8 Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej 35

36 Rys. 1. Schemat bilansowy skumulowanego zużycia energii w j-tej gałęzi energetycznej Na schemacie bilansowym skumulowanego zużycia energii poszczególne symbole oznaczają: e - wskaźnik jednostkowego bezpośredniego zużycia i-tego nośnika energii w j-tej gałęzi, G i j G j - produkcja główna j-tej gałęzi, * ei - średnioważony wskaźnik skumulowanego zużycia energii, * egj - wskaźnik skumulowanego zużycia energii w gałęzi j dotyczący produktu głównego, f i j - wskaźnik ubocznego wytwarzania i-tego nośnika w j-tej gałęzi, * e i u - wskaźnik skumulowanego zużycia energii w odniesieniu do produktów ubocznych, D ai j - wskaźnik jednostkowego bezpośredniego zużycia i-tej dostawy wyłącznej w j-tej gałęzi, * e DDi - wskaźnik skumulowanego zużycia energii wyłącznej dostawy zewnętrznej. * Elementy wektora e średnioważonych wskaźników skumulowanego zużycia energii są obliczane według relacji: e * i = G e * i Gi + G i n j= 1 + p ( f G ) + ( f G k ) n j= 1 i j j k= 1 p ( fi jg j ) + ( f G k ) + DGi k= 1 i k i k e * iu + D e * Gi DGi * gdzie e DGi oznacza wskaźnik skumulowanego zużycia energii dotyczący uzupełniającej dostawy zewnętrznej. Tak więc wskaźniki skumulowanego zużycia energii nośników doprowadzanych do gałęzi j są w ogólnym przypadku wartością średnioważoną ze wskaźników skumulowanego zużycia energii produktu głównego, produktu ubocznego i uzupełniającej dostawy zewnętrznej. Wielkościami wejściowymi (zadanymi) w algorytmie analizy skumulowanego zużycia energii są wskaźniki skumulowanego zużycia energii dostaw zewnętrznych (uzupełniających i wyłącznych) do kompleksu budowlanego (głównie paliwa i energia elektryczna). Wskaźniki skumulowanego zużycia energii dla produktów ubocznych są określane zgodnie z zasadą unikniętych nakładów energetycznych bazując na wskaźniku skumulowanego zużycia energii produktu jednocelowego procesu zastąpionego przez wytwarzanie produktu ubocznego. Etap nr: 8 Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej 36

37 4. Wskaźniki skumulowanej emisji szkodliwych substancji Produkcja nośników energii w budynku użyteczności publicznej jest nieodłącznie związana z emisją szkodliwych gazów, cieczy i stałych produktów odpadowych. Bezpośrednie zużycie nośników energii (głównie paliw) prowadzi do bezpośredniej emisji związanej z produkcją danego nośnika energii. Ale nośniki te dostarczone do kompleksu budowlanego są już obciążone szkodliwymi emisjami wynikającymi z wcześniejszych etapów produkcji i procesów transportowych. Jest to, podobnie jak w przypadku analizy skumulowanego zużycia energii, rezultatem istnienia energetyczno technologicznej sieci wzajemnych powiązań. Tak więc obciążenie ekologiczne danego nośnika energii zużywanego w kompleksie budowlanym zależy nie tylko od bezpośredniej emisji, ale także od emisji, która miała miejsce w procesach poprzedzających i w transporcie. Analogicznie więc tak jak w przypadku wskaźników skumulowanego zużycia energii należy posłużyć się wskaźnikami skumulowanej emisji. Na rys. 2 przedstawiono schemat bilansowy skumulowanej emisji k-tej substancji szkodliwej w j-tej gałęzi. Na rys. 2 poszczególne symbole oznaczają: Rys. 2. Schemat bilansowy skumulowanej emisji * pki - skumulowaną emisję k-tego rodzaju dotycząca i-tego nośnika energii, * pkddi - skumulowaną emisję k-tego rodzaju dotycząca i-tej dostawy zewnętrznej wyłącznej, pkgj p - emisję bezpośrednią k-tego rodzaju powstającą w procesach należących do j-tej gałęzi, * k u i- emisję skumulowaną k-tego rodzaju obciążającą i-ty produkt uboczny wyznaczaną w oparciu o efekt zastępowania produktu głównego przez produkt uboczny. Średnioważony skumulowany wskaźnik emisji k-tego rodzaju obciążający i-ty produkt główny jest obliczany z relacji: Etap nr: 8 Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej 37

38 p * ki = G i p * k Gi + G i n j= 1 + f i n j G f j + G p k= 1 + p i k i j j j= 1 k= 1 f f G k i k p G k * k u i + D + D Gi Gi p * kdgi * gdzie p kdgi oznacza wskaźnik skumulowanej emisji k-tego rodzaju dostawy uzupełniającej. Wskaźniki skumulowanych emisji obciążających dostawy zewnętrzne nośników energii są a priori znane i wynikają z analizy dotyczącej sieci wzajemnych powiązań w skali kraju. Wskaźniki emisji dotyczące produktów ubocznych są wyznaczane w oparciu o metodę zastępowania, która bazuje na zasadzie unikniętych emisji. 5. Podsumowanie i informacje o dalszych badaniach Zbiór modeli matematycznych bilansu bezpośredniego zużycia energii, bilansu skumulowanego zużycia energii, bilansu skumulowanej emisji substancji szkodliwych oraz bilansu kosztu termoekologicznego stanowi komplementarnie ujętą metodykę analizy systemowej gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego. Wspólną cechą tych modeli jest podejście oparte na teorii przepływów międzygałęziowych ( input-output analysis ). Przedstawione podejście jest wykorzystywane w dalszej części prac w Etapie nr 8 do sformułowania modelu matematycznego doboru struktury gospodarki energetycznej nowego lub modernizowanego budynku użyteczności publicznej w fazie projektu wstępnego. Etap nr: 8 Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej 38

39 Kierownik części zadania badawczego: Zbigniew Caputa Pozostali autorzy: Zbigniew Małolepszy Magdalena Tkacz Uniwersytet Śląski Wydział Nauk o Ziemi, Instytut Informatyki Opracowanie metodologii wyznaczania technicznych zasobów energetycznych OŹE w aspekcie możliwości zwiększenia ich zastosowania w budownictwie - rozpoczęto r. i planowane zakończenie nastąpi r. W ramach tego etapu poddano analizie i ewaluacji aktualny stan metod wyznaczania technicznych zasobów energetycznych OŹE. Analizą i oceną objęto metody związane z meteorologicznymi OZE tj. promieniowanie słoneczne i wiatr, metody geotermalne oraz bioźródła. Światowa Rada Energetyczna przy ocenie zasobów energetycznych wyróżnia następujące energie odnawialne i ich źródła: słoneczną, wiatru, energię z biomasy, wód, geotermiczną oraz fal i pływów morskich i oceanicznych - nie obejmują opracowania. Poniżej krótko scharakteryzowano wymienione zasoby w formie streszczenia. Możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego w warunkach krajowych są bardzo zróżnicowane. Położenie geograficzne Polski powoduje, iż warunki klimatyczne są bardzo specyficzne ze względu na położenie naszego kraju w miejscu kontaktu dwóch frontów atmosferycznych: atlantyckiego i kontynentalnego. Na jesieni i na wiosnę często występuje duże zachmurzenie i opady deszczu. W zimie temperatury powietrza są niskie i wieją silne wiatry. Roczna gęstość strumienia promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą waha się w granicach kwh/m 2. Różne są metody konwersji promieniowania słonecznego i przez to sprawność wykorzystania energii słonecznej w budownictwie. Istnieją dwie podstawowe metody wykorzystania energii słonecznej: 1. przemiana w energię cieplną i 2. przemiana w energię elektryczną. Istnieje również możliwość wykorzystywania tej energii w sposób pasywny. Polega to na zastosowaniu takiej architektury domu (lub innego budynku), aby wpuścić do pomieszczenia maksymalnej ilości światła bądź ciepła w takiej formie, w jakiej występują. Nie jest opłacalne budowanie wielkich powierzchniowo zespołów ogniw fotowoltaicznych, ze względu na koszty transportu energii i dbałości o takie konstrukcje. Rozwiązaniem tego problemu jest rozmieszczenie paneli na dachach budynków, które mają one zaopatrywać w energie. Dla określenia zasobności Polski w energię wiatru ocenia się na podstawie zasobów energii wiatru w skali regionalnej (mezoskali), oraz oceny zasobów energii wiatru w skali lokalnej uwzględniając warunki topograficzne i szorstkość terenu w tej skali. Etap pierwszy jest podstawowym, wiarygodnym przybliżeniem umożliwiającym szacunek zasobów energii w mezoskali. Prace kameralne etapu 12 obejmują również ekologiczne aspekty wykorzystania OZE. Na aspekty ekologiczne trzeba patrzeć globalnie. Często zarzuca się elektrowniom wiatrowym, że szpecą Etap nr: 12 Opracowanie metodologii wyznaczania technicznych zasobów energetycznych OŹE w aspekcie możliwości zwiększenia ich zastosowania w budownictwie 39

40 krajobraz, wytwarzają podczas pracy hałas i mogą spowodować nowe nieznane dotąd zagrożenia ekologiczne. Ale są to wady nie mające dużego znaczenia, gdyż można budować elektrownie wiatrowe na obszarach o dużym potencjale energetycznym, małym zaludnieniu i z dala od obszarów prawnie chronionych. Elektrownie wiatrowe mogą wpływać na lokalny klimat większe skupiska wiatraków mogą być przyczyną zmniejszenia prędkości wiatru (Roy i inni, 2004). Keith i inni (2004) oceniają, że bardzo duże ilości energii generowane przez elektrownie wiatrowe mogą wpływać na klimat w skali kontynentalnej, ale mają minimalny wpływ na zmiany temperatury. Problem też stanowi fakt, iż wg niektórych badań farmy wiatrowe poważnie zagrażają ptactwu, zaś wzdłuż Odry przebiega szlak ich sezonowych wędrówek południkowych. Oprócz typowego hałasu (w zakresie słyszalnym) generowane są często (ale tylko w starszych konstrukcjach) przez niektóre elementy konstrukcyjne turbiny wiatrowej, zwłaszcza łopaty infradźwięki, czyli fale w zakresie częstotliwości mniejszych, od słyszalnych. W początkowym okresie rozwoju turbin wiatrowych były one rzeczywiście uciążliwe dla sąsiedztwa. Jednak zaostrzenia prawne i szybki rozwój w tej dziedzinie doprowadził do uzyskania konstrukcji prawie nieemitujących infradźwięków. W Polsce dodatkowym elementem utrudniającym zaistnienie tego źródła energii są kłopoty wynikające z polityki energetycznej firm-odbiorców energii, które żądają zapewnienia stałej wielkości dostaw oraz fakt, że na terenie Niziny Szczecińskiej istnieje zespół elektrowni zaspokajających potrzeby tego regionu, a przesył energii ze względu na straty jest nieopłacalny. Rozwojowi energetyki wiatrowej w Polsce wydają się też nie sprzyjać przepisy prawne szacuje się, że same wydatki dot. uzyskania pozwolenia na budowę wiatraków często stanowią nawet 25% kosztów ogólnych uruchamiania elektrowni wiatrowej natomiast możliwość uzyskania kredytów na taką budowę jest w Polsce niewielka. Energię zgromadzoną w biomasie można wykorzystywać dwiema metodami: przez bezpośrednie spalanie biomasy, przez zgazowanie biomasy i spalanie otrzymanego gazu (biogazu). Skład i właściwości fizyczne biogazu oraz jego wartość opałowa zależy od udziału metanu i wynosi od 16,8 do 35,7 MJ/m 3. Górna granica wartości opałowej biogazu wynosi w praktyce ok. 30 MJ/m 3 ze względu na dość znaczny udział G03, kształtujący się przeciętnie w granicach 30-40%. Produktem finalnym w instalacjach przetwarzających energię z biomasy może być: energia elektryczna, para technologiczna, gorąca woda, metan. Wraz z głębokością następuje wzrost temperatury w granicach od 15 C do 80 C na kilometr. Wielkość ta - przyrost temperatury na jednostkę długości, mierzonej pionowo w głąb ziemi - nosi nazwę stopnia (gradientu) geotermicznego i określa przydatność danej formacji geologicznej do lokalizacji obiektu wykorzystującego energię geotermiczną. Obszary o szczególnych walorach geotermicznych są na ogół zlokalizowane w pobliżu granic płyt litosfery Ziemi i w rejonach aktywnych sejsmicznie. Ciepło wnętrza Ziemi (energia geotermiczna) może być zmagazynowane w: masie stopionych skał wyniesionych w głąb zewnętrznej powłoki ziemskiej (magmie), skałach znajdujących się w stanie stałym (dry hot rocks) oraz w wodzie przenikającej z powierzchni i stykającej się z gorącymi skałami. Scharakteryzowano i oceniono metody GIS i teledetekcyjne obliczania zasobów OZE. Wykorzystano Atlas zasobów geotermalnych dla Polski, cyfrową analizę przestrzennego rozkładu pola geotermicznego oraz zastosowanie numerycznego modelowania pola geotermicznego w obszarach zlikwidowanych kopalń. Aktualnie trwają prace nad oceną metod obliczania zasobów OZE i próbą ich klasyfikacji. Etap nr: 12 Opracowanie metodologii wyznaczania technicznych zasobów energetycznych OŹE w aspekcie możliwości zwiększenia ich zastosowania w budownictwie 40

41 Kierownik części zadania badawczego: Dr Joanna Martyka. Pozostali autorzy: Mgr Marzena Majer Mgr Katarzyna Nowak mgr inż. Marek Bieniecki mgr Piotr Hetmańczyk mgr Anna Babiarz Główny Instytut Górnictwa Opracowanie metodologii oceny wpływu pozotechnicznych kryteriów podejmowania decyzji o wyborze źródeł energio w Budownictwie Raport nr 1 za okres od do Streszczenie! Aspekty społeczne w procesie opracowywania metodologii określenia wpływu istniejących mechanizmów prawnych i finansowych na wybory źródeł energii użytkowanych w eksploatacji budynków. Ogólnym celem projektu jest opracowanie rekomendacji służących zwiększeniu udziału odnawialnych źródeł energii (OZE) w bilansie energetycznym budynków. Konstrukcja odpowiednich mechanizmów stymulujących szersze wykorzystanie odnawialnych źródeł energii (OZE) wymaga rozpoznania zarówno poziomu wiedzy i postaw potencjalnych odbiorów, jak też rzeczywistych potrzeb. Stąd też, w ramach zadań realizowanych w projekcie uwzględniono prace skupiające się na aspektach społecznych związanych z wykorzystaniem energii z odnawialnych źródeł energii (OZE) w budownictwie. Nastawienie Polaków wobec wykorzystania OZE jest generalnie pozytywne, ale z uwagi na ciągły rozwój technologii oraz fakt, że szersze ich stosowanie w Polsce zwłaszcza w budownictwie ma stosunkowo krótką historię niewystarczająca wydaje się być wiedza na temat uwarunkowań ich skutecznego wprowadzania. Podejmowane badania społeczne koncentrować się będą zarówno na rozpoznaniu i weryfikacji wiedzy społeczeństwa dotyczącej możliwości stosowania różnorodnych rozwiązań technologicznych związanych z wykorzystaniem energii odnawialnej w budownictwie, jak też pozyskaniu opinii na temat możliwości tworzenia i modyfikacji instrumentów wspierających tego typu inicjatywy. Przyjęty zatem cel badań społecznych to określenie poziomu wiedzy, nastawienia oraz potencjalnych zachowań obywateli wobec stosowania odnawialnych źródeł energii (OZE) w budownictwie, a także kierunku oddziaływania istniejących instrumentów prawnych, finansowych oraz czynników społecznych na podejmowanie decyzji w tym obszarze. Rezultaty badań dadzą możliwość pogłębienia i uszczegółowienia informacji dotyczących szans stosowania poszczególnych rozwiązań technologicznych związanych z wykorzystaniem OZE w budownictwie oraz lepszego projektowania mechanizmów wsparcia. Opracowane narzędzia stanowić mogą podstawę dla Etap nr: 13 Opracowanie metodologii oceny wpływu pozotechnicznych kryteriów podejmowania decyzji o wyborze źródeł energio w Budownictwie 41

42 systematycznego monitoringu postaw społecznych i skuteczności mechanizmów wsparcia wykorzystania OZE w budownictwie. Wyszczególniono następujące działania pozwalające na prawidłową realizację badań i osiągnięcie przyjętego celu: 1. Prace przygotowawcze - wyznaczenie zakresu przedmiotowego badań (zakres prowadzonych analiz). 2. Wyznaczenie zakresu podmiotowego i przestrzennego badań (wyznaczenie grup docelowych (właściciele budynków mieszkalnych, biurowych oraz użyteczności publicznej) oraz zakresu terytorialnego). 3. Wybór metod i technik badawczych (badania jakościowe i ilościowe, opracowanie narzędzi badawczych, pilotaż, dobór próby). 4. Realizacja badań (wybór profesjonalnej firmy ankieterskiej, szkolenie ankieterów, realizacji i monitoring przebiegu badań, zestawienie wyników). 5. Opracowanie raportu z badań społecznych wraz z rekomendacjami (analiza wyników badań, opracowanie rekomendacji). Obecnie realizowane jest pierwsze działanie, a więc prace przygotowawcze, które obejmują przede wszystkim wyznaczenie zakresu przedmiotowego badań. Czasowo realizacja działania pierwszego obejmuje dwa miesiące poświęcone głównie przeglądowi wiedzy w trzech wyznaczonych obszarach tematycznych: a) wyniki sondaży i badań społecznych poświęconych odnawialnym źródłom energii (OZE), b) technologie wykorzystania energii z OZE w budownictwie, c) instrumenty prawne i ekonomiczne w obszarze wdrażania technologii wykorzystania energii z OZE w budownictwie. W pierwszym obszarze tematycznym analizie poddano dostępne wyniki sondaży prowadzonych zarówno wśród obywateli krajów Unii Europejskiej, jak też na poziomie kraju. Przeanalizowano wyniki badań związane z następującymi obszarami tematycznymi: ochrona środowiska i zmiany klimatyczne, energia i technologie energetyczne, odnawialne źródła energii (OZE). Generalnie sondaże ankietowe tego typu prowadzone są przez ośrodki badania opinii publicznej m.in.: Eurobarometer, CBOS, OBOP, Pentor itp., a także podmioty/organizacje działające na rzecz wykorzystania OZE. W drugim obszarze tematycznym dokonano zestawienia technologii wykorzystania energii z OZE w budownictwie, które są w obszarze zainteresowań prac realizowanych w projekcie. W trzecim obszarze tematycznym dokonano przeglądu podstawowych regulacji prawnych związanych z zastosowaniem technologii wykorzystania energii z OZE w budownictwie i zawierających rozwiązania stymulujące, a także podmiotów pośredniczących oraz wspierających zastosowanie tego typu rozwiązań. Analizowane regulacje prawne dotyczyły przede wszystkim sfery ochrony środowiska naturalnego i budownictwa. Wyniki prac przygotowawczych i przeprowadzonych analiz zebrane zostały w raporcie, stanowiącym podstawę dla wyznaczenia zakresu tematycznego badań jakościowych i ilościowych oraz konstrukcji narzędzi badawczych. Uzupełnione będą w toku realizacji kolejnych działań między innymi o wyniki prac panelu (grupy interdyscyplinarnej). Ustalenie składu panelu ekspertów zaangażowanych w dalsze prace przewidziano w działaniu pierwszym, a jego utworzenie wiąże się z tematyką projektu oraz zróżnicowaniem podejmowanych prac projektowych i służy zapewnieniu spójności badań społecznych z zakresem pozostałych zadań realizowanych w projekcie. 42 Etap nr: 13 Opracowanie metodologii oceny wpływu pozotechnicznych kryteriów podejmowania decyzji o wyborze źródeł energio w Budownictwie

43 Wyniki prac przygotowawczych i przeprowadzonych analiz pozwalają na wskazanie trzech głównych bloków tematycznych, które wyznaczają zakres tematyczny badań i sposób konstruowania narzędzi badawczych. Są to: a) ogólne uwarunkowania wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE) (stosunek do ochrony środowiska naturalnego i wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE)), b) poziom wiedzy i postawy wobec możliwości zastosowania określonych rozwiązań technologicznych wykorzystania energii z OZE w budownictwie, c) poziom wiedzy i ocena funkcjonujących rozwiązań stymulujących wykorzystanie energii z OZE w budownictwie, a także preferowane rozwiązania w tym obszarze. Etap nr: 13 Opracowanie metodologii oceny wpływu pozotechnicznych kryteriów podejmowania decyzji o wyborze źródeł energio w Budownictwie 43

44 Kierownik części zadania badawczego: Zbigniew Caputa Pozostali autorzy: Zbigniew Małolepszy Magdalena Tkacz Uniwersytet Śląski Wydział Nauk o Ziemi, Instytut Informatyki Opracowanie bazy danych dotyczącej wykorzystania OŹE w zakresie zasobów energii, kosztów, efektów ekologicznych i okresu eksploatacji - rozpoczęto r. i planowane zakończenie nastąpi r. W ramach tego etapu stworzono koncepcję systemu/programu OZE oraz poddano ja pod dyskusję. System ma umożliwić: gromadzenie danych w zakresie zastosowania OŹE w budownictwie na terenie Polski (zasobów energii, kosztów, efektów ekologicznych oraz okresu eksploatacji) przetwarzanie zgromadzonych danych za pomocą specjalnie dobranych (lub opracowanych) technik algorytmicznych, statystycznych oraz eksploracyjnych udostępnianie danych oraz wyników szerokiemu gronu odbiorców Proponowane rozwiązanie oparte jest na serwerze internetowym (komputerze podłączonym do sieci Internet, realizującym określone usługi i obliczenia). Potencjalny użytkownik będzie mógł wykorzystywać zasoby Systemu za pomocą przeglądarki internetowej poprzez stronę (aplikację) WWW. Strona WWW jako graficzny interfejs użytkownika będzie m. in. zapewniać możliwość: przekazywania danych do analizy; wyboru różnych metod ich przetwarzania (na różnych poziomach złożoności i zaawansowania); udostępniania, publikowania i prezentowania wyników analiz. Testuje się przykładowy program wraz z bazą danych wykorzystujących geotermalne zasoby OZE. Program wykorzystuje sieci neuronowe oraz radzi sobie z niekompletnymi danymi. Etap nr: 14 Opracowanie bazy danych dotyczącej wykorzystania OŹE w zakresie zasobów energii, kosztów, efektów ekologicznych i okresu eksploatacji 44

45 Zebrano parametry i dane do tworzonej Bazy Danych OZE. Opracowano strukturę i przykładowe relacje i algorytmy: Etap nr: 14 Opracowanie bazy danych dotyczącej wykorzystania OŹE w zakresie zasobów energii, kosztów, efektów ekologicznych i okresu eksploatacji 45

46 Kierownik części zadania badawczego: Mgr inż. Marek Bieniecki Pozostali autorzy: Mgr inż. Dariusz Nowak Mgr inż. Mariusz Ćwięczek mgr Krystyna Olejniczak mgr inż. Joanna Krzemień Główny Instytut Górnictwa Opracowanie algorytmów programów komputerowych wykorzystania poszczególnych rodzajów OZE w budownictwie Raport nr 1 za okres od do Streszczenie Narzędzia analityczne wspierające tworzenie algorytmów. W okresie realizacji etapu przeprowadzono szeroką kwerendę uwarunkowań prawnych stosowania OZE w budownictwie. Podstawowymi aktami prawnymi traktującymi o zastosowaniach OZE w budownictwie są ustawy Prawo energetyczne oraz prawo budowlane. Przed przystąpieniem do opracowywania algorytmów do budowy programów komputerowych przeprowadzono również analizę tworzenia takich algorytmów. Poniżej w skróconej formie przedstawiono wyniki tej analizy. Procesy wyboru poszczególnych rodzajów OŹE w budownictwie swoim zagadnieniem i złożonością podobne są do procesów podejmowania decyzji w biznesie. W dalszej części opracowania korzystać będziemy właśnie z uznanych metod rozwiązywania problemów takiej klasy. Procesy biznesowe można opisywać przy użyciu diagramów, np. diagramów BPMN lub tekstowo. Istnieją dwa najważniejsze podejścia do opisywania procesów biznesowych: diagramowe i tekstowe. Prawdopodobnie najbardziej popularny w obszarze opisywania modeli biznesowych jest język UML [13]. W roku 2004 zaproponowano kolejną notację, diagramy BPMN [3], które mają wielki potencjał i stają się standardem przemysłowym. Rozważając notacje tekstowe pod kątem opisywania procesów biznesowych, najważniejsze wydają się być przypadki użycia. Koncepcję przypadków użycia stworzył Ivar Jacobson [8], który wykorzystywał je do opisu systemów z punktu widzenia ich użytkowników. Najpowszechniejsza forma przypadków użycia to sekwencje kroków wykonywanych przez aktorów wyrażone w języku naturalnym. Przypadki użycia zostały włączone do języka UML (jako diagramy przypadków użycia) [6] oraz do Rational Unified Process [9]. Dzięki temu stały się bardzo popularne. Technika ta została dopracowana przez Cockburna [4] oraz Adolpha, Bramblea i innych [1]. Cockburn, Adolph i Bramble zaproponowali wiele przydatnych wskazówek na temat pisania zrozumiałych przypadków użycia. Opis procesów biznesowych ma szczególne znaczenie w przypadku tworzenia systemów informatycznych do skomplikowanych dziedzin biznesowych. W takiej sytuacji bardzo pożądane jest przygotowanie dokumentu Koncepcja Etap nr: 17 Opracowanie algorytmów programów komputerowych wykorzystania poszczególnych rodzajów OZE w budownictwie 46

47 Działania (ang. Concept of Operations), który opisuje zastaną sytuację, wytłumaczenie potrzeby zmian oraz proponowany system [7]. Zastana sytuacja może być opisana przy użyciu notacji tekstowej lub diagramowej. W celu sprawdzenia jakości, opis ten powinien być zaprezentowany nie tylko informatykom, lecz również reprezentantom klienta i przyszłym użytkownikom systemu. Tak więc ważne jest, aby notacja była zrozumiała przez szersze grono odbiorców. Z obserwacji praktycznej wynika, iż prościej jest wyszukiwać błędów w przypadkach użycia niż w diagramach BPMN. Jeszcze prościej jest znaleźć defekty w przypadkach użycia uzupełnionych diagramami BPMN. Zaobserwować można również pewne wzorce opisowe dla przypadków użycia, które mogą być użyteczne z punktu widzenia opisów procesów biznesowych. Przypadki użycia prezentowane w literaturze są dedykowane do opisów interakcji między komputerem i człowiekiem. Na tym poziomie abstrakcji uwaga jest skupiana na stosunkowo krótkich sesji trwających minuty lub godziny. Na poziomie procesów biznesowych przedziały czasowe mogą trwać nawet tygodnie lub lata. W rezultacie można więc zaobserwować nowe zjawiska tj. przekształcenie jednego aktora w drugiego (metamorfoza aktora). W trakcie pracy nad procesami biznesowymi bardzo ważną sprawą jest zrozumienie celu każdego procesu i jego kroków. Dalej zaproponujemy użycia prologu, w celu wyrażenia kroków, które są logicznie połączone z danym przypadkiem użycia. Przypadki użycia Przypadki użycia mogą przyjmować różną formę. Z jednej strony mamy najprostszą formę - pojedyncze zdania opisujące tylko cel przypadku użycia, z drugiej natomiast w pełni ustrukturalizowany opisujący nie tylko zachowanie, lecz również zakres, warunki wstępne, wyzwalacze, priorytety, czas odpowiedzi, itp. (zobacz [1]). W kontekście procesów biznesowych następujące informacje wydają się być najważniejsze: Nazwa przypadku użycia, określająca cel biznesowy. Aktorzy biorący udział w przypadku użycia (aktorem może być człowiek, urządzenie lub inny system). Główny scenariusz opisujący krok po kroku najczęstsze zachowanie. Rozszerzenia dodające do kroków pewne zdarzenia, wraz z krokami alternatywnymi odpowiadającymi tym zdarzeniom. Ta forma przypadków użycia wydaje się być najpowszechniejsza (por.[8,6,1,16]). Przykład przypadku użycia jest zaprezentowany na rys. 1. Nazwa tego przypadku użycia brzmi: Prowadzenie projektu wg metodyki PRINCE2. Rys. 1. Przypadek użycia opisujący zarządzanie projektem wg PRINCE2. Etap nr: 17 Opracowanie algorytmów programów komputerowych wykorzystania poszczególnych rodzajów OZE w budownictwie 47

48 Posiada on takich aktorów jak: Klient i Dostawca. Główny scenariusz składa się z 6 kroków i towarzyszy mu jedno rozszerzenie. Przypadek użycia składa się ze zbioru scenariuszy posiadających wspólny cel biznesowy. Każde rozszerzenie opisuje inny scenariusz. Przypadki użycia w formie przedstawionej na rys. 1 są półformalne. Mają postać sekwencji kroków, dzięki czemu można je automatycznie animować ([11,20]), lecz są wyrażone językiem naturalnym, przez co stają się bardziej zrozumiałe dla ludzi nie będących ekspertami w informatyce. Przypadki użycia są czasem mylone z diagramami przypadków użycia w języku UML (diagram pokazuje jedynie aktorów i nazwy przypadków użycia, lecz pomija główny scenariusz i rozszerzenia) Diagramy BPMN BPMN to notacja diagramowa przeznaczona do modelowania biznesowego. Po raz pierwszy została opublikowana w roku 2004 [3]. Stephen White napisał, krótkie wprowadzenie do tego języka [19]. Notacja ta jest rozszerzeniem klasycznych diagramów przepływu (przypominających diagramy czynności). Podobnie do diagramów sekwencji języka UML można pokazać interakcję pomiędzy aktorami używając torów (jeżeli ktoś chce pokazać przepływ sterowania pomiędzy aktorami) oraz basenów (jeżeli komunikacja pomiędzy aktorami odbywa się na poziomie komunikatów). Rys. 2 zawiera diagram BPMN odpowiadający przypadkowi użycia z rys. 1. Znajdują się tam trzy tory, odpowiadające Klientowi wraz z Dostawcą (ang. Customer and Supplier), Wykonawcy wraz z Menadżerem Projektu (ang. Executive and Project Manager) oraz Zespołowi Zarządzania Projektem (ang. Project Management Team). Podproces odpowiadający krokowi 5 (Kontrolowanie wykonywania etapu ang. Controlling execution of a stage) może być powtarzany, co jest zaznaczone za pomocą strzałki. Symbol + oznacza, iż dane zadanie jest podprocesem i może zostać rozwinięty (składa się z podprocesów i zadań). Zadanie nie może być rozwinięte jest to największy stopień szczegółowości. Rys. 2. Diagram BPMN przedstawiający przypadek użycia z rys. 1. Aktorzy Powszechnie wiadomo, w jaki sposób stosować przypadki użycia do opisu interakcji pomiędzy człowiekiem a systemem (HCI, ang. Human-Computer Interaction) na poziomie funkcjonalnym (zobacz np. [4,1]). Jednakże jest znaczna różnica pomiędzy HCI, a modelami biznesowymi. Procesy HCI trwają kilka minut (w niektórych sytuacjach kilka godzin), natomiast procesy biznesowe mogą trwać tygodnie, miesiące lub nawet lata (Cockburn nazywa poziom procesów biznesowych Etap nr: 17 Opracowanie algorytmów programów komputerowych wykorzystania poszczególnych rodzajów OZE w budownictwie 48

49 poziomem podsumowania [4]). W trakcie tworzenia przypadków użycia do opisu procesów biznesowych, zaobserwować można różnego rodzaju zjawiska dotyczące aktorów. Zjawiska te są powszechne przy tworzeniu procesów biznesowych, tak więc sposób poradzenia sobie z nimi może być interesujący dla każdego analityka. Aktorzy główni i wspierający Przypadki użycia poziomu HCI zawierają aktorów dwojakiego rodzaju: głównych i pobocznych. Główny aktora, to aktor który pragnie coś uzyskać od systemu w danym momencie [1]. Aktor poboczny to najczęściej urządzenie lub system zewnętrzny (np. usługi WebServices). Podobne rozróżnienie można zrobić dla biznesowych przypadków użycia. Użyteczne okazuje się rozróżnienie na aktorów głównych i wspierających. Załóżmy, iż pewna osoba myśli o zbudowaniu systemu informatycznego dla gabinetu dentystycznego. Analityk biznesowy zidentyfikował trzy role: dentysta, pacjent i sekretarka. Prawdziwa interakcja na poziomie biznesowym zachodzi pomiędzy dentystą, a pacjentem sekretarka ma rolę wspierającą. Tak więc dentysta i pacjent byliby aktorami głównymi, natomiast sekretarka wspierającym. Rozróżnienie pomiędzy aktorami głównymi, a wspierającymi pozwala łatwiej zrozumieć i zamodelować procesy, zanim system komputerowy zostanie wyspecyfikowany i zaimplementowany. Główni aktorzy są niezastąpieni i nie mogą być usunięci po wprowadzeniu systemu informatycznego, natomiast rola aktorów wspierających nie jest wymagana i może być łatwo zmieniona lub nawet wymieniona na nową technologię. Aktorzy zbiorowi Na poziomie HCI występuje tylko jedna osoba w danym momencie. W momencie specyfikowania modeli biznesowych, pojawiają się wiele sytuacji w których krok jest wykonywany przez grupę osób. Przykładowo na uniwersytecie wiele decyzji jest podejmowanych przez Radę Wydziału. Aktorzy tworzeni dynamicznie Na poziomie HCI aktorzy są statyczni. Aktor istnieje zanim dany przypadek użycia jest wywołany i zostaje w systemie do końca wykonywania tego przypadku użycia. Poziom biznesowy opisuje procesy, które trwają dużo dłużej, zdarzają się więc przypadki użycia, w trakcie których powstaje nowy aktor. PRINCE2 to bardzo popularna metodyka zarządzania projektami [10]. Należy pamiętać iż modelowanie jest ściśle związane z uogólnianiem. Sztuką jest pomijanie nieistotnych detali. W tym przypadku należy się skupić na sekwencji procesów SU + IP + (SB & CS) + CP. Wtedy odpowiadający przypadek użycia może wyglądać następująco Rys1. Najważniejsza wada przypadku użycia to fakt, iż nie specyfikuje, kto powinien wykonać dany krok. Można dopisać Ktoś na początku każdego kroku, lecz byłaby to tylko sztuczka syntaktyczna. Inna możliwość to dopisanie Zespołu Zarządzania Projektem (PMT ang. Project Management Team). Lecz PMT jest tworzony podczas fazy Rozpoczęcia projektu (SU). Nie może wykonywać tego kroku, skoro jeszcze nie istnieje. Aby znaleźć rozwiązanie należy przyjrzeć się fazie SU. Rys-3 Etap nr: 17 Opracowanie algorytmów programów komputerowych wykorzystania poszczególnych rodzajów OZE w budownictwie 49

50 Rys 3. Rozpoczęcie projektu (SU) w PRINCE2. Skrót PM oznacza menadżera projektu (ang. Project Manager). Jednakże, zwiększenie poziomu szczegółowości i opisywanie każdego z podprocesów jako krok (SU1,..., SU6, IP1,..., IP6 itd.) skutkowałoby bardzo długimi scenariuszami głównymi (zgodnie ze wzorcami przypadków użycia [1] główny scenariusz powinien zawierać od 3 do 9 kroków). Aby rozwiązać ten problem można wyłączyć podprocesy SU1, SU2 i SU3 z procesu SU oraz umieścić je na wyższym poziomie w przypadku użycia UC-1 (podprocesy SU2 i SU3 zostały połączone w jeden krok), tak jak pokazano to na rys. 4. Rys. 4 Poprawiona wersja przypadku użycia z rys. 3. Metamorfoza aktorów Załóżmy, iż budujemy system zarządzania informacją dla uczelni. Jednym z głównych aktorów będzie osoba chcąca uzyskać dyplom na uczelni. Na początku osoba ta jest tylko kandydatem, następnie jest ona przyjęta aż w końcu staje się studentem (po otrzymaniu indeksu i legitymacji studenckiej). Po zdaniu wszystkich egzaminów i obronieniu pracy dyplomowej staje się absolwentem. Na uczelni istnieją również wolni słuchacze. Taki słuchacz może stać się normalnym studentem od drugiego roku. Jeżeli student nie wywiąże się ze swoich zobowiązań może zostać skreślony z listy studentów. Taka metamorfoza może być przedstawiona za pomocą automatu skończonego z rys. 5, natomiast rys. 6 przedstawia odpowiadający przypadek użycia. Etap nr: 17 Opracowanie algorytmów programów komputerowych wykorzystania poszczególnych rodzajów OZE w budownictwie 50

51 Rys. 5 Automat skończony pokazujący możliwe przekształcenia aktora. Rys. 6 Przypadek użycia z metamorfozą aktorów. Scenariusze z prologiem W modelowaniu biznesowym procesy są główną częścią opisu (pozostałe elementy to aktorzy i obiekty informacyjne). Zrozumienie opisu biznesowego wymaga nie tylko zrozumienia w jaki sposób procesy są wykonywane, lecz również dlaczego. Adolph [1] pisze: system jest niewłaściwy jeżeli nie dostarcza usług, które są wartościowe dla użytkowników. Parafrazując to zdanie można powiedzieć, że procesy biznesowe są niewłaściwe, jeżeli nie dostarczają usług wartościowych dla głównych aktorów. Dobry sposób zapisu procesów biznesowych powinien więc wspierać zrozumienie celu każdego procesu. Z tego punktu widzenia klasyczne przypadki użycia mają pewne słabości. Proponujemy rozszerzenie formy przypadku użycia poprzez dodanie prologu do każdego scenariusza. Prolog określa sekwencję czynności, jakie muszą być wykonane przed głównym scenariuszem (można Etap nr: 17 Opracowanie algorytmów programów komputerowych wykorzystania poszczególnych rodzajów OZE w budownictwie 51

52 również pomyśleć o symetrycznym rozszerzeniu epilogu lecz do tej pory nie znaleźliśmy przykładu pokazującego użyteczność takiego rozszerzenia). Rysunek 7 pokazuje jak zdać semestr wraz z wszystkimi czynnościami, jakie muszą być wykonane wcześniej w formie prologu. Rys. 7 Przypadek użycia z prologiem. Wnioski W opracowaniu pokazano niektóre problemy dotyczące opisu procesów biznesowych z wykorzystaniem przypadków użycia. Praktyka pokazuje, że przypadki użycia są prostsze do zrozumienia niż diagramy BPMN. Przyjęcie przypadków użycia za podstawę opisywania procesów biznesowych wydaje się więc uzasadnione (diagramy BPMN lub UML mogą stanowić cenny dodatek). Szereg zjawisk dotyczących aktorów również musi być brany pod uwagę podczas procesu analizy. Wynika to bezpośrednio z tego, że czas trwania procesów biznesowych jest wielokrotnie większy od czasu trwania sesji interakcji osoba-komputer, można zaobserwować aktorów tworzonych dynamicznie i metamorfozę aktorów. Inną praktyką opisywania procesów jest rozszerzenie głównego scenariusza przypadku użycia poprzez prolog, określający kroki, jakie muszą być wykonane zanim główny scenariusz zostanie wykonany. Literatura: 1. Adolph S., Bramble P., Cockburn A., Pols A.: Patterns for Effective Use Cases. Addison-Wesley (2002) 2. Burns, A., Wellings, A. J.: HRT-HOOD: a structured design method for hard realtime systems, Real-Time Systems, Volume 6, Issue 1, p , January 1994 Etap nr: 17 Opracowanie algorytmów programów komputerowych wykorzystania poszczególnych rodzajów OZE w budownictwie 52

53 3. Business Process Modeling Notation Version 1.0, May 2004 ( 4. Cockburn A.: Writing Effective Use Cases. Addison-Wesley (2000) 5. Douglas C.: Introduction to Statistical Quality Control, Third Edition. Wiley & Sons (1997) 6. Fowler M., Scott K.: UML Distilled. Addison-Wesley (2000) 7. IEEE Guide for Information Technology System Definition Concept of Operations (ConOps) Document, IEEE Std , March Jacobson I., Christerson M., Jonsson P., Overgaard G.: Object-Oriented Software Engineering: A Use Case Driven Approach. Addison-Wesley, Reading MA (1992) 9. Kruchten, P.: The Rational Unified Process: An Introduction (2nd Edition). Addison-Wesley (2000) 10. Managing Successful Projects with PRINCE2. The Stationery Office Books (2002) 11. Nawrocki J., Olek Ł.: A Tool for Use-Case Engineering. Extreme Programming and Agile Methodologies 2005, Lecture Notes in Computer Science 3556, OMG Unified Modeling Language Specification Version 1.5, March 2003 ( 13. Penker M., Eriksson H. E.: Business Modeling With UML: Business Patterns at Work. Addison- Wesley (2000) 14. Reisig W.: Petri Nets, An Introduction. EATCS, Monographs on Theoretical Computer Science, W.Brauer, G. Rozenberg, A. Salomaa (Eds.), Springer Verlag, Berlin (1985) 15. Ribu K.: Estimating Object-Oriented Software Projects With Use Cases. Master of Science Thesis. University of Oslo (2001) 16. Schneider G., Winters J. P.: Applying Use Cases: A Practical Guide. Addison-Wesley (1998) 17. Shapiro-Wilk test: Harel D.: Statecharts: A visual formalism for complex systems. Weizmann Institute of Science, Dept. of Computer Science (1986) 19. White S.: BPMN and Business Process Management: Nawrocki J. Olek L.: Use Cases Engineering with UC Workbench. in Zielinski K., Szmuc T. (eds): Software Engineering: Evolution and Emerging Technologies, IOS Press 2005, Etap nr: 17 Opracowanie algorytmów programów komputerowych wykorzystania poszczególnych rodzajów OZE w budownictwie 53

54 Skład Rady Koordynacyjnej: 1. Prof. dr hab. Andrzej Czylok Zakład Biogeografii i Dydaktyki Geografii na Wydziale Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego 2. Prof. dr hab. inż. arch. Krzysztof Gasidło Dziekan Wydziału Architektury Politechniki Śląskiej 3. Prof. dr hab. Andrzej Kowalczyk Prorektor ds Nauki i Współpracy z Gospodarką Uniwersytetu Śląskiego Kierownik Zakładu Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej na Wydziale Nauk o Ziemi 4. Prof. dr hab. Maria Królikowska- Olszak Kierownik Katedry Europejskiego Prawa Gospodarczego na Wydziale Prawa i Administracji Uniwersytetu Łódzkiego 5. Prof. zw. dr hab. Tadeusz Niedzwiedź Kierownik Katedry Klimatologii na Wydziale Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego 6. Prof. dr hab. inż. Zbigniew Popiołek Kierownik Katedry Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania na Wydziale Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej 7. Prof. dr hab. inż. Krzysztof Stańczyk Główny Instytut Górnictwa 54