Gabrela RUTKOWSKA 1, Marcn PRZYBYTKOWSKI 1 Katedra Budownctwa Geodezj SGGW w Warszawe Department of Cvl Engneerng and Geodesy WULS SGGW Analza opłacalnośc oceplana wybranych budynków jednorodznnych. Część I Analysn of thermal nsulaton proftablty of relected ndvdual houses (sngle famly houses). Part I Słowa kluczowe: granca, oceplane, opłacalność, budynek Key words: break-even pont, thermal nsulaton, proftablty, buldng Wprowadzene Energa to podstawowy element budulec śwata, jest wszechobecna. W dobe prób dywersyfkacj źródeł jej pozyskwana dla ludzkośc rosnących kosztów nośnków energ uczymy sę ją coraz bardzej szanować w życu codzennym. Powstały trend, wytyczający poszanowane dla energ, jest nader wdoczny w budownctwe. Polska w porównanu do nnych krajów europejskch nadal zbyt duże lośc energ przeznacza na ogrzewane budynków meszkalnych, których wększość powstało bez trosk o zarówno ekologczny, jak ekonomczny aspekt zużyca cepła. Dopero otwarce rynku na materały zolacyjne ch wększa dostępność, pojawające sę w budownctwe nowe technologe zwązane z bezpeczeństwem ceplnym budowl, a także zaostrzene wymagań normowych wzrost cen energ sprawły, że popularnym zjawskem w naszym kraju stała sę termomodernzacja stnejących budynków. Coraz węcej nwestorów decyduje sę na ceplną odnowę budynków, ne tylko ze względu na średnookresowe oszczędnośc z tym zwązane, ale także ze względu na podwyższene komfortu użytkowana budynku zwększene wartośc neruchomośc. Podstawowym zadanem projektanta poprzedzającym nwestycję termomodernzacyjną jest wybór warantu oceplana oraz ocenene jego efektywnośc fnansowej, co często zwązane jest z oblczenem grancy opłacalnośc oceplana budynku. Termomodernzację (zwaną dawnej termorenowacją) określa sę jako: dostosowane budynku do nowych wymagań ochrony ceplnej oszczędnośc energ, Przegląd Naukowy Inżynera Kształtowane Środowska XVII, 4 (42), 2008
przy czym termomodernzacja dotyczy tylko właścwośc przegród zewnętrznych nstalacj, zwłaszcza centralnego ogrzewana (Budownctwo... 2005). Wymagana ochrony ceplnej budynków Postęp myślowy technologczny na przestrzen ostatnch 50 lat spowodował znaczne zmany w budownctwe, rzutujące na dosyć duże różnce, jeśl chodz o konstrukcje badanych w nnejszej pracy budynków, w szczególnośc ch przegród zewnętrznych. By lepej zrozumeć skalę zachodzących zman ch źródło, należy przypomneć hstorę zman wymagań, jake stawano budownctwu w okrese lat 1950 2000. Budynkom wybudowanym zaraz po II wojne śwatowej w latach pęćdzesątych ne były stawane żadne wymagana dotyczące ochrony ceplnej, a wyznacznkam, według których projektowano przegrody zewnętrzne, były koszty ekonomczne standardy budownctwa z tamtego okresu. Perwsze wymagana ochrony ceplnej budynków wprowadzono w Polsce po raz perwszy w obowązującej od 1968 roku norme PN-64/B-03404. Wymagana w nej stawane dotyczyły jedyne przegród pełnych były oparte na dośwadczenach z budownctwa tradycyjnego. Ustalony współczynnk przenkana cepła dla ścan zewnętrznych według tej normy kształtował sę na pozome 1,16 W (m 2 K) 1 (PN-64/13-03404). Na kształt kolejnej normy duży wpływ mał zapoczątkowany w końcówce lat sedemdzesątych w krajach Europy zachodnej północnej trend, dążący do zmnejszana zużyca energ potrzebnej na ogrzane budynku. Wdrożene tej normy zbegło sę w czase z dużym defcytem materałów zolacj ceplnej kryzysem energetycznym spowodowanym nedostateczną loścą wydobywanego węgla kamennego, będącego głównym surowcem do produkcj energ. Z tego też względu przyjęto ogólną strategę oszczędnośc energ, co zaowocowało obnżenem w norme wartośc maksymalnego współczynnka przenkana cepła przegród zewnętrznych pełnych dla ścan do 0,75 W (m 2 K) 1. W kolejnej norme PN-91/B-02020 jeszcze bardzej zaostrzono wymagana maksymalną wartość współczynnka przenkana cepła przegród zewnętrznych obnżono do 0,55 W (m 2 K) 1. Przegrody zewnętrzne welu budynków z początkowego okresu obowązywana normy projektowane były tak, by spełnać jedyne granczne wymagana zawarte w norme. W warunkach coraz wększego popytu na materały zolacyjne ze strony nwestorów, wąskej gamy dalszego defcytu materałów zolacyjnych na rynku w latach 1990 1995 koszty zolacj zewnętrznej były newspółmerne wysoke w stosunku do oszczędnośc wynkających z obnżonego zużyca energ na ogrzane budynku. Sytuacja ta zmenła sę wraz z wprowadzenem na rynek nowych materałów zolacj ceplnych korzystających z nnowacyjnych technolog, szerszej dostępnośc tychże materałów oraz nowych systemów budownctwa (PN-91). Analza opłacalnośc oceplana wybranych budynków jednorodznnych 137
Założena dotyczące oblczeń oporów ceplnych grancy opłacalnośc oceplana Ze względu na różny stan budynków zastosowanych do budowy przegród materałów zdecydowano sę przyjmować do oblczeń wartośc współczynnka λ materałów budowlanych dla warunków średno-wlgotnych. Zgodne z normą PN-EN ISO 6946:2004 (Załącznk E), w artykule założono, że w oblczenach oporu ceplnego przegród z wyjątkem dachów płaskch uwzględnany będze perwszy pozom poprawk ΔU stosowany wtedy, gdy zolacja cągła, jednowarstwowa łączona jest na styk, a tolerancje długośc, szerokośc prostokątnośc oraz stablność wymarów są take, że neszczelnośc w przegrodze przekraczają 5 mm. Wartość dodatku wyrażającego wpływ mostków ceplnych przyjęto zgodne z tablcą NA.1 normy PN-EN ISO 6946:2004 na pozome ΔU k = 0,05 W (m 2 K) 1 dla przegród zewnętrznych ponowych badanych budynków. W przypadku stropodachów ze względu na możlwy duży wpływ mostków termcznych przyjęto wartość wększą nż normową ΔU k = 0,05 W (m 2 K) 1. Przy oblczanu oporu ceplnego dachów stromych z powodu występujących mostków ceplnych w postac drewnanych elementów konstrukcyjnych założono wartość poprawk ΔU k = 0,15 W (m 2 K) 1 (PN-EN ISO 6946: 2004). Wskaźnk SPBT (Smple Pay Back Tme) prosty czas zwrotu nakładów Wskaźnk ten należy do grupy tradycyjnych, statycznych wskaźnków oceny efektywnośc ekonomcznej. Jest on defnowany jako czas potrzebny do odzyskana nakładów nwestycyjnych ponesonych na realzację danego przedsęwzęca. Jest lczony od momentu uruchomena nwestycj do chwl, gdy suma korzyśc brutto uzyskanych w wynku realzacj nwestycj zrównoważy ponesone nakłady. Optymalne usprawnene charakteryzuje najmnejsza wartość SPBT (Budownctwo... 2007). Prosty czas zwrotu (SPBT) dodatkowej zolacj ceplnej przegród zewnętrznych pełnych wyznacza sę ze wzoru (Klemm 2007): I SPBT = o [a] (1) 1 U WE (1/ U + R) U współczynnk przenkana cepła przegrody zewnętrznej przed termomodernzacją [W (m 2 K) 1 ], R dodatkowy opór ceplny [m 2 K W 1 ], I o nakład nwestycyjny (początkowy) na zwększene o R oporu ceplnego 1 m 2 przegrody [zł m 2 ], W E roczna wartość zaoszczędzonej energ w wynku poprawy zolacyjnośc [zł K (W a) 1 ], a rok kalendarzowy. 138 G. Rutkowska, M. Przybytkowsk
Roczną wartość zaoszczędzonej energ (W E ) oblcza sę ze wzoru (Klemm 2007): 6 ( ) WE = 12Qm t te + 86,4 SdOz 10 [zł K (W a) 1 ] (2) Q m opłata za 1 MW mocy zamówonej, określana przez dostawcę cepła [zł (MW m) 1 ], t oblczenowa temperatura powetrza wewnętrznego [ C], t e oblczenowa temperatura powetrza zewnętrznego dla danej strefy klmatycznej [ o C], S d lczba stopnodn [d K a 1 ], O z opłata za zużyce 1 GJ określana przez dostawcę cepła [zł GJ 1 ], a rok kalendarzowy. Lczbę stopnodn (S d ) oblcza sę według zależnośc (Klemm 2007): Sd [ t te( m)] Ld( m) [d K a 1 ] (3) t e (m) średna weloletna temperatura m-tego mesąca (PN-B-02025:2001), L d (m) lczba dn ogrzewana w mesącu m, określona według PrPN-B- 02025:2001. NPV (Net Present Value) wartość beżąca netto Wartość ta wyraża różncę pomędzy wartoścą przychodów kosztów nwestycj zdyskontowanych, sprowadzonych za pomocą współczynnka dyskonta na dany moment w czase, jak równeż przy określonej stope dyskonta. Jeśl projekt ma być zaakceptowany, to wskaźnk NPV dla danej nwestycj pownen meć wartość wększą od zera. Dodatna wartość NPV nformuje, że nwestycja wygeneruje dodatne strumene gotówk w wysokośc pozwalającej ne tylko spłacć kaptał zaangażowany w termomodernzacj koszty ponesone w faze utrzymana neruchomośc, ale zapewn także nwestorow dodatkowo wpływy gotówkowe wynkające z nwestycj termomodernzacyjnej równe wartośc NPV (Budownctwo... 2005). Grancę opłacalnośc nwestycj stanow wartość odcętej punktu przecęca sę wykresu funkcj NPV z osą wyznaczająca wartość zerową rzędnej (mejsce zerowe funkcj), przy jednoczesnym spełnenu warunku dodatnej pochodnej funkcj NPV w tym punkce (funkcja rosnąca). W skrajnych przypadkach zarówno funkcja NPV = f (n) w zależnośc od lczby lat eksplatacj, jak funkcja NPV = = f (d) w zależnośc od grubośc zolacj, mogą ne osągnąć wartośc dodatnch przy zakładanej lczbe lat korzystana z nwestycj czy zakładanej grubośc zolacj. Jeżel ekstremum funkcj NPV = f (d) jest jednocześne perwastkem tej funkcj, to wyznacza w ten sposób równocześne wartość grancy opłacalnośc oceplena wartość optymalnego oceplena przy danej grubośc zolacj (Bezsponowy... 2002). Wartość beżącą (NPV) oblcza sę ze wzoru (Bezsponowy... 2002): n NPV I0 E 1 [zł m 2 ] (4) Analza opłacalnośc oceplana wybranych budynków jednorodznnych 139
I 0 nakład nwestycyjny (początkowy) [zł m 2 ], ΔE korzyść z realzacj nwestycj w -tym roku [zł], n zakładana lczba lat korzystana z efektów nwestycj. Wartość korzyśc z realzacj nwestycj ΔE oblcza sę ze wzoru (Bezsponowy... 2002): 1 s E E [zł m 0 2 ] (5) 1 r ΔE 0 korzyść z realzacj nwestycj w cenach roku realzacj [zł m 2 ], r stopa dyskontowa [%], s stopa wzrostu kosztu ogrzewana ponad stopę spadku wartośc penądza w czase [%]. Wartość korzyśc z realzacj nwestycj w cenach z roku bazowego, wynkającą bezpośredno z oszczędnośc kosztów ogrzewana budynku, oblcza sę zgodne ze wzorem (Bezsponowy... 2002): [zł (m 2 a) 1 ] (6) E0 WE U0 W E roczna wartość zaoszczędzonej energ [zł K/(W a) 1 ], ΔU 0 przyrost wartośc współczynnka przenkana cepła po zastosowanu zolacj ceplnej 1 1 U0 R0 d [W (m 2 K) 1 ] (7) R0 λ R 0 opór ceplny nnych warstw przegrody poza zolacją ceplną wraz z oporam przejmowana cepła na powerzchnach przegród [m 2 K W 1 ], λ współczynnk przewodzena cepła materału dodatkowej zolacj ceplnej, [W (m K) 1 ], d grubość materału dodatkowej zolacj ceplnej [m]. Wyznaczając ekstremum funkcj NPV, otrzymuje sę wzór na optymalną grubość warstwy zolacj (Bezsponowy... 2002): n 1 s WE t1 1 r dopt λ Roλ λk [m] (8) oraz wzór na optymalną wartość współczynnka przenkana cepła (Bezsponowy... 2002): Uopt = λk n WE t= 1 ( 1+ s) ( 1+ r) [W (m 2 K) 1 ] (9) λ współczynnk przewodzena cepła materału dodatkowej zolacj ceplnej [W (m K) 1 ], K koszt materału zolacj loko budowa [zł m 3 ], WE roczna wartość zaoszczędzonej energ [zł K (W a) 1 ], R 0 opór ceplny nnych warstw przegrody poza zolacją ceplną wraz z oporam przejmowana cepła na powerzchnach przegród [m 2 K W 1 ], 1 s 1 1 r n t składnk sumy zależny od lczby lat korzystana z nwestycj [ ]. 140 G. Rutkowska, M. Przybytkowsk
Metoda pracy założena badawcze Metodyka badawcza pracy oparta jest na analze stanu badań krytycznej analze lteratury przedmotu, wyborze obektów hstorycznych współczesnych oraz synteze badań. Analza lteratury przedmotu dotyczy zagadneń zwązanych z oblczanem grancy opłacalnośc oceplana stnejących budynków jednorodznnych. Wybór budynków jednorodznnych oraz ch analza dotyczy przykładów obektów położonych w gmne Warszawa Ursynów. Przykłady te pozyskane zostały z przeprowadzonych badań terenowych. Decyzja nwestycj termomodernzacyjnej jest podejmowana wtedy, gdy suma wartośc dodatnch, czyl korzyśc wynkających z projektu, będze wększa nż zwązane z tą nwestycją wydatk. Do określena, czy dany projekt jest opłacalny, stosowane są różnego rodzaju wskaźnk efektywnośc ekonomcznej. W nnejszych badanach do przeprowadzena oblczeń wykorzystano dwa wskaźnk z dzedzny rachunku efektywnośc ekonomcznej: SPBT (Smple Pay Back Tme) NPV (Net Present Value). Przy doborze materału zolacj termcznej do oblczeń grancy opłacalnośc oceplana kerowano sę następującym czynnkam: nsk współczynnk przewodnośc ceplnej, relatywne nsk koszt 1 m 2 w stosunku to nnych materałów zolacyjnych, dostępność na rynku. Materały zolacj ceplnej, jake przyjęto do oblczeń w pracy, to: styropan o współczynnku λ = = 0,039 W (m K) 1 koszce K s = 127 zł m 3 w przypadku oceplana przegród ponowych, wełna mneralna o współczynnku λ = 0,038 W (m K) 1 koszce K w = 128,4 zł m 3 w przypadku oceplana stropodachów stromych. Oblczena lczby stopnodn wykonano dla strefy klmatycznej III, przyjmując dane do oblczeń dla stacj meteorologcznej 52: Warszawa. Przyjęto oblczenową temperaturę wewnętrzną: t = 20 o C (dla budynków meszkalnych, pomeszczeń meszkalnych). Charakterystyka budynku nr 1 Budynek jednorodznny, jednokondygnacyjny, podpwnczony (rys. 1) z 1958 roku. Przegroda zewnętrzna jednowarstwowa, złożona z warstwy z cegły pełnej ceramcznej, grubośc 24 cm, kładzonej równolegle dwurzędowo na spone cementowo-wapennej, bez tynku zewnętrznego. Dach budynku typu namotowego, o konstrukcj drewnanej opartej na wązarze krokwowym. Przestrzeń mędzy neoceplanym stropem Klena a dachem jest neogrzewana wentylowana. Wynk badań Oblczena wartośc NPV dla budynku nr 1 (tab. 1 2) Optymalna grubość (d opt ) warstwy zolacj ze styropanu dla ścany wynos Analza opłacalnośc oceplana wybranych budynków jednorodznnych 141
RYSUNEK 1. Budynek nr 1 (fot. autora) FIGURE 1. Buldng No 1 (photo author) TABELA 1. Zestawene oblczeń wartośc NPV w zależnośc od grubośc dodatkowej zolacj (d) ścany dla budynku nr 1 TABLE 1. Lst of calculaton of PV values dependng on the thckness of addtonal nsulaton (d) for the buldng No 1 Wyszczególnene Specfcaton 1 2 3 4 5 d [m] 0 0,00698 0,05 0,14 0,24 I 0 [zł m 2 ] 130 130,89 136,35 147,78 160,48 Δ U 0 0 0,604 1,591 1,918 2,013 E 0 [zł (m 2 rok) 1 ] 0 5,463 14,39 17,347 18,207 NPV [zł m 2 ] 130 0 208,4 267,8 275,7 TABELA 2. Zestawene oblczeń wartośc NPV w zależnośc od grubośc dodatkowej zolacj (d) dachu dla budynku nr 1 TABLE 2. Lst of calculaton of PV values dependng on the thckness of addtonal nsulaton (d) for the buldng No 1 Wyszczególnene Specfcaton 1 2 3 4 5 d [m] 0 0,0056 0,05 0,15 0,25 I 0 [zł m 2 ] 91 91,72 97,42 110,26 123,1 Δ U 0 0 1,098 2,714 3,098 3,188 E 0 [zł (m 2 rok) 1 ] 0 9,93 24,55 28,02 28,83 NPV [zł m 2 ] 91 0,2 128,8 147,9 142,5 142 G. Rutkowska, M. Przybytkowsk
RYSUNEK 2. Wykres przebegu funkcj NPV = f (d) dla ścany budynku nr 1 FIGURE 2. Graph of functon NPV = f(d) for the wall of the buldng No 1 RYSUNEK 3. Wykres przebegu funkcj NPV = f (d) dla dachu budynku nr 1 FIGURE 3. Graph of functon NPV = f(d) for the wall of the buldng No 1 24 cm (rys. 2), natomast optymalna wartośc współczynnka przenkana cepła (U opt ) wynos 0,15 W (m 2 K) 1. Optymalna grubość (d opt ) warstwy zolacj ze styropanu dla dachu wynos 15 cm (rys. 3), natomast optymalna wartośc współczynnka przenkana cepła (U opt ) wynos 0,24 W (m 2 K) 1. Oblczena SPBT dla budynku nr 1 Oblczena prostego czasu zwrotu nwestycj (SPBT) wykonano dla wszystkch przegród budynków dla zolacj ceplnej o grubośc optymalnej (d opt ) oblczonej z funkcj NPV oraz dla grubośc zolacj ceplnej, przy której spełnony Analza opłacalnośc oceplana wybranych budynków jednorodznnych 143
jest warunek U k < U kmax = 0,5 W (m 2 K) 1 dla przegród welowarstwowych w przypadku ścan U k < U kmax = 0,3 W (m 2 K) 1 dla przegród jednowarstwowych w przypadku dachów budynków. Dodatkowo w celu uzyskana skal porównawczej wynków dla poszczególnych budynków oblczono SPBT przy oceplanu ścan styropanem grubośc 15 20 cm oraz oceplanu dachów wełną mneralną grubośc 15 25 cm. Oblczena dla ścan 1 U k = 2,165 W (m2 K) 1 R 0 = 0,462 m2 K W dla warstwy styropanu o grubośc d = 0,15 m λ = 0,039 W (m K) 1 : S s = 130 zł m 2, K s = 127 zł m 3, W E = 9,0445 zł K (W a) 1 SPBT = 8,5 lat, dla warstwy styropanu o grubośc d = 0,20 m λ = 0,039 W (m K) 1 : SPBT = 8,7 lat, według norm dla d = (1/U kmax R 0 ) λ = (1/0,5 0,462) 0,039 = 0,06 m SPBT = 9,1 roku, dla warstwy styropanu o d opt = 0,24 m SPBT = 8,8 lat. Oblczena dla dachu 1 U k = 3,3346 W (m2 K) 1 R 0 = 0,3 m2 K W dla warstwy wełny mneralnej o grubośc d = 0,15 m λ = 0,038 W (m K) 1, S w = 91 zł m 2, K w = 128,4 zł m 3, W E = 9,0445 zł K (W a) 1 SPBT = 3,9 lat, dla warstwy styropanu o grubośc d = 0,25 m λ = 0,038 W (m K) 1 SPBT = 4,3 lat, według norm dla d = (1/U kmax + R 0 ) λ = (1/0,3 0,3) 0,038 = 0,12 m SPBT = 3,9 lat, dla warstwy wełny mneralnej o d opt = 0,15 m SPBT = 3,9 lat. Lteratura Bezsponowy system oceplana ścan zewnętrznych budynków 2002. Instrukcja ITB nr 334/2002. Instytut Technk Budowlanej, Warszawa. Budownctwo ogólne. T. 1. Materały wyroby budowlane, 2005. Red. B. Stefańczyk. Arkady, Warszawa. Budownctwo ogólne. T. 2. Fzyka budowl, 2005, 2007. Red. P. Klemm. Arkady, Warszawa. PN-64/B-03404 Ochrona ceplna budynków. Wymagana oblczena. PN-91/B-02020 Ochrona ceplna budynków. Wymagana oblczena. PN-B-02025:2001 Oblczane sezonowego zapotrzebowana na cepło do ogrzewana budynków meszkalnych zameszkana zborowego. PN-B 20132:2004 Wyroby ze styropanu (EPS) produkowane fabryczne zastosowana. PN-EN ISO 6946:2004 Komponenty budowlane elementy budynku. Opór ceplny współczynnk przenkana cepła. Metoda oblczana. POGORZELSKI J.A. 1988: Opłacalna grubość zolacj ceplnej przegród zewnętrznych. Materały Budowlane 1. POGORZELSKI J.A. 1997: Opłacalna grubość zolacj ceplnej. Murator 8. Rozporządzene Mnstra Infrastruktury z dna 12 kwetna 2002 r. w sprawe warunków techncznych, jakm pownny odpowadać budynk ch sytuowane (DzU nr 75, poz. 690). Author s address: Gabrela Rutkowska Szkoła Główna Gospodarstwa Wejskego Katedra Budownctwa Geodezj ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa Poland 144 G. Rutkowska, M. Przybytkowsk