Systemy wsparcia inwestycji efektywności energetycznej Finanse Prawo Ryzyko Określenie wymagań charakterystyki energetycznej budynków zgodne z kryterium kosztu optymalnego Aleksander Panek 6 marca 2012; EXPO XXI ul. Prądzyńskiego 12/14, Warszawa
Nowelizacja Ustawy Prawo Budowlane w 2007 Nowelizacja i opracowanie rozporządzeń. Wprowadzenie: Nowych wymagań energetycznych Systemu świadectw energetycznych Inspekcji kotłów i systemów AC Obowiązku doboru mediów i opracowanie charakterystyki projektowej Przygotowanie ekspertów RECAST?!?!?! Dyrektywa 31/2010/WE
Załącznik I 2. Charakterystykę energetyczną budynku wyraża się w sposób przejrzysty i zawiera ona wskaźnik charakterystyki energetycznej oraz wskaźnik liczbowy zużycia energii pierwotnej na podstawie wskaźników energii pierwotnej na każdy nośnik energii, które mogą opierać się na krajowych lub regionalnych średnich ważonych lub konkretnej wartości dla produkcji na miejscu. Metodologia obliczania charakterystyki energetycznej budynków powinna uwzględniać normy europejskie oraz jest zgodna z odpowiednim prawodawstwem Unii, w tym z dyrektywą 2009/28/WE.
Wymagania energetyczne, ocena energetyczna. Jaki wskaźnik wymagań przyjąć? Wymagania i metoda ich weryfikacji Charakterystyki komponentów, współczynniki - U Straty ciepła Energia netto na potrzeby ogrzewania Energia dostarczana Całkowite zużycie energii Emisja CO 2
Wymagania - wskaźnik Współczynniki termofizyczne przegród U, g itp. Sprawności konkretnego procesu Zapotrzebowanie na energię dla realizacji konkretnego procesu (ogrzewanie, chłodzenie) Sprawdzenie po, dekl.,pr po, dekl, pr po, obl Energia dostarczona - wyprodukowana Energia użyteczna Energia końcowa Energia pierwotna Emisja CO2 Q T Q V QS Qc,e Obliczanie zapotrzebowania na energię Q h Qi Granica bilansu: Przestrzeń ogrzewana Energia użyteczna Dostawa DystrybucjaMagazy Wytwarzanie nowanie Q d Qs Qg Energia pierwotna Energia końcowa Granica bilansu: Budynek po, obl po, obl po, obl obl obl po, dekl, obl - pomiary, deklaracja, obliczenia
Jednopoziomowe? Wymagania energetyczne? Wielopoziomowe? Idealnym rozwiązaniem byłoby opracowanie wymagań jednopoziomowych, całościowych, obliczanych na podstawie kosztu całkowitego, zdefiniowanego w projekcie rozporządzenia. Takie najprostsze rozwiązanie wymaga jednak przygotowania odpowiedniej procedury sprawdzania wymagania, w tym przypadku programu komputerowego, który byłyby wykorzystywany do oceny wpływu rozwiązań architektoniczno technicznych na wynik końcowy. Program powinien charakteryzować się takimi właściwościami aby można było rozstrzygać wszystkie potencjalne rozwiązania w tym reakcje budynku na zjawiska szybko zmienne np. wiatr lub promieniowanie. Niestety takiego programu w Polsce nie ma, poza jądrem obliczeniowym 6R1C opracowanych przez Politechnikę Warszawska w ramach projektu STEP. Można umówić się, że będziemy używać do tego celu jeden z programów symulacyjnych, który przeszedł procedurę walidacji np. DesignAdvisor, Trnsys, Energy Plus, Blast, ESPr lub wielu innych.
Wymagania energetyczne cd. Wymagania wielopoziomowe można rozpatrywać jako proces dochodzenia do wymagań jednopoziomowych całościowych. W tym przypadku mamy wiele możliwości, choć pewną wskazówką może być prpn EN 15603 Energetyczne właściwości użytkowe budynków -- Całkowite zużycie energii i definicja energii znamionowej. Podstawowy problem jaki należy rozważyć to zagadnienie wyboru wymagania cząstkowego. Czy wprowadzamy wymagania na współczynniki U, współczynnik strat budynku, energię użytkową, energię końcową, energię pierwotną, współczynnik emisji CO2, sprawności instalacji technicznych, udział energii odnawialnej w zużyciu. Wprowadzenie wymagań cząstkowych na współczynnik przenikania miało zaletę, że stosunkowo łatwo można sprawdzać ich spełnienie. Trudniej jest ze współczynnikiem strat budynku, energią użyteczną, energią końcową w tym przypadku trzeba podać procedurę obliczeniową. Przejście na energię pierwotną i emisją CO2 obarczone jest niepewnością związaną z określaniem współczynników nakładu i współczynników emisji, a te z reguły są obciążone politycznie.
Jakie wymagania przyjąć? Wymagania energetyczne nie muszą być wyrażane w energii pierwotnej. Energia pierwotna może być uzupełnieniem wskaźnika (wskaźników) charakterystyki energetycznej i być wynikiem obliczeń w których wykorzystano wskaźniki charakterystyki, co do których sformułowano wymagania. Innymi słowy można sformułować wymagania w postaci energii użytecznej, końcowej, a energię pierwotną wyliczać. W ten sposób spełniamy zapisy i duch dyrektywy, a pozbywamy się niepewności związanej z energią pierwotną i wskaźnikami emisji CO2. Konkludując powyższe, można stwierdzić, że przyszłe wymagania energetyczne mogą być takie jakie zostaną uznane za najlepsze dla danego kraju. Na przykład w wytycznych Passivhaus Institut Niemcy, normach austriackich, przepisach obowiązujących w takich krajach jak Szwecja, Dania, Norwegia i Finlandia wymagania są formułowane w odniesieniu do wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji, a nie wskaźnika zapotrzebowania na energię końcową.
Wg Passivhaus Institut budynek osiąga standard pasywny, jeżeli: wskaźnik zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji nie przekracza 15 kwh/m 2 rok (15kWh w Niemczech nie równa się 15 kwh w Polsce ze względu na różnice klimatyczne) wskaźnik zapotrzebowania na energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej, pracy urządzeń pomocniczych, oświetlenia, całego wyposażenia budynku, sprzętów AGD i RTV, gotowania itp. nie przekracza 120 kwh/m 2 rok
Wyrażenie wymagań w postaci wskaźników zapotrzebowania na energię końcową jest kontrowersyjne i może prowadzić do zwiększenia energochłonności budynków. Przykładowo, jeżeli w budynkach źródłem ciepła będzie gruntowa pompa ciepła to całkowita sprawności systemu grzewczego będzie wynosiła około 3,0. Przy takiej sprawności osiągnięcie wskaźnika zapotrzebowania na energię końcową równego 15 kwh/m 2 rok następuje przy wskaźniku zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji równym 45 kwh/m 2 rok. Natomiast osiągniecie wskaźnika zapotrzebowania na energię końcową równego 75 kwh/m 2 rok następuje przy wskaźniku zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji równym 225 kwh/m 2 rok. Oznacza to, że przy zastosowaniu jako źródła ciepła systemu grzewczego z pompami ciepła o średniej sprawności 3,0 budynki, które miały mieć standard pasywny są tylko niskoenergetyczne a budynki energooszczędne znacznie gorsze od powstających obecnie i bardzo energochłonne.
Można przyjąć też rozwiązanie w którym będą możliwe dwie drogi spełnienia wymagań. Jedna dotyczyć będzie tylko energii pierwotnej, a druga np. energii użytecznej, sprawności systemów i np. obowiązkowego udziału energii odnawialnej. W pierwszym przypadku sprawdzenie wymagań polega na obliczeniu energii pierwotnej i kosztu globalnego. W przypadku drugim obliczenie energii pierwotnej i kosztu globalnego jest wynikiem zastosowania określonych rozwiązań technicznych co do których sformułowano wymagania, a nie wymaganiem. Oba podejścia są zgodne z duchem dyrektywy.
Problemy tkwią jak zawsze w szczegółach. Jeśli wymagania energetyczne mają być określane zgodnie z kosztem optymalnym, to do obliczeń tego kosztu potrzebujemy energię końcową budynku. Jeśli określamy wymagania dla komponentów lub systemów technicznych metodą kosztu optymalnego, to albo definiujemy warunki odniesienia dla samego systemu albo wbudowujemy system w budynek referencyjny i obliczamy dla takiego rozwiązania energię końcową i koszt globalny. Przykładem może być wymaganie dotyczące współczynnika strat ciepła dla 1 m 2 ściany. Możemy wyliczyć zmniejszenie tych strat w wyniku lepszej izolacji, ale to co jest w tym przypadku istotne to zmniejszenie rachunku (kosztu eksploatacyjnego), który można oszacować dopiero po wbudowaniu takiej ściany w budynek. Decydując się na wymaganie cząstkowe dla ściany musimy ustalić kryterium kosztowe, a więc zdecydować się jaki poziom oszczędności jest satysfakcjonujący. Taka propozycja klasyfikacji dla okien została już zaproponowana.
C τ = I j i= 1 ( ) V ( j) ( ) C + C ( j) R ( i) g τ a, i d f, τ gdzie: Cg (τ) koszt globalny (odniesiony do roku początkowego roku τ0) CI początkowe koszty inwestycji na działania lub pakietu działań j Ca,i (j) roczne koszty eksploatacji w roku i na działania lub pakiet działań j Rd (i) stopa dyskonta w roku I Vf, τ (j) wartość końcowa Wariant Ściany zewnętrzne Dach Podłoga na gruncie U okien System wentylacji Koszt Marginalny inwestycji W/m 2 K cm W/m 2 K cm W/m 2 K cm W/m 2 K - PLN m 2 St-1 0,23/12 0,16/20 0,7/5 1.8 Graw. 0 St-2 0,19/15 0,16/20 0,35/10 1.8 Graw. 72 St-3 0,17/18 0,13/25 0,35/10 1.8 Graw. 93 St-4 0,16/20 0,13/25 0,35/10 1.5 Graw. 99 St-5 0,16/20 0,13/25 0,35/10 1.5 Mech. 60% 248 St-6 0,16/20 0,11/30 0,28/15 1.3 Mech. 65% 259 St-7 0,14/22 0,11/30 0,28/15 1.1 Mech. 65% 265 St-8 0,13/24 0,11/30 0,28/15 1.1 Mech. 70% 285 St-9 0,13/25 0,1/35 0,28/15 1.0 Mech. 75% 315 St-10 0,11/30 0,09/40 0,26/20 1.0 Mech. 80% 369 St-11 0,1/35 0,09/40 0,24/25 0.8 Mech. 85% 469
14000,00 Koszt Globalny / paliwo 12000,00 10000,00 8000,00 6000,00 St2 St3 St4 St5 St6 St7 St8 St9 St10 St11 4000,00 2000,00 Węgiel Biomasa Olej Gaz Rysunek 1. Zależność kosztu globalnego od rodzaju systemu ogrzewania dla 10 różnych wariantów budynku
Stosunek zdyskontowanych kosztów marginalnych do zdyskontowanych kosztów energii w cyklu 50 lat Węgiel Biomasa Olej Gaz St2 269,36 410,36 180,40 102,75 St3 44,59 67,93 29,86 17,01 St4 23,17 35,30 15,52 8,84 St5 28,91 44,05 19,36 11,03 St6 21,53 32,79 14,42 8,21 St7 19,57 29,81 13,11 7,465 St8 19,58 29,83 13,12 7,470 St9 19,73 30,05 13,21 7,52 St10 20,10 30,62 13,46 7,67 St11 23,20 35,35 15,54 8,85
A zatem gdybyśmy przyjęli, że koszt globalny ma być kryterium wg którego mamy np. określać wartości cząstkowe jako wymagania to wybralibyśmy najmniej kosztowny standard. Wynika to z faktu, że część kosztów związana z utrzymaniem budynku jest znacznie większa niż wartość zaoszczędzonej energii. W takim podejściu trudno jest prowadzić optymalizację.
Wnioski 1. Wpływ kosztów energii na koszt globalny jest niewielki. 2. Zwrócono uwagę na niepewność i ryzyka metody związane z koniecznością uzgodnienia wielu zmiennych, a przynajmniej określania zasad przyjmowania niektórych wartości np. inflacji, cen energii, kosztów napraw i modernizacji. 3. W wykorzystanych formułach energia eksploatacyjna jest określana dla wybranych parametrów nastawy, a w rzeczywistości temperatura wewnętrzna waha się w określonych granicach kategorii komfortu. Na potrzeby przepisów analiza energetyczna powinna zawierać koszty wyjścia poza zakres komfortu cieplnego. 4. Nowoczesne budynki charakteryzują się zmiennymi wartościami parametrów termofizycznych przegród U i/lub g np. w przypadku okien. Określanie jednej wartości dla całego roku/sezonu jest uproszczeniem należy raczej szukać optymalnego sterowania tymi parametrami tak aby osiągnąć minimum kosztów globalnych, a takie zadanie sterowania optymalnego jest znacznie trudniejsze niż przedstawione powyżej.
Dziękuję za uwagę apanek@nape.pl Zapraszam do czytania Zrzeszenie Audytorów Energetycznych