Kazimierz Żarski WENTYLACJA I OGRZEWANIE W NOWYCH PRZEPISACH Warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki stan na 2017 i 2021 seria
PIOTR JADWISZCZAK, ADRIAN TRZĄSKI WENTYLACJA I OGRZEWANIE W NOWYCH PRZEPISACH Aktualne warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki GRUPA Warszawa 2016
Poradnik wydany pod patronatem miesięcznika Rynek Instalacyjny www.rynekinstalacyjny.pl Redakcja i korekta: Waldemar Joniec redaktor naczelny Agnieszka Orysiak sekretarz redakcji Copyright by Piotr Jadwiszczak, Adrian Trząski Copyright by Grupa MEDIUM Wydanie drugie, rozszerzone. Warszawa 2016 Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej pracy nie może być powielana czy rozpowszechniana w jakiejkolwiek formie, w jakikolwiek sposób elektroniczny bądź mechaniczny, włącznie z fotokopiowaniem, nagrywaniem na taśmy lub przy użyciu innych systemów bez pisemnej zgody wydawcy. W książce wykorzystano fragmenty Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.), tekst jednolity Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. (DzU 2015, poz. 1422). ISSN 2300-035X Wydawca i rozpowszechnianie Grupa MEDIUM Sp. z o.o. Sp.K. 04-112 Warszawa, ul. Karczewska 18, tel. 22 512 60 60 www.ksiegarniatechniczna.com.pl
Spis treści I. Oszczędność energii i izolacyjność cieplna........................ 6 II. Wentylacja i klimatyzacja...................................... 12 III. Możliwość spełnienia wymagań EP............................... 17 IV. Wymagania dla budynków po 2020 roku a rozwiązania konwencjonalne i OZE przykłady obliczeniowe.................................. 27 V. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Wybrane fragmenty...................... 46
dr inż. Piotr Jadwiszczak Politechnika Wrocławska I. Oszczędność energii i izolacyjność cieplna Rozporządzenie w sprawie warunków technicznych (WT), jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2], jest podstawowym dokumentem ustalającym warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki w odniesieniu do oszczędności energii i izolacyjności cieplnej. W tym zakresie przepisy te podają wymagania odnośnie do obudowy cieplnej budynków oraz ich wyposażenia instalacyjnego związanego z ogrzewaniem, wentylacją, przygotowaniem ciepłej wody użytkowej, chłodzeniem i oświetleniem wbudowanym. Wymagania te stosuje się przy projektowaniu lub przebudowie budynków oraz ich wyposażenia technicznego. Pierwsze rozporządzenie podające WT opublikowano w 2002 roku, wcześniej wymagania odnośnie do izolacyjności cieplnej zawierały normy branżowe. Kolejne nowelizacje WT miały miejsce w 2003, 2004, 2008, 2009, 2010, 2012 i 2013 roku, z czego w odniesieniu do energooszczędności i izolacyjności cieplnej istotne są nowelizacje w 2008 i 2013 roku. W ostatniej, wciąż obowiązującej, nowelizacji WT z 13 sierpnia 2013 roku [1] w jednym akcie prawnym zapisano trzykrotne etapowe zaostrzanie warunków technicznych odnośnie do oszczędności energii i izolacyjności cieplnej budynków, kolejno od początku 2014, 2017 i 2021 roku. Nowelizacja warunków technicznych (WT) nie oznacza konieczności korygowania realizowanych już projektów czy wprowadzania zmian na już rozpoczętych budowach. Jeżeli przed dniem wejścia w życie określonych wymagań rozporządzenia (1 stycznia 2014, 2017 lub 2021 r.) złożony został wniosek o pozwolenie na budowę lub odrębny wniosek o zatwierdzenie projektu budowlanego, dokonano zgłoszenia budowy lub wykonywania robót budowlanych, w przypadku gdy nie jest wymagane pozwolenie na budowę, albo wydana została decyzja o pozwoleniu lub odrębna decyzja o zatwierdzeniu projektu budowlanego stosuje się poprzednie przepisy. Wymagania dotyczące oszczędności energii i izolacyjności cieplnej Zasadnicze zmiany w WT dotyczą wymagań, jakie mają spełniać budynki pod względem oszczędności energii i izolacyjności cieplnej. Nowelizacja z 2013 roku [1] wprowadziła stopniowe zaostrzanie wymagań, podając coraz surowsze warunki wprowadzane etapowo od 1 stycznia 2014 r., następnie od 1 stycznia 2017 r. i od 1 stycznia 2021 r. (2019 r. w wypadku budynków władz publicznych). Obecnie obowiązują warunki techniczne z pierwszego przedziału czasowego podanego w rozporządzeniu, czyli od 1 stycznia 2014 do 31 grudnia 2016 roku. Bliskość kolejnej zmiany obliguje projektantów do uwzględniania wymagań już z kolejnego przedziału, czyli od 1 stycznia 2017 roku, a w wypadku projektów rozłożonych w czasie nawet wymagań obowiązujących dopiero od stycznia 2021 roku. 8
W myśl obowiązujących WT budynek musi jednocześnie spełniać dwa warunki: nieprzekraczania wartości maksymalnej EP (energii pierwotnej) oraz izolacyjności cieplnej przegród budowlanych, przewodów rozdzielczych i komponentów w instalacjach centralnego ogrzewania, ciepłej wody użytkowej (w tym przewodów cyrkulacyjnych), instalacji chłodu i ogrzewania powietrznego. Tabela 1. Cząstkowe maksymalne wartości EP H+W, kwh/(m 2 rok) na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej [1] Rodzaj budynku Od 1 stycznia 2014 Od 1 stycznia 2017 Od 1 stycznia 2021 (2019) Budynek mieszkalny jednorodzinny 120 95 70 Budynek mieszkalny wielorodzinny 105 85 65 Budynek zamieszkania zbiorowego 95 85 75 Budynek użyteczności publicznej opieki zdrowotnej 390 290 190 Budynek użyteczności publicznej (pozostałe) 65 60 45 Budynek gospodarczy, magazynowy i produkcyjny 110 90 70 Tabela 2. Cząstkowe maksymalne wartości EP C, kwh/(m 2 rok) na potrzeby chłodzenia [1] Rodzaj budynku Budynek mieszkalny jednorodzinny Budynek mieszkalny wielorodzinny Budynek zamieszkania zbiorowego Budynek użyteczności publicznej opieki zdrowotnej Budynek użyteczności publicznej (pozostałe) Budynek gospodarczy, magazynowy i produkcyjny Od 1 stycznia 2014 Od 1 stycznia 2017 Od 1 stycznia 2021 (2019) ΔEP C = 10 A f,c /A f ΔEP C = = 5 A f,c /A f ΔEP C = 25 A f,c /A f Cząstkowa maksymalna wartość EP, kwh/(m 2 rok) określa maksymalne roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej (tabela 1), chłodzenia (tabela 2), a w przypadku budynków użyteczności publicznej, zamieszkania zbiorowego, produkcyjnych, gospodarczych i magazynowych również do oświetlenia wbudowanego (tabela 3). Wymagania odnośnie do izolacyjności cieplnej przegród budowlanych określone są granicznymi wartościami współczynników przenikania ciepła U c(max), a w wypadku okien, drzwi balkonowych i drzwi zewnętrznych U (max) (tabela 4 i 5). Wymagana izolacyjność cieplna przewodów rozdzielczych i komponentów w instalacjach centralnego ogrzewania, ciepłej wody użytkowej 9
(w tym przewodów cyrkulacyjnych), instalacji chłodu i ogrzewania powietrznego określona została minimalną grubością izolacji cieplnej. Tabela 3. Cząstkowe maksymalne wartości EP L, kwh/(m 2 rok) na potrzeby oświetlenia [1] Rodzaj budynku Budynek mieszkalny jednorodzinny Budynek mieszkalny wielorodzinny Budynek zamieszkania zbiorowego Budynek użyteczności publicznej opieki zdrowotnej Budynek użyteczności publicznej (pozostałe) Budynek gospodarczy, magazynowy i produkcyjny Od 1 stycznia 2014 dla t o < 2500 ΔEP L = 50 dla t o > 2500 ΔEP L = 100 Od 1 stycznia 2017 ΔEP L = 0 Od 1 stycznia 2021 (2019) dla t o < 2500 ΔEP L = 25 dla t o > 2500 ΔEP L = 50 Energia pierwotna EP Maksymalna wartość wskaźnika EP określa maksymalne dopuszczalne roczne obliczeniowe zapotrzebowanie budynku na nieodnawialną energię pierwotną jako sumę zapotrzebowania energii pierwotnej do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia: EP = EP + DEP + D EP, kwh/(m 2 rok) H+ W C L gdzie: EP H+W cząstkowa maksymalna wartość wskaźnika EP na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, ΔEP C cząstkowa maksymalna wartość wskaźnika EP na potrzeby chłodzenia, ΔEP L cząstkowa maksymalna wartość wskaźnika EP na potrzeby oświetlenia. Maksymalna (graniczna) wartość wskaźnika EP jest sumą trzech cząstkowych maksymalnych wartości EP i odpowiadających określonym potrzebom energetycznym budynku. Ich wartości odczytuje się z tabel zamieszczonych w WT (tabela 1, 2 i 3), uwzględniając rodzaj budynku oraz planowaną datę oficjalnego rozpoczęcia inwestycji budowlanej. W praktyce inżynierskiej oznacza to, że projekt niezgłoszony do realizacji (np. pozwolenia na budowę) zdezaktualizuje się po trzech latach leżenia na półce i będzie wymagał wprowadzenia zmian przed ponownym zgłoszeniem do realizacji. W wypadku dużych inwestycji, wymagających długiego procesu projektowego, konieczne może się okazać przyjmowanie wymagań WT z wyprzedzeniem uwzględniającym zakładany czas prac projektowych i gromadzenia wymaganej dokumentacji. Nabiera to szczególnego znaczenia w okresach bliskich datom zmian w wymaganiach WT. 10
Tabela 4. Graniczne maksymalne wartości współczynnika przenikania ciepła U c(max), W/(m 2 K) przegród budowlanych [1] Rodzaj przegrody i temperatura w pomieszczeniu Ściany zewnętrzne: Od 1.01.2014 Od 1.01.2017 Od 1.01.2021 (2019) przy t i 16 C 0,25 0,23 0,20 przy 8 C t i < 16 C 0,45 przy t i < 8 C 0,90 Ściany wewnętrzne: przy Δt i 8 C oraz oddzielające pomieszczenie ogrzewane od klatek schodowych i korytarzy przy Δt i < 8 C oddzielające pomieszczenie ogrzewane od nieogrzewanego Ściany przyległe do szczelin dylatacyjnych o szerokości: do 5 cm, trwale zamkniętych i wypełnionych izolacją cieplną na głębokości co najmniej 20 cm powyżej 5 cm, niezależnie od przyjętego sposobu zamknięcia i zaizolowania szczeliny Ściany nieogrzewanych kondygnacji podziemnych Dachy, stropodachy i stropy pod nieogrzewanymi poddaszami lub przejazdami: 1,00 bez wymagań 0,30 1,00 0,70 bez wymagań przy t i 16 C 0,20 0,18 0,15 przy 8 C t i < 16 C 0,30 przy t i < 8 C 0,70 Podłogi na gruncie: przy t i 16 C 0,30 przy 8 C t i < 16 C 1,20 przy t i < 8 C 1,50 Stropy nad pomieszczeniami nieogrzewanymi i zamkniętymi przestrzeniami podłogowymi: przy t i 16 C 0,25 przy 8 C t i < 16 C 0,30 przy t i < 8 C 1,00 Stropy nad pomieszczeniami podziemnymi i stropy międzykondygnacyjne: przy Δt i 8 C 1,00 przy Δt i < 8 C oddzielające pomieszczenia ogrzewane od nieogrzewanych bez wymagań 0,25 11
Tabela 5. Graniczne maksymalne wartości współczynnika przenikania ciepła U (max), W/ (m 2 K) okien, drzwi balkonowych i drzwi zewnętrznych [1] 12 Rodzaj przegrody i temperatura w pomieszczeniu Od 1 stycznia 2014 Od 1 stycznia 2017 Od 1 stycznia 2021 (2019) Okna (z wyjątkiem okien połaciowych), drzwi balkonowe i powierzchnie przezroczyste nieotwieralne: przy t i 16 C 1,3 1,1 0,9 przy t i < 16 C 1,8 1,6 1,4 Okna połaciowe: przy t i 16 C 1,5 1,3 1,1 przy t i < 16 C 1,8 1,6 1,4 Okna w ścianach wewnętrznych: przy Δt i 8 C 1,5 1,3 1,1 przy Δt i < 8 C oddzielające pomieszczenia ogrzewane od nieogrzewanych Drzwi w przegrodach zewnętrznych lub w przegrodach między pomieszczeniami ogrzewanymi i nieogrzewanymi Okna i drzwi zewnętrzne w przegrodach zewnętrznych pomieszczeń nieogrzewanych bez wymagań 1,5 1,3 1,1 1,7 1,5 1,3 bez wymagań Dotyczy to również tzw. gotowych projektów typowych, które do 2021 r. będą musiały być co najmniej trzykrotnie dostosowane do zmieniających się wymagań WT. Analogiczna sytuacja będzie miała miejsce w wypadku wielokrotnego wykorzystywania jednego rozwiązania projektowego, np. identyczne budynki na osiedlu deweloperskim, ale wznoszone w różnych okresach czasu, mimo że z wyglądu identyczne, będą musiały spełniać inne wymagania dotyczące energooszczędności i izolacyjności cieplnej. Cząstkową wartość EP C uwzględnia się jedynie, gdy budynek wyposażony jest w instalację chłodzenia (np. klimatyzację). W przeciwnym wypadku EP C = 0 kwh/(m 2 rok), co w praktyce oznacza pominięcie tego składnika w obliczeniach. Wartość graniczna EP C zależna jest od rodzaju budynku i udziału powierzchni użytkowej chłodzonej A f,c w powierzchni użytkowej ogrzewanej A f podanych w m 2. Zaostrzenie wymagań występuje jedynie w wypadku budynków mieszkalnych i to dopiero w roku 2021. Tabela 3 zawiera cząstkowe maksymalne wartości EP L na potrzeby oświetlenia wbudowanego, które uwzględnia się we wszystkich rodzajach budynków poza mieszkalnymi jednorodzinnymi i wielorodzinnymi, w wypadku których EP L = 0. W pozostałych przypadkach EP L uzależnione jest od zakładanego czasu działania oświetlenia w ciągu roku t o, h/rok, a wartości graniczne zmieniają się tylko raz w 2021 r. W przypadku budynków o różnych funkcjach użytkowych maksymalną wartość wskaźnika EP wyznacza się osobno dla każdej strefy użytkowej. Następnie war-
tość graniczną EP dla całego budynku wyznacza się jako średnią ważoną po powierzchni stref o jednolitej funkcji użytkowej. Izolacyjność cieplna przegród Analogicznie do wartości EP, maksymalne wartości współczynników U zaostrzają wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej w roku 2014, 2017 i 2021 (2019). Przyglądając się wartościom podanym w tabelach 4 i 5, widać, że okresowe zaostrzanie wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej nie dotyczy wszystkich przegród. Ustawodawca zwiększa wymagania związane z izolacyjnością cieplną przegród znacząco wpływających na statyczne straty ciepła przez przenikanie, czyli np. ścian zewnętrznych, dachów i stropodachów w pomieszczeniach ogrzewanych do temperatury ponad 16 C czy okien i drzwi zewnętrznych. Współczynniki przenikania ciepła U C ścian, dachów, stropów i stropodachów dla wszystkich rodzajów budynków mają być obliczane z uwzględnieniem poprawek ze względu na pustki powietrzne w warstwie izolacji, łączniki mechaniczne przechodzące przez całą grubość warstwy izolacji oraz opady na dach o odwróconym układzie warstw, zgodnie z PN dotyczącymi obliczania oporu cieplnego i współczynnika przenikania ciepła oraz przenoszenia ciepła przez grunt, a następnie porównane z U C(max) z tabeli 4. Spełnienie zaostrzonych wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej przegród budowlanych nie musi oznaczać stosowania specjalistycznych, dedykowanych nowym wymaganiom rozwiązań. Obniżone współczynniki U można osiągać, np. zwiększając grubość izolacji w standardowych obecnie rozwiązaniach warstw izolacyjnych. Należy podkreślić, że w myśl obowiązujących WT pomieszczeniem ogrzewanym jest również pomieszczenie, w którym w wyniku bilansu strat i zysków ciepła utrzymywana jest temperatura, której wartość obliczeniowa została podana w warunkach technicznych ( 134, temperatury obliczeniowe pomieszczeń ogrzewanych). Rozszerza to definicję pomieszczenia ogrzewanego, obejmując nie tylko pomieszczenie z urządzeniem grzewczym, ale również każde pomieszczenie, w którym temperatura w warunkach projektowych (obliczeniowych) jest równa lub wyższa od 5 C (najniższa temperatura obliczeniowa w pomieszczeniu ogrzewanym wg WT). Równorzędnej ochronie cieplnej podlegać więc będą również pomieszczenia bez urządzeń grzewczych, definiowane poprzednio jako nieogrzewane, przyległe do pomieszczeń ogrzewanych, ze strony których otrzymują zyski ciepła. W wypadku okien i drzwi również widoczne jest okresowe zaostrzanie wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej, wymuszające stosowanie stolarki okiennej o coraz lepszych właściwościach izolacyjnych (tabela 5). Budynki przebudowywane W budynkach przebudowywanych minimalne wymagania WT uważa się za spełnione, jeżeli przegrody oraz wyposażenie techniczne budynku podlegające 13
przebudowie odpowiadają przynajmniej wymaganiom izolacyjności cieplnej, a okna spełniają warunek powierzchni maksymalnej. Nie obowiązuje ich wymóg nieprzekraczania granicznej wartości EP. Okresowe zaostrzanie wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej przegród i przewodów instalacji wewnętrznych budynku w WT oznacza, że podobnie jak w wypadku nowych budynków, projekt przebudowy budynku może się zdezaktualizować w razie opóźnienia oficjalnego zgłoszenia go do realizacji, szczególnie na przełomie lat 2016/2017, 2018/2019 i 2020/2021. Podsumowanie Aktualne rozporządzenie o WT przewiduje stopniowe zwiększanie wymagań, aż do roku 2021. Spełnienie rosnących wymagań odnośnie do izolacyjności cieplnej nie wymaga wprowadzania nowych technologii i rozwiązań. Stosując standardowe metody, można osiągać niższe współczynniki przenikania ciepła, zwiększając grubość warstwy izolacji cieplnej lub wybierając materiały o lepszych właściwościach izolacyjnych. Oczywiście koszty inwestycyjne spełnienia wymagań WT będą wyższe ze względu na większe zużycie materiałów izolacyjnych i elementów kotwiących czy stosowanie komponentów o lepszych właściwościach izolacyjnych (np. okna lub drzwi). W założeniu ustawodawcy zwiększone koszty inwestycyjne mają się zwrócić dzięki zmniejszeniu kosztów eksploatacji budynku. Dodatkowo obniżenie całkowitego zapotrzebowania na ciepło i chłód pozwala szerzej wykorzystywać odnawialne źródła energii. II. Wentylacja i klimatyzacja W odniesieniu do wentylacji i klimatyzacji rozporządzenie nie przewiduje cyklicznych zmian wymagań. Od 1 stycznia 2014 roku pojawiły się zapisy dotyczące: możliwości stosowania wentylacji hybrydowej, wymogu stosowania wentylatorów o regulowanej wydajności w układach wentylacji hybrydowej, mechanicznej wywiewnej oraz nawiewno-wywiewnej, wymogu stosowania odzysku ciepła w układach wentylacji mechanicznej ogólnej nawiewno-wywiewnej i klimatyzacji komfortu od 500 m 3 /h, wymogu zachowania minimalnego udziału powietrza zewnętrznego w razie zastosowania recyrkulacji, wynikającego jedynie z wymagań higienicznych, ograniczenia maksymalnej dopuszczalnej mocy właściwej wentylatora, wymogu unikania kondensacji pary wodnej na powierzchniach belek chłodzących i chłodzących elementów płaszczyznowych poprzez odpowiedni dobór temperatury zasilania i powrotu czynnika chłodzącego i elementów chłodzących, wymogu stosowania pomp o regulowanych parametrach w obiegach chłodzących i grzewczych instalacji klimatyzacji, 14
ograniczenia rocznego zapotrzebowania budynku na nieodnawialną energię pierwotną do chłodzenia EP C, wymogu szczelności budynków na przenikanie powietrza, przywołania właściwych Polskich Norm. Wentylacja hybrydowa WT dopuszczają stosowanie wentylacji hybrydowej równorzędnie z wentylacją grawitacyjną, tj. wszędzie tam, gdzie zapewnienie odpowiedniej jakości powietrza nie wymaga zastosowania wentylacji mechanicznej wywiewnej lub nawiewno- -wywiewnej, z wykluczeniem budynków wysokich i wysokościowych. W polskim prawie brakuje jednak definicji wentylacji hybrydowej. W ogólnym rozumieniu jest to system wentylacji naturalnej okresowo wspomagany pracą wentylatora. W technice instalacyjnej mianem wentylacji hybrydowej określa się również układy naprzemiennie działającej wentylacji grawitacyjnej i mechanicznej oraz układy wentylacji mechanicznej wspieranej wyporem termicznym i działaniem wiatru w celu obniżenia zużycia energii do napędu wentylatorów. Należy zauważyć, że brak dodatkowych zapisów dotyczących wentylacji hybrydowej oznacza, że w razie jej zastosowania muszą zostać spełnione wszelkie inne wymagania jak dla wentylacji grawitacyjnej, np. odpowiednie przekroje przewodów kominowych do wentylacji, wydajności nawiewników okiennych, kubatury łazienek itd. Wentylacji hybrydowej jako mechanicznej wyciągowej wspomagającej wentylację naturalną nie wolno stosować, gdy w budynku znajdują się paleniska na paliwa stałe, kominki lub gazowe podgrzewacze wody z grawitacyjnym odprowadzaniem spalin. Wentylacji hybrydowej, podobnie jak grawitacyjnej, nie można stosować w pomieszczeniach z instalacją wentylacji mechanicznej lub klimatyzacji pobierającą powietrze z zewnątrz. Wentylatory o regulowanej wydajności Stosowanie wentylatorów o regulowanej wydajności pozwala obniżyć zapotrzebowanie na energię do ich napędu i uzdatniania powietrza oraz umożliwia dostosowanie wydajności urządzenia do aktualnych potrzeb. W WT zapisano wymóg stosowania wentylatorów o regulowanej wydajności we wszystkich układach wentylacji hybrydowej i mechanicznej wywiewnej oraz nawiewno-wywiewnej. Nie sprecyzowano rodzaju tej regulacji i nie określono parametru wiodącego. Z jednej strony jest to zapis nieograniczający możliwych rozwiązań, z drugiej dopuszczający np. regulację ręczną czy podstawową regulację dwustawną według zegara. Intencją ustawodawcy były zapewne układy o płynnie zmieniającej się wydajności w funkcji temperatury, wilgotności, stężenia CO 2, stężenia zanieczyszczeń czy obecności użytkowników. Podczas realizowania tego zapisu projektanci muszą uwzględniać wpływ zmian wydajności wentylatorów na proces odzysku ciepła czy regulację hydrauliczną instalacji oraz ograniczenia technologiczne konkretnych układów sterowania wydajnością wentylatorów. 15
Odzysk ciepła Odzysk ciepła jest podstawowym sposobem ograniczenia zapotrzebowania na ciepło i chłód na potrzeby wentylacji i klimatyzacji. Wymóg stosowania odzysku ciepła obecny jest w WT od samego początku, zmieniała się jedynie graniczna wydajność układu, przy której konieczne jest jego zastosowanie. Aktualna nowelizacja obniża ten próg do 500 m 3 /h (pierwotnie było to 10 000 m 3 /h, następnie 2000 m 3 /h), nakazując stosowanie odzysku ciepła w układach o takiej i wyższej wydajności. Rozporządzenie nie narzuca rozwiązania technicznego realizowania odzysku ciepła, dopuszczając wszelkie znane urządzenia i recyrkulację, gdy jest ona możliwa. Wymagana jest jedynie minimalna sprawność temperaturowa urządzeń do odzysku, wynosząca 50%. Próg wydajności od 500 m 3 /h wprowadza konieczność stosowania odzysku praktycznie we wszystkich układach wentylacji mechanicznej poza domami jednorodzinnymi i małymi układami lokalnymi, których wydajność nie przekracza tej wartości. W wypadku zastosowania recyrkulacji wymagany udział powietrza zewnętrznego zależy jedynie od wymagań higienicznych i nie musi stanowić co najmniej 10-proc. udziału w powietrzu nawiewanym. Pozwala to na ograniczenie zapotrzebowania na energię szczególnie w instalacjach, w których udział powietrza na cele higieniczne stanowił ułamek ogólnego strumienia. Projektanci muszą brać pod uwagę również rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy [4], w którym wymaga się, by w pomieszczeniach pracy przy zastosowaniu wentylacji mechanicznej z recyrkulacją ilość powietrza świeżego nie była mniejsza niż 10% ogólnej ilości wymienianego powietrza. Maksymalna moc właściwa wentylatora Tabela 6. Maksymalna moc właściwa wentylatora [1] Rodzaj i zastosowanie wentylatora Maksymalna moc właściwa wentylatora, kw/(m 3 /s) Wentylator nawiewny: a) instalacja klimatyzacji lub wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła 1,60 b) instalacja wentylacji nawiewno-wywiewnej bez odzysku ciepła oraz instalacja wentylacji nawiewnej 1,25 Wentylator wywiewny: a) instalacja klimatyzacji lub wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła 1,00 b) instalacja wentylacji nawiewno-wywiewnej bez odzysku ciepła oraz instalacja wentylacji nawiewnej 1,00 c) instalacja wywiewna 0,80 Wymagania odnośnie do maksymalnej dopuszczalnej mocy właściwej wentylatorów w kw/(m 3 /s) określają grupę wymagań dla danego wentylatora jako 16
pracującego w instalacji wentylacji mechanicznej lub klimatyzacji z odzyskiem ciepła i bez odzysku ciepła (tabela 6). Ograniczenie maksymalnej mocy właściwej wentylatorów wraz z zapisem o konieczności regulacji ich wydajności ma na celu zmniejszenie zużycia energii elektrycznej do napędu wentylatorów, niejednokrotnie pracujących stale lub przez dużą część roku. Unikanie kondensacji na belkach i płaszczyznach chłodzących WT wymagają unikania kondensacji pary wodnej na powierzchniach belek i płaszczyzn chłodzących poprzez odpowiednie dobranie temperatur zasilania i powrotu czynnika chłodzącego. Doświadczeni projektanci realizują ten postulat od zawsze, wiedząc, że belki chłodzące i płaszczyznowe elementy chłodzące (chłodzenie ścienne, sufitowe czy podłogowe) nie mają technicznej możliwości gromadzenia i odprowadzenia skroplin. Zapis w WT nakazuje takie dobranie temperatury czynnika chłodzącego, aby na powierzchni chłodzącej nie zachodziła kondensacja pary wodnej z powietrza. Projektant musi więc dobierać temperaturę czynnika chłodzącego, nie tylko wodę o temperaturze 6/12 C, uwzględniając warunki temperaturowo-wilgotnościowe w pomieszczeniu (najbardziej niekorzystne lub nadążnie), rodzaj powierzchni wymiennika (np. warstwy hydrofobowe) czy osuszanie w chłodnicy wstępnej tak, żeby stale za pobiegać wykraplaniu się pary wodnej na powierzchniach chłodzących. Regulacja pomp obiegowych Analogicznie jak w wypadku napędu wentylatorów WT narzucają wymóg stosowania regulowanych pomp obiegowych w obiegach chłodzących i grzewczych instalacji klimatyzacji, a ich regulacja powinna odbywać się na podstawie obciążenia cieplnego. Jest to rozwiązanie sprzyjające ograniczeniu zapotrzebowania na energię elektryczną, poprawiające regulację i równoważenie hydrauliczne w rozległych obiegach zasilających wiele dynamicznie pracujących urządzeń. WT nie precyzują rozwiązania technicznego, a tym samym nie ograniczają inwencji projektanta. Szczelność na przenikanie powietrza WT wymagają zapewnienia odpowiedniej szczelności na przenikanie powietrza w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej i produkcyjnych. Oprócz złącz między przegrodami, częściami przegród i oknami wymaganie całkowitej szczelności dotyczy również przejść elementów instalacji przez przegrody zewnętrzne (np. kanały wentylacyjne). Wymaga to projektowania i stosowania dedykowanych rozwiązań uszczelnień elastycznych we wszystkich wymienionych rodzajach budynków. Zgodnie z zapisami rozporządzenia wymaga się stosowania stolarki okiennej o szczelności odpowiadającej 3. klasie szczelności w budynkach niskich, średniowysokich i wysokich oraz 4. klasie szczelności w budynkach wysokościowych. Rozporządzenie zaleca, aby każdy budynek mieszkalny, zamieszkania zbiorowe- 17
go, użyteczności publicznej i produkcyjny został poddany próbie szczelności n 50 po zakończeniu budowy. III. Możliwość spełnienia wymagań EP W środowisku branżowym wciąż trwa dyskusja dotycząca trendu zmian wymagań w warunkach (WT) oraz sposobów spełnienia nowych wymagań. Obiegowe opinie mówią o konieczności stosowania izolacji cieplnych o ogromnych grubościach, drogich energooszczędnych okien i wysokosprawnych systemów wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, co i tak ponoć nie gwarantuje spełnienia wyśrubowanych wymagań nowych WT. Jak jest naprawdę? Izolacyjność przegród budowlanych Na przykładzie warstwowych ścian zewnętrznych o typowych konstrukcjach wyznaczono grubości izolacji cieplnej wymagane w celu spełnia wymagań U max WT z 2008 roku (ozn. WT 2008) oraz U C(max) według WT z 2013 roku z uwzględnieniem okresowego zaostrzania wymagań w 2014, 2017 i 2021 roku (ozn. WT 2014, WT 2017 i WT 2021). Przewidziano izolację ze styropianu (λ = 0,04) ułożonego szczelnie, bez nieszczelności i łączników mechanicznych przechodzących przez całą grubość izolacji. Wymagane grubości izolacji określono z dokładnością do 1 cm, bez korekty do dostępnego asortymentu handlowego (tabela 7). Ściany są obustronnie otynkowane. Tabela 7. Grubości izolacji ze styropianu dla warstwowych ścian zewnętrznych spełniające wymagania dotychczasowych i znowelizowanych WT Materiał części nośnej ściany zewnętrznej Wg WT 2008 0,30 W/m 2 K Wartość graniczna U C(max) Wg WT 2014 0,25 W/m 2 K Wg WT 2017 0,23 W/m 2 K Wg WT 2021 0,20 W/m 2 K Ytong 24 cm (λ = 0,12) 0,06 m 0,08 m +2 cm 0,10 m +4 cm 0,12 m +6 cm Beton komórkowy 24 cm (λ = 0,30) 0,09 m 0,12 m +3 cm 0,13 m +4 cm 0,16 m +7 cm Pustak ceramiczny maks. 22 cm (λ = 0,44) 0,11 m 0,13 m +2 cm 0,15 m +4 cm 0,17 m +6 cm Silka E24 24 cm (λ = 0,55) 0,11 m 0,13 m +2 cm 0,15 m +4 cm 0,17 m +6 cm Cegła dziurawka 24 cm (λ = 0,62) 0,11 m 0,14 m +3 cm 0,15 m +4 cm 0,18 m +7 cm Wymagane grubości izolacji cieplnej zwiększają się wraz ze spadkiem wartości granicznej U C(max) wymaganej w kolejnych standardach WT. W porównaniu do wymagań WT z 2008 roku przyrosty grubości izolacji wynoszą 2 3 cm dla 18
WT 2014, 4 cm dla WT 2017 i 6 7 cm dla WT 2021 (tabela 7). Nie są to wartości astronomiczne warstwa izolacji do 18 cm styropianu. Warstwy tej grubości były stosowane już wcześniej przez świadomych projektantów i inwestorów. Analogiczne analizy można wykonać dla każdej przegrody i okaże się, że zmiany U C(max) w WT są możliwe do spełnienia przy zastosowaniu dotychczasowych materiałów i rozwiązań. Zestawienie granicznych U C(max) dla charakterystycznych przegród budowlanych wyraźnie uwidacznia trend zwiększania wymagań odnośnie do izolacyjności cieplnej (tabela 8). Szczególny nacisk ustawodawca położył na zwiększenie izolacyjności cieplnej dachów i stropodachów (z 0,25 do 0,15 W/m 2 K, redukcja o 40%), ścian zewnętrznych (z 0,30 do 0,20 W/m 2 K, redukcja o 33%) i stolarki okiennej (np. okna z 1,7 do 0,9 W/m 2 K, redukcja o 47%). Tabela 8. Graniczne maksymalne wartości współczynnika przenikania ciepła U wybranych przegród budowlanych budynku jednorodzinnego Wartość graniczna U C(max), W/m 2 K Wg WT 2008 Wg WT 2014 Wg WT 2017 Wg WT 2021 Ściana zewnętrzna 0,30 0,25 0,23 0,20 Podłoga na gruncie 0,45 0,30 0,30 0,30 Dach, stropodach i strop pod poddaszem nieogrzewanym 0,25 0,20 0,18 0,15 Okna pionowe 1,7 1,8 * 1,3 1,1 0,9 Okna połaciowe 1,8 1,5 1,3 1,1 Drzwi zewnętrzne 2,6 1,7 1,5 1,3 * zależnie od strefy klimatycznej Spełnienie wymagań EP Wskaźnik EP jest obok U C(max) drugim kryterium spełniania wymagań WT przez budynek. Jest on wartością złożoną i zależną od dużej liczby czynników. Wyrażony w kwh/m 2 rok związany jest z zaopatrzeniem w energię i eksploatacją budynku w skali całego roku. Wskaźnik EP obejmuje potrzeby energetyczne budynków związane z zapotrzebowaniem na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia. Wszystkie one podlegają kompleksowej ocenie i analizie w procesie projektowania budynku lub np. jego przebudowy, wpływając na wynik końcowy w postaci wskaźnika EP. Rozporządzenie o WT przewiduje, podobnie jak w wypadku U C(max), etapowe zaostrzanie wymagań odnośnie do rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną (tabela 9). Obliczeniowo roczne zapotrzebowanie energii pierwotnej (EP) uzależnione jest od zapotrzebowania energii końcowej i rodzaju zużywanego paliwa lub nośnika energii opisanych współczynnikiem nakładu nieodnawialnej energii 19
pierwotnej w i. Na roczne zapotrzebowanie energii końcowej (EK) ma wpływ zapotrzebowanie energii użytkowej i sprawność η tot zastosowanych systemów wyposażenia technicznego budynku (rys. 1). Roczne zapotrzebowanie energii użytkowej (EU) uzależnione jest od lokalizacji, przeznaczenia i charakterystyki energetycznej bryły budynku. Tabela 9. Graniczny wskaźnik rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia dla domów jednorodzinnych EP, kwh/m 2 rok Rodzaj budynku EP wg WT 2008 EP wg WT 2014 EP wg WT 2017 EP wg WT 2021 Dom jednorodzinny 73 + ΔEP W 120 95 70 * do 149,5 + ΔEP W * zależnie do A/V e i przygotowania c.w.u. Rys. 1. Energia użytkowa, końcowa i pierwotna w budynku Istnieją trzy podstawowe drogi obniżania wskaźnika EP budynku w celu spełnienia wymagań WT: zwiększenie izolacyjności cieplnej przegród i szczelności powietrznej budynku w celu obniżenia rocznego zapotrzebowania na energię użytkową (wskaźnik EU, kwh/m 2 rok), a tym samym nieodnawialną pierwotną, stosowanie urządzeń i systemów cieplno -wentylacyjnych o wysokiej sprawności w celu obniżenia rocznego zapotrzebowania na energię końcową (wskaźnik EK, kwh/m 2 rok), a tym samym nieodnawialną pierwotną, zastosowanie źródeł energii o niskim współczynniku nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej w i na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii do budynku w celu obniżenia rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię końcową (wskaźnik EP, kwh/m 2 rok). Wybór oraz właściwe zastosowanie rozwiązań obniżających wskaźnik EP budynku wymaga rzetelnej wiedzy inżynierskiej popartej znajomością stosowanych materiałów i technologii. Należy pamiętać, że określone rozwiązania ograniczające zapotrzebowanie na energię użytkową wymagają np. zasilania energią pomocniczą, co w niekorzystnych warunkach może zerować wynik energetyczny 20
zastosowania danego urządzenia lub instalacji. Konieczne jest każdorazowe wykonywanie rachunku opłacalności ekonomicznej analizowanego rozwiązania. Analiza obliczeniowa W celu sprawdzenia możliwości spełnienia rosnących wymagań WT i trudności temu towarzyszących dokonano wariantowej analizy na przykładzie trzech rodzajów budynków jednorodzinnych: parterowy budynek wolnostojący o powierzchni 86 m 2 z nieużytkowym poddaszem (ozn. Bud 1), dwukondygnacyjny budynek wolnostojący o powierzchni 172 m 2 z nie użytkowym poddaszem (Bud 2), dwukondygnacyjny budynek w zabudowie szeregowej o powierzchni 172 m 2 i z nieużytkowym poddaszem (Bud 3). W analizie każdy z powyższych rodzajów rozpatrzono w czterech standardach energetycznych zgodnych z zaostrzającymi się okresowo wymaganiami WT. Bryła każdego typu budynku obliczeniowo spełnia wymagania izolacyjności cieplnej i szczelności powietrznej według wymagań poprzednich, nieobowiązujących już WT z roku 2008, według obecnie obowiązującego standardu WT 2014 oraz dwóch standardów, które dopiero będą obowiązywały od roku 2017 i do roku 2021. Tabela 10. Sprawności wytwarzania ciepła w źródłach [5] Źródło energii Sprawność c.o. Sprawność c.w.u. Kondensacyjny kocioł gazowy 0,97 0,88 Kocioł na biomasę 0,72 0,71 Kolektor słoneczny termiczny 0,20 Pompa ciepła glikol/woda 3,50 3,20 Tabela 11. Współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej w i na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii do budynku [5] Nośnik energii Gaz ziemny 1,1 Biomasa 0,2 Kolektor słoneczny termiczny 0,0 Energia elektryczna produkcja mieszana 3,0 Wszystkie budynki zlokalizowane są w II strefie klimatycznej, w rejonie stacji meteorologicznej Wrocław. Rozwiązania konstrukcyjne zapewniają wymagane wskaźniki izolacyjności cieplnej przegród budowlanych U (według tabeli 8) oraz szczelność powietrzną n 50 = 2,0 1/h w wypadku wentylacji naturalnej i n 50 = 0,6 1/h w wypadku wentylacji mechanicznej z rekuperacją. Dla każdego rodzaju budynku wyznaczono wskaźnik EP w pięciu następujących wariantach wyposażenia instalacyjnego: w i 21
1. źródło ciepła w postaci gazowego dwufunkcyjnego kotła kondensacyjnego, wentylacja naturalna, 2. źródło ciepła w postaci pompy ciepła glikol/woda, zasobnikowy system c.w.u., wentylacja naturalna, 3. źródło ciepła w postaci pompy ciepła glikol/woda, zasobnikowy system c.w.u., wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła, 4. źródło ciepła w postaci gazowego dwufunkcyjnego kotła kondensacyjnego, zasobnikowy system c.w.u. wspomagany kolektorami słonecznymi (60% energii w skali roku), wentylacja naturalna, 5. źródło ciepła w postaci nowoczesnego kotła na biomasę, zasobnikowy system c.w.u., wentylacja naturalna. Wariant 1 to rozwiązanie bazowe w analizie, które jest bardzo często wybierane przez projektantów i inwestorów. Budynek ocieplony jest zgodnie ze standardami WT, ogrzewanie zapewnia instalacja wodna zasilana gazowym kotłem kondensacyjnym dwufunkcyjnym z przepływowym przygotowaniem c.w.u., w budynku występuje wentylacja grawitacyjna. Nośnikiem energii jest gaz ziemny (współczynnik nakładu w i = 1,1). W wariancie 2 zastąpiono kocioł pompą ciepła typu glikol/woda z gruntowym wymiennikiem ciepła. Zwiększono przez to sprawność systemu i udział energii odnawialnej. Zmiana źródła ciepła wymaga wprowadzenia zasobnikowego systemu przygotowania c.w.u., tym samym dodatkowej pompy ładującej zasobnik, a nośnikiem energii staje się energia elektryczna (współczynnik nakładu w i = 3,0). Wariant 3 jest próbą obniżenia zapotrzebowania na energię użytkową przez zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła przy zachowaniu wyposażenia instalacyjnego z wariantu 2. Wentylacja mechaniczna odzyskuje energię z powietrza wywiewanego, wymagając zasilania energią elektryczną (współczynnik nakładu w i = 3,0) jednak bilans energetyczny tej zmiany jest dodatni. Zwiększono również szczelność powietrzną budynku n 50 z dotychczasowego poziomu 2,0 do 0,6 1/h. Wariant 4 jest próbą zwiększenia udziału energii odnawialnej przez zastosowanie w budynku z wariantu 1 układu solarnego wspomagającego przygotowanie c.w.u. Kolektory słoneczne pokrywają 60% rocznego zapotrzebowania na ciepło (współczynnik nakładu w i = 0), wymagają wprowadzenia zasobnika c.w.u. i zużycia dodatkowej energii elektrycznej (współczynnik nakładu w i = 3,0) do zasilania układu automatycznej regulacji, pompy solarnej i pompy ładującej zasobnik z kotła gazowego. Ostatni wariant 5 jest kopią wariantu 1 z zastąpieniem kotła kondensacyjnego nowoczesnym kotłem na biomasę (współczynnik nakładu w i = 0,2), np. kocioł na pelety z automatycznym podajnikiem paliwa. Kocioł zasila centralne ogrzewanie i zasobnik c.w.u. z dodatkową pompą ładującą. 22
Tabela 12. Wskaźniki określające zapotrzebowanie budynku na energię użytkową EU, końcową EK oraz nieodnawialną pierwotną EP do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej, kwh/m 2 rok Wariant Rodzaj went. Źródło ciepła n 50 1/h Wg WT 2008 Wg WT 2014 Wg WT 2017 Wg WT 2021 EU EK EP EP WT EU EK EP EP WT EU EK EP EP WT EU EK EP EP WT Budynek 1: Parterowy dom jednorodzinny, 86 m 2, A/V e = 0,76 Bud 1.1 nat. k.kond. 2,0 157 173 201 126 140 165 120 118 132 156 108 122 144 Bud 1.2 nat. PC g/w 2,0 156 53 159 126 43 129 118 41 122 108 39 118 Bud 1.3 rekup. PC g/w 0,6 132 48 146 148 102 39 119 94 35 106 95 85 34 104 70 Bud 1.4 nat. k.kond.+sol. 2,0 157 271 181 126 238 145 118 230 135 108 352 123 Bud 1.5 nat. biomasa 2,0 157 229 62 126 13 54 118 182 52 108 168 49 Budynek 2: Piętrowy dom wolnostojący, 172 m 2, A/V e = 0,41 Bud 2.1 nat. k.kond. 2 122 136 160 102 114 136 120 96 109 129 89 101 121 Bud 2.2 nat. PC g/w 2 122 43 131 102 37 112 96 35 107 89 33 101 Bud 2.3 rekup. PC g/w 0,6 98 38 115 117 83 33 101 78 32 97 95 66 26 80 70 Bud 2.4 nat. k.kond.+sol. 2 122 234 138 102 213 116 96 207 108 89 200 100 Bud 2.5 nat. biomasa 2 122 178 51 102 158 46 96 142 42 89 140 42 Budynek 3: Piętrowy dom w zabudowie szeregowej, 172 m 2, A/V e = 0,20 Bud 3.1 nat. k.kond. 2 102 116 137 87 100 119 120 83 95 114 77 89 107 Bud 3.2 nat. PC g/w 2 102 37 113 87 33 100 83 32 96 77 30 91 Bud 3.3 rekup. PC g/w 0,6 80 33 99 106 66 28 86 66 28 86 95 57 26 78 70 Bud 3.4 nat. k.kond.+sol. 2 102 214 117 87 197 97 83 193 92 77 187 87 Bud 3.5 nat. biomasa 2 102 160 47 87 138 41 83 132 40 77 124 38 23
Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 12. Poszczególnym wariantom obliczeniowym nadano oznaczenia łączące rodzaj budynku i wariant instalacyjny, np. Bud 1.2 oznacza budynek 1. rodzaju (parterowy) w wariancie 2 (pompa ciepła, zasobnik c.w.u., wentylacja naturalna). Dla każdego wariantu wyznaczono wskaźnik rocznego zapotrzebowania na energię użytkową EU, końcową EK, nieodnawialną pierwotną EP oraz wartość graniczną EP WT określoną standardem warunków technicznych z lat 2008, 2014, 2017 i 2021. W tabeli kolorem czarnym zaznaczono warianty spełniające wymagania WT, a szarym bliskie wartościom granicznym, gdzie możliwe są korekty ulepszające. Mały dom z poddaszem nieużytkowym Analizie energetycznej poddano mały, a przez to tani w budowie czy zakupie, parterowy dom wolnostojący o powierzchni 86 m 2 z nieużytkowym poddaszem (współczynnik kształtu A/V e = 0,76). Budynki takie cieszą się sporym zainteresowaniem inwestorów, stanowiąc bezpośrednią alternatywę dla mieszkania w mieście. Budynek ten z zasady nie należy do energooszczędnych (bryła i A/V e ), co widać w wynikach obliczeń. W podstawowym wariancie (Bud 1.1) budynek nigdy nie spełnia wymagań WT, mimo że jego przegrody budowlane spełniają wymóg U C(max). Pierwsze spełnienie warunku EP WT występuje po zastosowaniu pompy ciepła i wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, ale tylko dla WT 2008 i 2014. Wynika to z dość wysokiego poziomu EP WT granicznego (120 kwh/m 2 rok), który łatwo osiągnąć. Ten sam wariant, mimo zwiększania izolacyjności cieplnej przegród, nie spełnia już ostrzejszych wymagań EP WT wg WT 2017 i 2021. Bud 1: EP wg WT 2008 250 200 150 100 50 0 EP = 148 201 159 146 181 62 1. K.kond. 2. PC 3. PC 4. K.kond. +rekup. +solar 5. Biomasa Bud 1: EP wg WT 2014 250 200 150 100 50 0 EP = 120 165 129 119 145 54 1. K.kond. 2. PC 3. PC 4. K.kond. +rekup. +solar 5. Biomasa Bud 1: EP wg WT 2017 Bud 1: EP wg WT 2021 250 250 200 150 100 50 0 156 122 106 135 52 1. K.kond. 2. PC 3. PC 4. K.kond. +rekup. +solar EP =95 5. Biomasa 200 150 100 EP =70 50 144 118 104 123 49 0 1. K.kond. 2. PC 3. PC 4. K.kond. 5. +rekup. +solar Biomasa Rys. 2. Zestawienie wymaganych i osiągniętych wskaźników EP budynku 1 (parterowy) w standardzie WT 2008, 2014, 2017 i 2021 24
Bud 2: EP wg WT 2008 Bud 2: EP wg WT 2014 250 250 200 150 100 50 0 200 150 100 50 0 EP = 117 160 131 115 138 51 1. K.kond. 2. PC 3. PC 4. K.kond. +rekup. +solar 5. Biomasa EP =95 129 107 97 108 42 200 150 100 50 0 EP = 120 136 112 101 116 46 1. K.kond. 2. PC 3. PC 4. K.kond. +rekup. +solar Bud 2: EP wg WT 2017 Bud 2: EP wg WT 2021 250 250 1. K.kond. 2. PC 3. PC 4. K.kond. +rekup. +solar 5. Biomasa 200 150 100 50 0 5. Biomasa EP =70 121 101 80 100 42 1. K.kond. 2. PC 3. PC 4. K.kond. +rekup. +solar 5. Biomasa Rys. 3. Zestawienie wymaganych i osiągniętych wskaźników EP budynku 2 (piętrowy) w standardzie WT 2008, 2014, 2017 i 2021 Spełnienie warunku EP WT, niezależnie od standardu WT, osiągnięto po zastosowaniu kotła na biomasę. Niski współczynnik nakładu energii nieodnawialnej (w i = 0,2) przy całkowitym pokryciu potrzeb cieplnych z biomasy pozwala osiągnąć wskaźnik EP dużo niższy niż wymagany warunkami technicznymi. Zastosowanie kotła na biomasę w świetle metodologii wyznaczania EP jest lepsze niż zastosowanie pomp ciepła czy kolektorów słonecznych. Bud 3: EP wg WT 2008 Bud 3: EP wg WT 2014 250 250 200 150 100 50 0 1. K.kond. 2. PC 3. PC 4. K.kond. +rekup. +solar EP = 106 137 113 99 117 47 5. Biomasa 200 150 100 50 0 1. K.kond. 2. PC 3. PC 4. K.kond. +rekup. +solar EP = 120 119 100 86 97 41 5. Biomasa Bud 3: EP wg WT2017 250 200 150 100 50 0 114 96 86 92 40 1. K.kond. 2. PC 3. PC 4. K.kond. +rekup. +solar EP =95 5. Biomasa Bud 3: EP wg WT2021 250 200 150 100 50 0 107 91 78 87 38 1. K.kond. 2. PC 3. PC 4. K.kond. +rekup. +solar EP =70 5. Biomasa Rys. 4. Zestawienie wymaganych i osiągniętych wskaźników EP budynku 3 (piętrowy szeregowy) w standardzie WT 2008, 2014, 2017 i 2021 25
Duży dom za miastem Analogicznej analizie poddano duży budynek wolnostojący dwukondygnacyjny o powierzchni 172 m 2 z nieużytkowym poddaszem (współczynnik kształtu A/ V e = 0,41). W porównaniu do poprzedniego budynku cechuje go większe zapotrzebowanie na energię, lecz zwarta bryła powoduje, że jednostkowe wskaźniki energochłonności (EU, EK i EP) są tu niższe niż poprzednio. Budynek dwukondygnacyjny spełnia wymagania EP WT w tych samych wariantach co budynek parterowy oraz dodatkowo w standardzie WT 2014 i 2017. Podobnie jak w wypadku poprzedniego budynku źródło ciepła na biomasę jest obliczeniowo najlepszym rozwiązaniem. Dwukondygnacyjny budynek szeregowy Trzecim analizowanym wariantem jest dwukondygnacyjny budynek w zabudowie szeregowej, analogiczny do poprzednio opisywanego budynku wolnostojącego. Zabudowa szeregowa zwiększa możliwość spełnienia EP WT, szczególnie gdy wskaźnik graniczny EP WT nie zależy już od współczynnika kształtu (WT 2014, 2017 i 2021). Mimo ograniczonych statycznych strat ciepła budynek w podstawowym wyposażeniu instalacyjnym spełni wymagania tylko według WT 2014. Zastosowanie pompy ciepła, wentylacji mechanicznej, układu solarnego c.w.u. i kotła na biomasę daje analogiczne wyniki jak w wypadku dwóch poprzednich budynków. Podsumowanie Rozporządzenie o WT okresowo zaostrza wymagania odnośnie do energooszczędności i izolacyjności cieplnej budynków. Nie jest to proces skończony nastąpi dalsze ich zaostrzanie. Opisane w WT wymagania szczegółowo dotyczą obudowy cieplnej budynku, a tylko pośrednio systemów ogrzewania, wentylacji, c.w.u. i chłodzenia. Zapewnia to projektantom dużą swobodę w rozwiązaniach instalacyjnych w celu realizacji postulatu ograniczenia zapotrzebowania energii pierwotnej w budynkach. Jak wykazują obliczenia, samo spełnienie minimalnych wymagań WT odnośnie do izolacyjności budynku nie gwarantuje spełnienia warunku EP, nawet z wentylacją mechaniczną z odzyskiem ciepła. Rosnące wymagania sprawiają, że rozwiązania skuteczne w standardzie WT 2014 czy 2017 stają się niewystarczające w odniesieniu do wymagań WT 2021. Oczywiście w sprzyjających warunkach możliwe jest spełnienie warunków WT odnośnie do EP nawet przy zastosowaniu zamierzchłych z dzisiejszego punktu widzenia rozwiązań instalacyjnych. We współczesnym i przyszłym projektowaniu budynków ogromnego znaczenia nabiera wybór źródła ciepła i chłodu, najlepiej o wysokiej sprawności, z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii oraz paliwa o niskim nakładzie energii pierwotnej. W spełnieniu warunku EP pomaga zastosowanie układów solarnych (termicznych i PV) do wspomagania lub współzasilania wysokosprawnych źródeł ciepła i chłodu. 26
Pojawia się konieczność projektowania zintegrowanego, łącznie budynku i jego wyposażenia instalacyjnego, obejmującego energooszczędne rozwiązania w bryle budynku i nowoczesne rozwiązania w zakresie źródeł energii, instalacji, odbiorników i systemów automatycznej regulacji. Widoczny jest wzrost zapotrzebowania na eksperckie usługi audytorskie i projektowe oraz wykonawstwo na odpowiednio wysokim poziomie. Rachunkowo najatrakcyjniejsze są źródła ciepła o niskim współczynniku nakładu energii odnawialnej w i (biomasa, energia słoneczna, PV) oraz o wysokiej sprawności wytwarzania ciepła (pompy ciepła). Niestety ich zastosowanie nie zawsze idzie w parze z możliwościami finansowymi i wymaganiami inwestora. Literatura 1. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2013, poz. 926). 2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002 nr 75, poz. 690, z późn. zm.). 3. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (wersja przekształcona; DzU UE L 153 z 18.06.2010 r.). 4. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy (DzU nr 129/1997, poz. 844, z późn. zm.). 5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU nr 201/2008, poz. 1240). 27
dr inż. Adrian Trząski Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska IV. Wymagania dla budynków po 2020 roku a rozwiązania konwencjonalne i OZE przykłady obliczeniowe Przepisy dotyczące efektywności energetycznej budynków są konstruowane w taki sposób, żeby zachęcić inwestorów nie tylko do stosowania przegród i stolarki o wysokiej izolacyjności oraz do odzysku energii, ale również do wykorzystania odnawialnych źródeł energii, a także skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Zapisy dotyczące efektywności energetycznej budynków określone w znowelizowanych warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (WT) [1], obowiązujące od 1 stycznia 2014 r. zakładają stopniowe zaostrzanie wymagań dotyczących ochrony cieplnej oraz efektywności energetycznej wykorzystywanych w budynkach instalacji. Zgodnie z nowelizacją budynek musi spełniać zarówno wymagania szczegółowe (dotyczące parametrów wykorzystywanych komponentów budowlanych), jak i całościowe (dotyczące zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną). W przypadku wymagań szczegółowych zadanie projektanta jest stosunkowo proste i polega na wybraniu lub zaprojektowaniu komponentów spełniających wymagania określone w WT, przy czym obliczenia temu towarzyszące sprowadzają się zwykle do rozwiązania stosunkowo prostych równań. Problemów przysparzać może natomiast spełnienie wymagań dotyczących zapotrzebowania na energię pierwotną budynku. Ze względu na znacznie bardziej złożony proces obliczeniowy wybór rozwiązań pozwalających na osiągnięcie odpowiednio niskiego zapotrzebowania na energię pierwotną wymaga rzetelnej wiedzy inżynierskiej obejmującej znajomość dostępnych technologii, z uwzględnieniem zarówno korzyści, jak i kosztów wynikających z ich wykorzystania. Analiza obliczeniowa W celu przeanalizowania możliwości spełnienia przyszłych wymagań obowiązujących w budownictwie mieszkaniowym obliczono zapotrzebowanie na energię dla przykładowego, wykonanego zgodnie z wymaganiami szczegółowymi budynku wielorodzinnego: liczba kondygnacji nadziemnych 6, budynek podpiwniczony, powierzchnia ogrzewana 6000 m 2, kubatura ogrzewana 16 200 m 3, liczba mieszkańców 240 osób, liczba mieszkań 70, strumień powietrza wentylacyjnego 6480 m 3 /h, 28
rodzaj wentylacji naturalna, źródło ciepła centralny kocioł niskotemperaturowy, sprawność instalacji c.o. 0,80, sprawność instalacji c.w.u. 0,52, lokalizacja Warszawa. Przeprowadzone obliczenia (tabela 1) potwierdziły, że wypełnienie wymagań szczegółowych określonych w WT nie gwarantuje spełnienia wymagania dotyczącego wskaźnika EP. Wymagana przepisami wartość EP 65 kwh/m 2 została przekroczona o ponad 20 kwh/m 2 i pozwoliłaby jedynie na spełnienie wymogów obowiązujących w latach 2014 2016. Oznacza to, że aby budynek spełnił ten warunek, konieczne jest wprowadzenie w projekcie istotnych zmian. Przy obecnym zużyciu energii powinniśmy zatem ograniczyć zapotrzebowanie na energię pierwotną o przeszło 20 kwh/m 2. Najłatwiej będzie to osiągnąć, działając w obszarach, gdzie zużycie jest obecnie największe. Analizując strukturę zużycia energii (rys. 1), można zauważyć, że większość związana jest z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej. Niestety ze względu na brak możliwości wykazania ograniczenia zużycia ciepłej wody w budynku (np. poprzez zastosowanie wodooszczędnych baterii) ograniczenie energochłonności możliwe jest jedynie dzięki zwiększeniu sprawności jej wytwarzania i przesyłu. Rys. 1. Struktura zużycia energii pierwotnej (a) oraz strat ciepła (b) w analizowanym budynku W przypadku ogrzewania i wentylacji większość strat ciepła wiąże się z przygotowaniem powietrza wentylacyjnego. Straty ciepła przez przenikanie stanowią łącznie niespełna 30% całkowitej wartości strat, co w wyraźny sposób ogranicza możliwości związane z ich zmniejszeniem poprzez poprawę izolacyjności przegród. W celu zidentyfikowania potencjału ograniczenia zużycia energii pierwotnej oraz możliwości osiągnięcia wymaganego poziomu wskaźnika EP przy wykorzystaniu rozwiązań konwencjonalnych dla przedstawionego budynku obliczono ten wskaźnik dla sześciu wariantów. Wariant 1: poprawa izolacyjności cieplnej przegród nieprzezroczystych budynku W celu ograniczenia strat ciepła w wariancie 1 zaproponowano zwiększenie grubości warstwy izolacyjnej, tak aby osiągnięty współczynnik przenikania cie- 29
pła przegrody budynku był dwukrotnie niższy niż wartość wymagana zgodnie z WT obowiązującymi od 1 stycznia 2021 r. W zależności od rodzaju przegrody wymagana do osiągnięcia założonej wartości współczynnika U dodatkowa grubość izolacji wynosiła od 20 do niemal 30 cm, w wyniku czego całkowita grubość warstwy izolacyjnej dla dachu wyniosła ponad pół metra (tabela 2). Pozostałe parametry budynku pozostały bez zmian. Łączny koszt usprawnień oszacowany został na 95 000 zł. W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do poziomu 80,1 W/(m 2 K) (tabela 3), a zatem 5,7 kwh/(m 2 K), co jest niewystarczające do spełnienia wymagań WT 2021. Tabela 1. Zapotrzebowanie energetyczne dla budynku spełniającego szczegółowe wymagania WT 2021 Ogrzewanie i wentylacja Jednostka EU EK EP 17,9 22,3 24,5 Ciepła woda 24,1 46,0 50,6 kwh/m 2 Urządzenia pomocnicze 3,6 3,6 10,7 Suma 45,6 71,9 85,8 Tabela 2. Wymagane oraz osiągnięte wartości współczynnika przenikania ciepła przegród nieprzezroczystych Przegroda Współczynnik przenikania ciepła przegrody U, W/(m 2 K) zgodnie z WT 2021 osiągnięty Zastosowana izolacja *), cm Ściany zewnętrzne 0,20 0,10 38 (18) Dach (stropodach) 0,15 0,75 54 (26) Strop nad piwnicą/garażem 0,25 0,12 30 (14) *) wartości w nawiasach odnoszą się do wariantu bazowego Tabela 3. Zapotrzebowanie energetyczne dla budynku po poprawie izolacyjności przegród Jednostka EU EK EP Ogrzewanie i wentylacja 13,9 17,3 19 Ciepła woda 24,1 46 50,6 kwh/m 2 Urządzenia pomocnicze 3,5 3,5 10,5 Suma 41,5 66,8 80,1 Wariant 2: poprawa izolacyjności cieplnej okien W celu ograniczenia strat ciepła w wariancie 2 zaproponowano zmianę okien o wymaganym w WT 2021 współczynniku przenikania ciepła U = 0,9 W/(m 2 K) 30
na jedne z najlepszych dostępnych na rynku o współczynniku U = 0,5 W/(m 2 K). W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do 82,0 W/(m 2 K) (tabela 4), a zatem o 3,8 kwh/(m 2 K), co jest niewystarczające do spełnienia wymagań WT 2021. Łączny dodatkowy koszt zastosowania okien o wyższej izolacyjności oszacowano na 135 000 zł. Tabela 4. Zapotrzebowanie energetyczne dla budynku po poprawie izolacyjności okien Jednostka EU EK EP Ogrzewanie i wentylacja 15,2 18,9 20,8 Ciepła woda 24,1 46 50,6 kwh/m 2 Urządzenia pomocnicze 3,5 3,5 10,6 Suma 42,8 68,4 82,0 Wariant 3: zastosowanie odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego oraz obniżenie strumienia powietrza w nocy W celu obniżenia strat ciepła związanych z powietrzem wentylacyjnym w wariancie 3 zaproponowano zastąpienie instalacji wentylacyjnej naturalnej instalacją wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła o sprawności nominalnej 95% (średnia w sezonie 65,5%). Dodatkowo w obliczeniach przyjęto, że system wentylacji będzie pozwalał na redukcję podstawowego strumienia powietrza wentylacyjnego w nocy do poziomu 5670 m 3 /h. W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do 74,3 W/(m 2 K) (tabela 5), a zatem o 11,5 kwh/(m 2 K), co jest niewystarczające do spełnienia wymagań WT 2021. Stosunkowo niewielka redukcja zapotrzebowania na energię pierwotną wynika z towarzyszącego spadkowi zapotrzebowania na ciepło wzrostu zapotrzebowania na energię pomocniczą do zasilania wentylatorów w centrali wentylacyjnej. Tabela 5. Zapotrzebowanie energetyczne dla budynku po zastosowaniu odzysku ciepła Ogrzewanie i wentylacja Jednostka EU EK EP 4,1 5,1 5,7 Ciepła woda 24,1 46 50,6 kwh/m 2 Urządzenia pomocnicze 6,0 6,0 18,0 Suma 37,7 61,5 74,3 Wykorzystanie odzysku ciepła w budynku wielorodzinnym wymaga zastosowania skomplikowanej instalacji centralnej lub indywidualnych central wentylacyjnych dla poszczególnych mieszkań. Łączny koszt usprawnienia przy założeniu zastosowania mieszkaniowych central wentylacyjnych został oszacowany na 650 000 zł. 31
Wariant 4: poprawa sprawności instalacji c.o. i c.w.u. poprzez zastosowanie ogrzewania mieszkaniowego W celu zmniejszenia zapotrzebowania na energię końcową w wariancie 4 zaproponowano poprawę sprawności instalacji c.o. poprzez zastąpienie centralnej instalacji grzewczej ogrzewaniem mieszkaniowym z gazowym kotłem kondensacyjnym. Ponadto zaproponowano usprawnienie systemu regulacji dzięki zastosowaniu zaworów termostatycznych z funkcjami adaptacyjną i optymalizującą. Rozwiązania te umożliwiły zwiększenie sprawności systemu grzewczego h co z 0,80 do 0,87. Dodatkową korzyścią jest w tym wariancie wzrost sprawności przygotowania c.w.u. h cwu wynikający ze skrócenia obiegów cyrkulacyjnych z 0,52 do 0,58. W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do 79 W/(m 2 K) (tabela 6), a zatem o 6,8 kwh/(m 2 K), co nie wystarcza do spełnienia wymagań WT 2021. Tabela 6. Zapotrzebowanie energetyczne dla budynku po poprawie sprawności instalacji grzewczej Jednostka EU EK EP Ogrzewanie i wentylacja 17,9 20,5 22,5 Ciepła woda 24,1 41,7 45,8 kwh/m 2 Urządzenia pomocnicze 3,6 3,6 10,7 Suma 45,6 65,8 79,0 W przypadku zastąpienia jednego centralnego źródła indywidualnymi źródłami ciepła dla poszczególnych mieszkań znacząco rosną nakłady inwestycyjne ze względu na efekt skali. Jeden duży kocioł kosztuje znacznie mniej niż kilkadziesiąt mniejszych zapewniających taką samą moc grzewczą, podobnie nakłady na wykonanie oddzielnych kanałów spalinowych dla poszczególnych mieszkań będą znacznie wyższe niż na wykonanie jednego komina dla centralnego źródła ciepła. Ponadto wymagana będzie adaptacja instalacji gazowej, tak by doprowadzić gaz do każdego mieszkania. Uwzględniając te aspekty, łączny dodatkowy koszt usprawnień został oszacowany na 740 000 zł. Wariant 5: poprawa sprawności instalacji c.w.u. poprzez zastosowanie miejscowych podgrzewaczy przepływowych W przypadku instalacji ciepłej wody w celu wyeliminowania strat ciepła na przesyle oraz magazynowaniu zaproponowano zastąpienie centralnego systemu przygotowania c.w. miejscowymi gazowymi podgrzewaczami przepływowymi bezpośrednio przy punktach poboru. Rozwiązanie to pozwoliło na zwiększenie sprawności systemu przygotowania c.w.u. h cwu z 0,52 do 0,85. W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do 66,4 W/(m 2 K) (tabela 7), a zatem o 6,8 kwh/(m 2 K), co jest niewystarczające do spełnienia wymagań WT 2021. 32
Tabela 7. Zapotrzebowanie energetyczne dla budynku po poprawie sprawności instalacji c.w.u. Jednostka EU EK EP Ogrzewanie i wentylacja 17,9 22,3 24,5 Ciepła woda 24,1 28,3 31,2 kwh/m 2 Urządzenia pomocnicze 3,6 3,6 10,7 Suma 45,6 54,2 66,4 Podobnie jak w przypadku instalacji c.o., zastąpienie jednego centralnego źródła indywidualnymi źródłami ciepła dla poszczególnych mieszkań znacznie zwiększa nakłady inwestycyjne. Przyjmując, że łazienka sąsiaduje bezpośrednio z kuchnią, można się ograniczyć do instalacji po jednym podgrzewaczu w mieszkaniu. Przy takim założeniu łączny dodatkowy koszt usprawnień (z uwzględnieniem konieczności wykonania dodatkowych kanałów spalinowych i podłączeń gazowych) został oszacowany na 320 000 zł. Wariant 6: połączenie rozwiązań z wariantów 1 5 Ponieważ żaden z wariantów 1 5 nie pozwolił na spełnienie wymaganego poziomu wskaźnika EP, w wariancie 6 rozpatrzono modyfikację projektu obejmującą jednoczesną realizację części z rozwiązań w nich zaproponowanych. Żeby wybrać optymalny zakres usprawnień, warianty uszeregowano, posługując się wskaźnikiem nakładów jednostkowych (tabela 8). Wskaźnik ten obliczono jako stosunek nakładów inwestycyjnych do osiągniętej redukcji wskaźnika EP w odniesieniu do wariantu bazowego. Następnie jako optymalny wybrano zakres działań pozwalający na osiągnięcie wymaganego poziomu EP jak najniższym kosztem (tabela 9). Tabela 8. Warianty usprawnień uszeregowane zgodnie z rosnącym wskaźnikiem nakładów jednostkowych Nakład EP DEP Koszt Wariant jednostkowy kwh/m 2 kwh/m 2 zł zł/(kwh/m 2 ) Bazowy 85,8 Zastosowanie podgrzewaczy przepływowych 66,4 19,4 320 000 16 495 Poprawa izolacyjności przegród 80,1 5,7 95 000 16 667 Poprawa izolacyjności okien 82.0 3,8 135 000 35 526 Zastosowanie odzysku ciepła 74,3 11,5 650 000 100 000 Zastosowanie ogrzewania mieszkaniowego 79,0 6,8 740 000 108 824 33
Tabela 9. Zakresy modyfikacji projektu oraz odpowiadające im wartości EP 34 Zakres modyfikacji EP DEP Koszt Nakład jednostkowy kwh/m 2 kwh/m 2 zł zł/(kwh/m 2 ) Bazowy 85,8 Zastosowanie podgrzewaczy przepływowych 66,4 19,4 320 000 16 495 Jw. + poprawa izolacyjności przegród 60,8 25,0 415 000 16 600 Jw. + poprawa izolacyjności okien 57,1 28,7 550 000 19 164 Jw. + zastosowanie odzysku ciepła 49,1 36,7 1 200 000 32 698 Jw. + zastosowanie ogrzewania mieszkaniowego 48,6 37,2 1 940 000 52 151 Dla analizowanego budynku wymagany od 1 stycznia 2021 r. poziom EP można osiągnąć najniższym kosztem poprzez modyfikację systemu przygotowania c.w.u. połączoną z poprawą izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych. Biorąc pod uwagę przyjętą w obliczeniach dwukrotną redukcję współczynnika U, cel ten można by osiągnąć niższym kosztem przy zastosowaniu mniejszej grubości izolacji lub zaizolowaniu jedynie części przegród. Podsumowanie i wnioski Zgodnie wynikami przeprowadzonej analizy osiągnięcie określonego w WT 2021 wskaźnika EP jedynie dzięki poprawie izolacyjności cieplnej przegród jest praktycznie niemożliwe. Również zastosowanie wentylacji mechanicznej z wysokosprawnym odzyskiem ciepła nie gwarantuje spełnienia warunku EP. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest charakterystyka zapotrzebowania na energię w analizowanym budynku mieszkalnym, w którym dominującą rolę odgrywa zapotrzebowanie na c.w.u., wynoszące niemal 60% bilansu energetycznego (rys. 1). Z tego względu osiągnięcie wymaganego poziomu EP bez modyfikacji źródła ciepła jest praktycznie niewykonalne. Jeżeli usprawnienie jedynie systemu przygotowania c.w.u. jest niewystarczające, konieczne jest podjęcie dodatkowych działań zwiększających nakłady inwestycyjne. Koszt wymaganych usprawnień może ponadto znacznie odbiegać od kosztów przedstawionych w analizie. Przykładowo przy znacznej odległości kuchni od łazienki zastosowanie wspólnego podgrzewacza bezpośrednio przy punkcie poboru może nie być możliwe i konieczne byłoby zastosowanie dwóch lub więcej podgrzewaczy w każdym mieszkaniu, co w praktyce przekładałoby się na podwojenie ponoszonych nakładów. Należy ponadto zwrócić uwagę na aspekty pozaekonomiczne wprowadzanych usprawnień. Wiele z omawianych rozwiązań wiąże się ze zmniejszaniem przestrzeni użytkowej. Zastosowanie ogrzewania mieszkaniowego lub przepływowych podgrzewaczy wody wymaga wygospodarowania w przestrzeni mieszkalnej miejsca nie tylko na samo urządzenie, ale również na system odprowadzania spalin, doprowadzania powietrza do spalania oraz wentylację pomieszczenia. Podobnie w przypadku zastosowania odzysku ciepła konieczne jest wygospodarowanie
przestrzeni na centralę oraz kanały wentylacyjne. Poprawa izolacyjności przegród również może skutkować zmniejszeniem powierzchni mieszkania. Przy zachowaniu tej samej powierzchni zabudowy zwiększenie grubości izolacji o 10 cm w mieszkaniu o obrysie ścian zewnętrznych równym 10 m skutkować będzie zmniejszeniem powierzchni użytkowej o 1 m 2. Analizując powyższe problemy, można dojść do wniosku, że przepisy dotyczące efektywności energetycznej budynków są skonstruowane w taki sposób, iż spełnienie wymagań za pomocą rozwiązań konwencjonalnych mimo poniesienia znaczących nakładów inwestycyjnych może być bardzo trudne, a czasami wręcz niemożliwe. Jest to celowy zabieg mający zachęcić inwestorów do wykorzystania w budynkach alternatywnych źródeł energii, w tym źródeł odnawialnych, pomp ciepła oraz skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. To, czy będzie on skuteczny, zależy od tego, które z rozwiązań umożliwi spełnienie wymagań niższym kosztem. W obliczu ograniczonych możliwości konwencjonalnych rozwiązań należy zadać pytanie, czy uznawane dotąd często za kosztowne rozwiązania polegające na wykorzystaniu alternatywnych źródeł energii nie pozwolą na osiągnięcie korzystniejszego bilansu ekonomicznego. Żeby odpowiedzieć na to pytanie, przeanalizowano kolejne pięć wariantów zaopatrzenia budynku w energię ze źródeł odnawialnych. Wariant 7: zastosowanie kotła opalanego biomasą W wariancie tym zaproponowano zastąpienie niskotemperaturowego kotła gazowego o mocy 150 kw automatycznym kotłem na biomasę zasilanym pelletem, o tej samej mocy. Ze względu na niski współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej (dla biomasy w i = 0,2) zastąpienie kotła gazowego (w i = 1,1) jednostką opalaną biomasą powinno przynieść znaczną redukcję wskaźnika EP. Kocioł tego typu charakteryzuje się jednak niższą średniosezonową sprawnością wytwarzania ciepła, powodując obniżenie sprawności systemu grzewczego z poziomu h c.o. = 0,80 do h c.o. = 0,72 oraz systemu przygotowania c.w.u. z poziomu h c.w.u. = 0,52 do h c.w.u. = 0,38 (tabela 10). Tabela 10. Wpływ zastosowania kotła na biomasę na sprawność systemu c.o. i c.w.u. Źródła ciepła Parametr kocioł gazowy kocioł na biomasę Sprawność wytwarzania ciepła na potrzeby c.o. 0,94 0,85 Sprawność instalacji c.o. 0,85 Całkowita sprawność systemu c.o. 0,80 0,72 Sprawność wytwarzania ciepła na potrzeby c.w.u. 0,88 0,72 Sprawność instalacji c.w.u. 0,59 Całkowita sprawność systemu c.w.u. 0,52 0,38 35
W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do poziomu 28,2 kwh/(m 2 K) (tabela 11), co jest wartością przeszło dwukrotnie niższą niż wartość EP wymagana zgodnie z WT 2021. Zastosowanie tego rodzaju źródła ciepła praktycznie gwarantuje osiągnięcie wymaganego poziomu EP. Tabela 11. Zapotrzebowanie energetyczne dla budynku po zastąpieniu kotła gazowego kotłem na biomasę Jednostka EU EK EP Ogrzewanie i wentylacja kwh/m 2 17,9 24,7 4,95 Ciepła woda kwh/m 2 24,1 62,7 12,55 Urządzenia pomocnicze kwh/m 2 3,6 3,6 10,7 Suma kwh/m 2 45,6 91,1 28,2 W przypadku budynku nowo wznoszonego różnica w nakładach inwestycyjnych wynika z kosztów wykonania poszczególnych systemów grzewczych. W analizowanym przypadku, ze względu na brak istotnej ingerencji w pozostałe elementy systemu, koszt ten to różnica w cenie zakupu i instalacji kotła gazowego oraz opalanego biomasą oszacowana na 31 000 zł. W przypadku wymiany źródła ciepła nie można ponadto zapominać o jego wpływie na wysokość nakładów eksploatacyjnych wynikających z kosztów samego paliwa oraz serwisowania i obsługi poszczególnych rozwiązań. Przyjmując cenę pelletu na poziomie 800 zł/t, cena paliwa w odniesieniu do jednostki energii (tj. ok. 0,152 zł/kwh) jest niższa niż w przypadku gazu (ok. 0,173 zł/kwh). Biorąc jednak pod uwagę wyższe zużycie energii końcowej, przekłada się to w istotny sposób na wysokość nakładów eksploatacyjnych w analizowanym przypadku daje wzrost o 10 941 zł/rok. Wariant 8: zastosowanie pompy ciepła W wariancie tym zaproponowano zastąpienie niskotemperaturowego kotła gazowego o mocy 150 kw gruntową pompą ciepła (tzn. typu solanka/woda). Ze względu na wysoką wydajność grzewczą pompy ciepła (SPF rzędu 3,0 4,0) zastąpienie nią kotła gazowego (sprawność 0,88 0,94) powinno przynieść znaczną redukcję wskaźnika zapotrzebowania na energię końcową. W celu uzyskania tak wysokiej efektywności pompa ciepła wymaga jednak współpracy z niskotemperaturową instalacją grzewczą charakteryzującą się wyższymi nakładami inwestycyjnymi. W analizowanym wariancie zastosowanie pompy ciepła charakteryzującej się wartością SPF = 4,0 przy pracy na cele grzewcze pozwoliło na zwiększenie sprawności systemu grzewczego z poziomu h c.o. = 0,80 do h c.o. = 3,40. W przypadku systemu przygotowania c.w.u. SPF = 3,0 pozwoliło na zwiększenie sprawności systemu z h c.w.u. = 0,52 do h c.w.u. = 1,77 (tabela 12). 36
Tabela 12. Wpływ zastosowania pompy ciepła na sprawność systemu c.o. i c.w.u. Źródła ciepła Parametr kocioł gazowy pompa ciepła Sprawność wytwarzania ciepła na potrzeby c.o. 0,94 4,0 Sprawność instalacji c.o. 0,85 Całkowita sprawność systemu c.o. 0,80 3,4 Sprawność wytwarzania ciepła na potrzeby c.w.u 0,88 3,5 Sprawność instalacji c.w.u. 0,59 Całkowita sprawność systemu c.w.u. 0,52 1,77 W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do poziomu 67,7 W/(m 2 K) (tabela 13), czyli o 18,1 kwh/(m 2 K), co jest niewystarczające do spełnienia wymagań WT 2021. Zastosowanie tego rodzaju źródła ciepła nie gwarantuje zatem osiągnięcia wymaganego poziomu EP. Znaczna redukcja zapotrzebowania na energię pierwotną w stosunku do wariantu bazowego pozwala jednak przypuszczać, że jego osiągnięcie będzie możliwe poprzez zastosowanie niezbyt kosztownych działań konwencjonalnych (np. docieplenie przegród). Tabela 13. Zapotrzebowanie energetyczne dla budynku po zastąpieniu kotła gazowego pompą ciepła Jednostka EU EK EP Ogrzewanie i wentylacja kwh/m 2 17,9 5,3 15,8 Ciepła woda kwh/m 2 24,1 13,6 40,8 Urządzenia pomocnicze kwh/m 2 3,7 3,7 11,1 Suma kwh/m 2 45,7 22,6 67,7 Koszt zastosowania pompy ciepła, podobnie jak w przypadku kotła opalanego biomasą, wyrazić można jako różnicę w nakładach inwestycyjnych w stosunku do systemu opartego na kotle gazowym. W analizowanym przypadku koszt ten, obejmujący różnicę w cenie zakupu i instalacji kotła gazowego oraz pompy ciepła (z uwzględnieniem kosztu wykonania wymiennika gruntowego oraz ogrzewania podłogowego), został oszacowany na 340 000 zł. Wpływ wymiany źródła ciepła na wysokość nakładów eksploatacyjnych wynikających z kosztów samego paliwa oraz serwisowania i obsługi poszczególnych rozwiązań określono, przyjmując cenę energii elektrycznej do zasilania pompy ciepła na poziomie 0,538 zł/kwh oraz cenę gazu 0,173 zł/kwh. Biorąc pod uwagę znacznie niższe zużycie energii końcowej, przekłada się to w istotny sposób na wysokość nakładów eksploatacyjnych w analizowanym przypadku daje spadek o 26 344 zł/rok. 37
Wariant 9: zastosowanie kolektorów słonecznych W wariancie tym zaproponowano zastosowanie cieczowych kolektorów słonecznych do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Zastosowanie 265 m 2 kolektorów pozwala na pokrycie 45% zapotrzebowania na ciepło do przygotowania c.w.u., wiąże się jednak z większym zużyciem energii pomocniczej wymaganej do napędu pomp obiegowych. W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do poziomu 65,0 W/(m 2 K) (tabela 14), a zatem o 20,8 kwh/(m 2 K), co jest wystarczające do spełnienia wymagań WT 2021. Ze względu na duży udział c.w.u. w bilansie energetycznym budynku zastosowanie kolektorów słonecznych praktycznie gwarantuje osiągnięcie wymaganego poziomu EP, należy się jednak liczyć z tym, że może to wymagać zastosowania instalacji pokrywającej w odpowiednio dużym stopniu zapotrzebowanie na ciepło, co będzie w znaczący sposób wpływało na efektywność ekonomiczną inwestycji. Tabela 14. Zapotrzebowanie energetyczne dla budynku po zastosowaniu kolektorów słonecznych Jednostka EU EK EP Ogrzewanie i wentylacja kwh/m 2 17,9 23,4 25,7 Ciepła woda kwh/m 2 24,1 25,3 27,83 Urządzenia pomocnicze kwh/m 2 3,9 3,9 11,5 Suma kwh/m 2 45,9 52,6 65,0 Koszt instalacji kolektorów słonecznych, obejmujący same kolektory, zasobniki solarne (o łącznej objętości 10 m 3 ), pompy obiegowe oraz pozostały wymagany osprzęt, oszacowano na 530 000 zł. Korzyścią w tym przypadku będzie ograniczenie kosztów związanych z zakupem gazu do przygotowania c.w.u., co przy założonej cenie energii (0,173 zł/kwh) pozwoli na obniżenie kosztów eksploatacyjnych o 38 821 zł/rok. Wariant 10: zastosowanie ogniw PV W wariancie tym zaproponowano zastosowanie ogniw fotowoltaicznych do produkcji energii elektrycznej w budynku. Problemem w przypadku wykorzystania ogniw fotowoltaicznych jest wykazanie ograniczenia zużycia energii pierwotnej w charakterystyce energetycznej budynku. Metodologia obliczania świadectw charakterystyki energetycznej budynków określa wprawdzie wartość współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla energii słonecznej w i = 0, jednak w przypadku budynków mieszkalnych zużycie energii elektrycznej na cele bytowe (tj. m.in. oświetlenie) nie wchodzi w skład bilansu zapotrzebowania na energię w budynku. Oznacza to, że w przypadku produkcji energii elektrycznej za pomocą ogniw fotowoltaicznych maksymalna możliwa do wykazania korzyść z zastosowania ogniw wynika z wartości zapotrzebowania na energię elektryczną wykorzystywaną do realizacji zapotrzebowania na ciepło (energia pomocnicza lub systemy ogrzewania elektrycznego). 38
Wykorzystanie energii elektrycznej do ogrzewania (np. do przygotowania c.w.u.) w sytuacji gdy dysponujemy kotłem gazowym, jest mało efektywne ekonomicznie ze względu na stosunkowo niski koszt gazu. Z tego względu w analizowanym przypadku zdecydowano się na wzięcie pod uwagę instalacji PV umożliwiającej wyprodukowanie energii elektrycznej pozwalającej na pokrycie w 100% zapotrzebowania na energię elektryczną do napędu urządzeń pomocniczych w instalacji c.o. i c.w.u. (czyli 22,2 MWh/rok). Żeby wyprodukować taką ilość energii elektrycznej, w lokalizacji, w której ma powstać analizowany budynek (tj. w Warszawie), powinniśmy dysponować instalacją PV o mocy 27 kw p. Ze względu na charakterystykę produkcji energii elektrycznej, nieodpowiadającą charakterystyce występowania zapotrzebowania na energię do napędu urządzeń pomocniczych, nie będzie oczywiście możliwe zużycie wyprodukowanej energii w 100% w założonym celu. Jednak biorąc pod uwagę całkowity bilans energetyczny analizowanego budynku (którego zapotrzebowanie na energię elektryczną będzie wielokrotnie przewyższało produkcję z ogniw fotowoltaicznych), energia ta będzie mogła być wykorzystana na bieżąco do realizacji pozostałych potrzeb, a w razie potrzeby sprzedana do sieci elektroenergetycznej. Rozwiązanie takie pozwoli na wykorzystanie w 100% wyprodukowanej energii elektrycznej. Zgodnie z przyjętymi założeniami w wyniku wykorzystania energii elektrycznej wyprodukowanej za pomocą ogniw współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do poziomu 70,9 W/(m 2 K) (tabela 15), a zatem o 10,7 kwh/(m 2 K), co jest niewystarczające do spełnienia wymagań WT 2021. Zastosowanie wymaganej mocy ogniw fotowoltaicznych będzie się wiązało z poniesieniem nakładów inwestycyjnych związanych z instalacją samych ogniw, jak również pozostałych elementów systemu (takich jak układ sterowania oraz regulacji napięcia, inwerter). W analizowanym przypadku koszt ten został oszacowany na 277 000 zł. Korzyścią w tym przypadku będzie ograniczenie kosztów związanych z zakupem energii elektrycznej, co przy założonej cenie energii (0,538 zł/kwh) pozwoli na obniżenie kosztów eksploatacyjnych o 11 933 zł/rok. Tabela 15. Zapotrzebowanie energetyczne dla budynku po zastosowaniu ogniw PV Jednostka EU EK EP Ogrzewanie i wentylacja kwh/m 2 25,5 26 28,6 Ciepła woda kwh/m 2 24,1 38,5 42,3 Urządzenia pomocnicze kwh/m 2 3,6 3,6 10,7 Suma kwh/m 2 53,3 68,2 70,9 Wariant 11: zastosowanie układu CHP W wariancie tym zaproponowano rozwiązanie polegające na zastosowaniu układu skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła (CHP) mikrobloku kogeneracyjnego z gazowym silnikiem tłokowym. 39
Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej pozwala na ograniczenie zużycia energii pierwotnej dzięki ograniczeniu jej strat związanych z rozdzieloną produkcją energii elektrycznej w konwencjonalnych elektrowniach. Korzyści z wyższej sprawności wykorzystania energii zawartej w paliwie w przypadku źródeł skojarzonych przypisywane są w całości wyprodukowanemu ciepłu, w postaci niższego współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla wyprodukowanego ciepła. Współczynnik ten, w przypadku ciepła wytwarzanego w układzie skojarzonym zasilanym paliwem gazowym, można obliczyć na podstawie zależności: 40 w ichp, = w Q w E gaz gaz el gdzie: w gaz współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla gazu; Q gaz zużycie gazu, kwh; w el współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla energii elektrycznej; E ilość wyprodukowanej energii elektrycznej, kwh; Q ilość wyprodukowanej energii cieplnej, kwh. Żeby system tego typu działał z optymalną efektywnością, potrzebne jest możliwie stałe zapotrzebowanie na ciepło. Ze względu na zmienną charakterystykę zapotrzebowania na moc grzewczą do ogrzewania pomieszczeń w ciągu roku wielkość jednostki kogeneracyjnej określa się zwykle na podstawie minimalnego dobowego zapotrzebowania na ciepło odpowiadającego zazwyczaj zapotrzebowaniu na c.w.u. Pozostała część zapotrzebowania na ciepło oraz moc grzewczą realizowana jest wówczas za pośrednictwem źródła konwencjonalnego. Ponadto ze względu na wymagane okresy serwisowania urządzeń oraz możliwość wystąpienia przerw w produkcji ciepła spowodowanych awarią przyjmuje się, że szczytowe źródło ciepła powinno pokryć całkowite zapotrzebowanie na obliczeniową moc grzewczą. W analizowanym przypadku przyjęto zastosowanie układu kogeneracyjnego opartego na gazowym silniku tłokowym, o mocy elektrycznej 20 kw e, oraz odpowiadającej jej mocy cieplnej 36 kw t. Nominalna sprawność wytwarzania bloku kogeneracyjnego wynosi odpowiednio 32% w przypadku wytwarzania energii elektrycznej oraz 58% przy produkcji ciepła. Jako szczytowe źródło przyjęto zastosowanie kotła gazowego z wariantu podstawowego. Zaproponowany układ pozwala na wyprodukowanie 201 MWh/rok ciepła oraz 111 MWh/rok energii elektrycznej w skojarzeniu, pozostałe 51 MWh/rok ciepła dostarczane jest przez szczytowy kocioł gazowy, a zatem współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej będzie wynosił: 201+ 111 51 1,1 + 3 111 0,58+ 0,32 0,80 w i,chp = = 0,47 252 Q
Uwzględniając tę wielkość, współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do poziomu 56,4 W/(m 2 K) (tabela 16), a zatem o 29,4 kwh/(m 2 K), co jest wystarczające do spełnienia wymagań WT 2021. Oznacza to, że przy znaczącym udziale zapotrzebowania na ciepło na potrzeby przygotowania c.w.u. zastosowanie układu CHP praktycznie gwarantuje osiągnięcie wymaganego poziomu EP. Tabela 16. Zapotrzebowanie energetyczne dla budynku po zastosowaniu układu CHP Jednostka EU EK EP Ogrzewanie i wentylacja kwh/m 2 17,9 26,8 12,6 Ciepła woda kwh/m 2 24,1 70,3 33,1 Urządzenia pomocnicze kwh/m 2 3,6 3,6 10,7 Suma kwh/m 2 45,6 100,8 56,4 W analizowanym przypadku wariant bazowy z kotłem gazowym został uzupełniony o mikroblok kogeneracyjny o mocy 20 kwe. Instalacja samego układu kogeneracyjnego, jak również pozostałych elementów systemu, takich jak układ sterowania oraz regulacji napięcia, oznacza dodatkowe nakłady inwestycyjne. Koszt ten został oszacowany na 300 000 zł. Jak widać na podstawie przeprowadzonych obliczeń, ze względu na produkcję energii elektrycznej wzrośnie wyraźnie zużycie energii końcowej (tj. gazu). Koszty większego zużycia gazu powinny być jednak zrekompensowane przez niższe koszty związane z zakupem energii elektrycznej i/lub przychody ze sprzedaży tej energii do sieci elektroenergetycznej. Przyjmując model prosumencki, dla celów niniejszej analizy założono cenę sprzedaży energii elektrycznej równą cenie kupna (0,538 zł/kwh). Dla takich założeń roczny przychód ze sprzedaży energii elektrycznej wynosi 59 718 zł/rok, podczas gdy koszt dodatkowego zużycia gazu to 29 947 zł/rok, co oznacza roczny zysk na poziomie 29 771 zł/rok. Porównanie rozwiązań konwencjonalnych i alternatywnych źródeł energii W ramach podsumowania analizy porównano efektywność zaprezentowanych rozwiązań wykorzystujących alternatywne źródła energii oraz przedstawionych wcześniej rozwiązań konwencjonalnych. Porównania dokonano na podstawie dwóch kryteriów ekonomicznych: minimalizacji nakładów inwestycyjnych, minimalizacji kosztów w cyklu życia obiektu. Minimalizacja nakładów inwestycyjnych odzwierciedla tzw. podejście deweloperskie, w którym dąży się do zrealizowania inwestycji spełniającej wymagania formalne jak najniższym kosztem, co pozwala na zaoferowanie mieszkań w konkurencyjnej cenie. Minimalizacja kosztów w cyklu życia (suma nakładów inwestycyjnych oraz zdyskontowanych kosztów eksploatacyjnych w okresie 41
użytkowania) odzwierciedla z kolei podejście użytkownika końcowego, dążącego do nabycia w atrakcyjnej cenie mieszkania o stosunkowo niskich kosztach utrzymania. Zgodnie z wynikami analizy dotyczącej rozwiązań konwencjonalnych, wymagany od 1 stycznia 2021 r. poziom EP można osiągnąć najniższym kosztem poprzez modyfikację systemu przygotowania c.w.u. (zastosowanie podgrzewaczy przepływowych) połączoną z poprawą izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych (tabela 17). Tabela 17. Zakresy modyfikacji projektu oraz odpowiadające im wartości EP w przypadku zastosowania rozwiązań konwencjonalnych Nakład EP DEP Koszt Lp. Zakres modyfikacji jednostkowy kwh/m 2 kwh/m 2 zł zł/(kwh/m 2 ) 1. bazowy 85,8 2. zastosowanie podgrzewaczy przepływowych 66,4 19,4 320 000 16 495 3. jw. + poprawa izolacyjności przegród 60,8 25,0 415 000 16 600 4. jw. + poprawa izolacyjności okien 57,1 28,7 550 000 19 164 5. jw. + zastosowanie odzysku ciepła 49,1 36,7 1 200 000 32 698 6. jw. + zastosowanie ogrzewania mieszkaniowego 48,6 37,2 1 940 000 52 151 Jak widać, wybrany jako optymalny zakres działań konwencjonalnych pozwolił na redukcję wskaźnika EP o 4,2 kwh/m 2 poniżej wartości wymaganej przepisami. Oznacza to, że cel ten można by osiągnąć niższym kosztem przy zastosowaniu mniejszej grubości izolacji. Z tego względu w niniejszej analizie jako optymalny zakres działań konwencjonalnych przyjęto wariant, w którym dodatkowa grubość zastosowanej izolacji (oraz odpowiadające jej nakłady inwestycyjne) zostały zmniejszone tak, aby osiągnąć EP = 65 kwh/m 2 jak najniższym kosztem. Ostatecznie koszt zastosowania dodatkowej izolacji (tabela 18) został oszacowany na 23 750 zł. Tabela 18. Wymagane oraz osiągnięte wartości współczynnika przenikania ciepła przegród nieprzezroczystych przyjęte do analizy porównawczej Przegroda Współczynnik przenikania ciepła przegrody U, W/m 2 K zgodnie z WT 2021 osiągnięty Zastosowana izolacja *), cm Ściany zewnętrzne 0,20 0,18 24 (18) Dach (stropodach) 0,15 0,13 35 (26) Strop nad piwnicą/garażem 0,25 0,22 18 (14) *) wartości w nawiasach odnoszą się do wariantu bazowego 42
Pozostałe założenia (tj. zastąpienie centralnego systemu przygotowania ciepłej wody miejscowymi gazowymi podgrzewaczami przepływowymi bezpośrednio przy punktach poboru pozwalające na zwiększenie sprawności systemu przygotowania c.w.u. z poziomu h c.w.u. = 0,52 do h c.w.u. = 0,85) pozostały bez zmian. Łączny koszt usprawnień został oszacowany na 343 750 zł. Przy zastosowaniu podgrzewaczy gazowych należy pamiętać o konieczności wykonywania okresowych przeglądów podgrzewaczy oraz kominiarskich, z tego względu, mimo znacznych oszczędności w zapotrzebowaniu na energię końcową, oszczędności oszacowano na 7590 zł/rok. Analizując wysokość nakładów inwestycyjnych dla poszczególnych wariantów (tabela 19), zauważymy, że wymagany poziom EP = 65 kwh/(m 2 rok) można osiągnąć najniższym kosztem poprzez zastosowanie kotła na biomasę. Dla analizowanego budynku wysokość dodatkowych nakładów inwestycyjnych, związanych z zastąpieniem kotła gazowego jednostką na pellet, wynosi 31 000 zł, co jest wielkością przeszło dziesięciokrotnie niższą niż przy zastosowaniu rozwiązań konwencjonalnych. Należy tutaj jednak zwrócić uwagę na fakt, że rozwiązanie to skutkuje wyraźnym wzrostem kosztów eksploatacyjnych (10 941 zł/rok). Ponadto zastosowanie źródła ciepła zasilanego paliwem stałym, jakim jest pellet, wymaga wygospodarowania w budynku przestrzeni do składowania paliwa, a sam kocioł mimo automatyzacji procesu podawania paliwa może wymagać okresowych prac obsługowych oraz serwisowych zwiększających dodatkowo koszty eksploatacyjne. Tabela 19. Nakłady inwestycyjne oraz koszty eksploatacyjne dla poszczególnych wariantów (KE koszty eksploatacyjne) Nakłady EP DEP Lp. Wariant inwestycyjne KE DKE kwh/m 2 kwh/m 2 zł zł/rok zł/rok 1. Bazowy 85,8 82 516 2. Rozwiązania konwencjonalne 65,0 20,8 343 750 74 926 7 590 3. 4. 5. 6. 7. Zastosowanie kotła na biomasę Zastosowanie pompy ciepła Zastosowanie kolektorów słonecznych Zastosowanie ogniw PV Zastosowanie układu CHP 28,2 57,6 31 000 93 457 10 941 67,7 18,1 340 000 56 172 26 344 65,0 20,8 530 000 43 695 38 821 70,9 14,9 277 000 70 583 11 933 56,4 29,4 300 000 52 745 29 771 43
Z tego względu warte rozważenia mogą być następne w kolejności rozwiązania. Spośród zaprezentowanych rozwiązań alternatywnych wymagany poziom EP pozwoliło osiągnąć jedynie zastosowanie kogeneracji oraz kolektorów słonecznych. W przypadku układu CHP należy jednak pamiętać o występujących okresowo kosztach serwisowych związanych z przeglądami oraz remontami bloku kogeneracyjnego. Trwałość silników spalinowych wynosi zwykle ok. 50 000 h, co odpowiada okresowi 5 6 lat eksploatacji, po tym czasie silnik powinien zostać wymieniony lub poddany generalnemu remontowi. Koszt ten wynosi zazwyczaj od 30 do ok. 50% ceny nowego bloku. W przypadku kolektorów słonecznych wysokość nakładów inwestycyjnych (530 000 zł) znacznie przewyższa nakłady związane z zastosowaniem rozwiązań konwencjonalnych, pozwala jednak na osiągnięcie wyższych oszczędności. Mimo że zastosowanie pompy ciepła nie pozwoliło na spełnienie wymagań WT, rozwiązanie to jest dość interesujące, gdyż osiągnięcie wymaganego EP będzie najprawdopodobniej możliwe stosunkowo niewielkim kosztem, np. poprzez docieplenie przegród zewnętrznych lub zastosowanie ogniw PV. Podstawowym problemem może być tu jednak dostępność terenu na potrzeby gruntowego wymiennika ciepła. W przypadku analizowanego budynku osiągnięcie wymaganego poziomu EP jedynie poprzez zastosowanie ogniw PV nie jest możliwe. Dzięki dużej elastyczności przy określaniu mocy zainstalowanych urządzeń mogą one jednak stanowić element uzupełniający przy zastosowaniu innych rozwiązań. W celu obliczenia kosztów w cyklu życia na potrzeby niniejszej analizy przyjęto 15-letni okres życia oraz stopę dyskonta na poziomie 3% w skali roku. Ponadto dane dotyczące nakładów inwestycyjnych oraz rocznych kosztów eksploatacyjnych zostały uzupełnione o występujące okresowo, w przypadku niektórych źródeł wariantów, koszty związane z serwisowaniem urządzeń. W ramach występujących kosztów okresowych uwzględniono: koszt wymiany podajnika ślimakowego w kotle na pellet 5000 zł co 2 lata, koszt wymiany glikolu w instalacji kolektorów słonecznych 10 000 zł co 5 lat, koszt remontu kapitalnego silnika w układzie CHP 90 000 zł co 5 lat. Analizując wysokość kosztów w cyklu życia dla poszczególnych rozwiązań, można zauważyć, że niższy poziom nakładów inwestycyjnych nie gwarantuje osiągnięcia korzystniejszego bilansu ekonomicznego w dłuższym okresie. Znamienne jest, że najtańsze inwestycyjnie rozwiązanie polegające na zastosowaniu kotła opalanego biomasą charakteryzuje się jednym z najwyższych LCC spośród analizowanych wariantów (rys. 2). Przeprowadzona analiza potwierdziła ponadto, że osiągnięcie określonego w WT 2021 wskaźnika EP dzięki wykorzystaniu alternatywnych źródeł energii może być bardziej efektywne ekonomicznie niż przy zastosowaniu rozwiązań konwencjonalnych. 44
1400 1200 1000 LCC, tys. zł 800 600 400 200 0 bazowy konwencjonalne biomasa pompa ciepła kolektory PV CHP nakłady inwestycyjne koszty eksploatacyjne Rys. 2. Porównanie kosztów w cyklu życia dla analizowanych rozwiązań Podsumowanie i wnioski Charakterystyka zapotrzebowania na energię w analizowanym budynku mieszkalnym, w którym dominującą rolę odgrywa zapotrzebowanie na c.w.u. wynoszące niemal 60% bilansu energetycznego, sprawia, że osiągnięcie wymaganego poziomu EP bez modyfikacji źródła ciepła jest praktycznie niewykonalne. Jak widać na podstawie przeprowadzonej analizy, zastosowanie alternatywnych źródeł energii może być korzystniejsze od rozwiązań konwencjonalnych, zarówno pod względem wysokości nakładów inwestycyjnych, jak i kosztów w cyklu życia. Potwierdza to zatem, że poziom wymagań określony w WT 2021 może sprzyjać rozpowszechnieniu wykorzystania alternatywnych źródeł energii w budynkach. Sytuacja taka wymaga jednak od projektanta rzetelnej wiedzy inżynierskiej obejmującej znajomość dostępnych technologii, z uwzględnieniem zarówno korzyści, jak i kosztów wynikających z ich wykorzystania. Nie bez znaczenia są tutaj ponadto aspekty trudne do wyrażenia w rachunku ekonomicznym. Wiele z omawianych rozwiązań wiąże się nierozerwalnie ze stratą przestrzeni użytkowej, którą należy przeznaczyć np. na dodatkowe urządzenia, zarówno w przypadku rozwiązań konwencjonalnych, jak i tych opartych na alternatywnych źródłach energii. Literatura 1. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2013, poz. 926). 2. Żurawski J., Panek A., Analiza wymagań energetycznych w projekcie zmiany rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, Konferencja Izolacje, Warszawa 2013. 45
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 3 czerwca 2014 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2014, poz. 888). 4. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU z 1994 r. nr 89, poz. 414, z późn. zm.). 5. PN-EN ISO 13790:2009 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia. 46
V. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.) wybrane fragmenty Tekst jednolity Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. (DzU 2015, poz. 1422). 47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65