Kompleksowa termomodernizacja budynku WBiIŚ Cz. 2. Plan inwestycji z analizą potencjału efektów termomodernizacji

Wybór przedsięwzięć termomodernizacyjnych

Analiza dostępnej dokumentacji projektowej oraz ocena aktualnego stanu technicznego budynku WBiIŚ [1], szczegółowo opisana w poprzednim numerze RI [6], pozwoliła wytypować możliwe do przeprowadzenia zabiegi termomodernizacyjne. Jako kryteria kwalifikujące zabieg do realizacji brano pod uwagę: izolacyjność cieplną, stan techniczny, możliwości techniczne wykonawstwa oraz nakłady inwestycyjne.

Lista usprawnień, które zdecydowano się przeprowadzić na bryle budynku, obejmuje:

• ocieplenie ścian zewnętrznych piwnic części A,
• ocieplenie ścian zewnętrznych kondygnacji nadziemnych części A,
• ocieplenie ścian zewnętrznych klatek schodowych w części A,
• ocieplenie stropów w loggiach i wnękach (nad piwnicą) w części A,
• ocieplenie stropu pod wysuniętą częścią auli i nad wnękami przy wejściach w części A,
• ocieplenie dachu nad aulą w części A,
• ocieplenie dachu nad klatkami schodowymi w części A,
• ocieplenie stropodachu części A,
• ocieplenie ścian zewnętrznych piwnic części B,
• ocieplenie ścian zewnętrznych parteru części B,
• wymiana okien w części B.

Procentowy udział strat ciepła przez poszczególne elementy budynku w stanie istniejącym zaprezentowano na rys. 1.

W przypadku przegród pełnych spodziewanym efektem, oprócz oczywistego zmniejszenia strat energii cieplnej na drodze przenikania, jest eliminacja lub przynajmniej znaczące ograniczenie skutków występowania słabych termicznie miejsc w obudowie budynku (mostków cieplnych, fot. 1) oraz wyrównanie zróżnicowanego rozkładu temperatur (fot. 2) na wewnętrznych powierzchniach przegród zewnętrznych.

Mostki cieplne występujące w obudowie budynku są przede wszystkim źródłem dodatkowych strat ciepła. Szacuje się że przy dobrych rozwiązaniach detali budowlanych dodatek na mostki liniowe wynosi ok. 0,05 W/(m2 K), a przy rozwiązaniach niepoprawnych straty ciepła przez mostki cieplne mogą dorównywać stratom przez całą płaszczyznę ściany [2].

Lokalne zwiększenie strumienia ciepła wymienianego przez mostek termiczny (fot. 1) wiąże się jednocześnie z obniżeniem wartości temperatury powierzchni wewnętrznej. Zaburzenia rozkładu temperatury na powierzchniach wewnętrznych przegród chłodzących budynku są istotne z punktu widzenia komfortu cieplnego pomieszczeń. Nawet kilkustopniowe obniżenie temperatury znacznej powierzchni może być bowiem przyczyną odczuwania przez użytkowników dyskomfortu termicznego.

Szczególnie niebezpiecznym efektem wychłodzenia wewnętrznej powierzchni przegród zewnętrznych w miejscu występowania mostków cieplnych jest spadek temperatury poniżej granicy punktu rosy. Następuje wówczas kondensacja wilgoci, która oprócz degradacji wykończenia powierzchni może prowadzić do rozwoju na niej pleśni. Są to zjawiska niepożądane z uwagi na zdrowie użytkowników budynku oraz niedopuszczalne z punktu widzenia przepisów prawa budowlanego.

Prawidłowo przeprowadzona termomodernizacja pozwala wyeliminować lub znacząco ograniczyć możliwość wystąpienia przedstawionych powyżej niekorzystnych zjawisk.

Optymalizacja wytypowanych przedsięwzięć termomodernizacyjnych

Rozpatrywany obiekt należy do instytucji budżetowej, co powoduje, że pozbawiony jest możliwości współfinansowania według zasad określonych w ustawie o wspieraniu termomodernizacji i remontów. Mimo to zdecydowano się oprzeć optymalizację zakresu prac na procedurze określonej w rozporządzeniu w sprawie formy i zakresu audytu energetycznego i remontowego [4].

Zgodnie z przyjętą metodologią optymalizacja poszczególnych zabiegów następuje z wykorzystaniem metody statycznej analizy opłacalności ekonomicznej inwestycji, na podstawie wskaźnika SPBT (Simply Payback Time).

W ogólnym ujęciu wskaźnik ten definiuje okres, po jakim zwraca się inwestycja, traktując wartość nabywczą pieniądza jako niezmienną w czasie:

gdzie:

N – koszt robót związanych z realizacją inwestycji, zł;
DO_r – roczna oszczędność kosztów energii wynikająca z realizacji inwestycji, zł.

Roczna oszczędność kosztów energii jest efektem redukcji strat ciepła w wyniku podwyższenia izolacyjności cieplnej przegrody i dla przegród pełnych obliczana jest z zależności (w zł/rok):

gdzie:

x₀, x₁ – udział n-tego źródła w zapotrzebowaniu na ciepło przed i po wykonaniu ulepszenia termomodernizacyjnego;
Q₀, Q₁ – roczne zapotrzebowanie na ciepło na pokrycie strat ciepła przez przenikanie przed i po wykonaniu przedsięwzięcia termomodernizacyjnego, GJ/rok;
O_0z, O_1z – opłata zmienna za jednostkę energii przed i po wykonaniu ulepszenia termomodernizacyjnego dla n-tego źródła, zł/GJ;
y₀, y₁ – udział n-tego źródła w zapotrzebowaniu na moc cieplną przed i po wykonaniu ulepszenia termomodernizacyjnego;
q₀, q₁ – zapotrzebowanie na moc cieplną na pokrycie strat ciepła przez przenikanie przed i po wykonaniu ulepszenia termomodernizacyjnego, MW;
O_0m, O_1m – stała opłata miesięczna za jednostkę mocy przed i po wykonaniu ulepszenia termomodernizacyjnego dla n-tego źródła, zł/(MW · m-c);Ab₀, Ab₁ – miesięczna opłata abonamentowa przed i po wykonaniu ulepszenia termomodernizacyjnego, zł/m-c.

Podczas optymalizacji przegród przezroczystych należy dodatkowo uwzględnić koszty oraz oszczędności wynikające z ewentualnej ingerencji w wentylację budynku.

Zniszczona stolarka okienna i drzwiowa jest przeważnie źródłem dodatkowego niepożądanego strumienia powietrza infiltracyjnego, którego dogrzanie do założonej temperatury wewnętrznej powiększa straty energii cieplnej, które należy uwzględnić w bilansie energetycznym budynku.

Eliminacja tego składnika w wyniku działań termomodernizacyjnych powoduje zatem zwiększenie efektu energetycznego i ekonomicznego.

, lata   (3)

gdzie:
N_Ok – koszt robót związanych z wymianą przegrody przezroczystej, zł;
N_W – koszt robót związanych z modernizacją wentylacji, zł;
DO_rOk – roczna oszczędność kosztów energii wynikająca z wymiany przegrody przezroczystej, zł/rok;
DO_rW – roczna oszczędność kosztów energii wynikająca z modernizacji wentylacji, zł/rok.

Pomijając inne obostrzenia, dotyczące np. minimalnego poziomu izolacyjności przegrody po termomodernizacji, która wynika m.in. z obowiązujących w czasie występowania o pozwolenie na budowę wymagań zawartych w warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki [5], najmniejsza wartość SPBT spośród rozpatrywanych wariantów realizacji danego przedsięwzięcia wskazuje jego optimum.

Rys. 2 ilustruje ustalanie grubości ocieplenia ścian zewnętrznych w części A budynku WBiIŚ. Osiągnięcie minimum funkcji przy grubości 14 cm dodatkowej, efektywnej izolacji cieplnej wskazuje najkorzystniejszą ekonomicznie grubość styropianu o współczynniku przewodzenia ciepła l = 0,040 W/(m K) (założono ocieplenie metodą BSO). 

Warto wspomnieć, że przy ustalaniu kosztów inwestycyjnych tego ulepszenia uwzględniono kilka dodatkowych czynników, z których najistotniejszym jest różna wielkość powierzchni generującej straty energii cieplej oraz powierzchni do docieplenia. Wynika to z konieczności przeciągnięcia izolacji cieplnej poza wieńce przegród poziomych oddzielających strefę ogrzewaną od nieogrzewanej, a także odpowiedniego zaizolowania ościeży okiennych i drzwiowych. 

Innym dodatkiem uwzględnionym w optymalizacji jest przyrost kosztów jednostkowych w związku z koniecznością zmiany długości kołków mocujących warstwę izolacyjną przy grubościach przekraczających 10 cm. Oczywiście podobny mechanizm zastosowano w przypadku innych optymalizowanych przegród. W tabeli 1 przedstawiono wyznaczone grubości izolacji cieplnej poszczególnych przegród.

Termomodernizacja przegród zewnętrznych (dołożenie dodatkowej izolacji termicznej lub wymiana elementu na nowy o lepszych własnościach izolacyjnych – jak w przypadku stolarki okiennej i drzwiowej) powoduje poprawę charakterystyki cieplnej. 

Zmianę izolacyjności termicznej modernizowanych przegród budynku WBiIŚ przedstawiono na rys. 3. Dla każdego rodzaju przegród zestawiono wartość wyjściową współczynnika przenikania ciepła U [1, 3] i końcową, wyznaczoną na podstawie optymalizacji.

Poszczególne zabiegi termomodernizacyjne uszeregowano według malejącej opłacalności (wartość SPBT):

1. ściany zewnętrzne klatek schodowych w części A,
2. ściany zewnętrzne piwnic części A,
3. ściany zewnętrzne kondygnacji nadziemnych części A,
4. stropy w loggiach i wnękach (nad piwnicą) w części A,
5. okna w części B,
6. dach nad klatkami schodowymi w części A,
7. strop pod wysuniętą częścią auli i nad wnękami przy wejściach w części A,
8. ściany zewnętrzne części B (piwnic i parteru),
9. dach nad aulą w części A,
10. stropodach części A.

Według rozporządzenia wykonawczego do ustawy o wspieraniu termomodernizacji i remontów przygotowując przedsięwzięcie, należy rozpatrzyć jego różne warianty. 

Mechanizm konstrukcji wariantów termomodernizacji polega na uszeregowaniu zoptymalizowanego zakresu zaproponowanych zabiegów w porządku rosnącego SPBT i dodawaniu do najbardziej opłacalnego kolejnych z listy. Schemat ten dla rozpatrywanej inwestycji przedstawiono w tabeli 3.

Liczba wariantów termomodernizacji (10) różni się od liczby zaproponowanych przedsięwzięć (11) ze względu na połączenie docieplenia ścian piwnic części B i ścian parteru części B. 

Zmniejszenie zapotrzebowania na energię cieplną (w artykule jest to energia użytkowa) na potrzeby centralnego ogrzewania wynikające z zaplanowanych prac termomodernizacyjnych wpływa oczywiście na „ekologiczną jakość” budynku. Oznacza to mniejszą ilość substancji szkodliwych emitowanych do atmosfery ze źródła zasilającego w energię cieplną dany obiekt.

Na rys. 4 pokazano redukcję emisji podstawowych zanieczyszczeń (NOx, CO2, SO2, CO i pyłu), którą można będzie osiągnąć w wyniku przewidywanego ograniczenia zużycia ciepła na cele ogrzewcze przez budynek WBiIŚ PB.

Ponieważ przedsiębiorstwo dostarczające energię cieplną dysponuje dwoma różnymi źródłami ciepła (elektrociepłownia i ciepłownia) przedstawiono trzy wartości efektu ekologicznego dla każdej substancji zanieczyszczającej (przy założeniu zasilania z ciepłowni opalanej węglem, elektrociepłowni opalanej węglem i elektrociepłowni opalanej węglem i biomasą pracującą wspólnie z ciepłownią opalaną węglem – tak wytwarzane jest obecnie ciepło dla budynku WBiIŚ). 

Widoczne znaczne różnice pomiędzy wartościami redukcji dla tych samych substancji wynikają z istotnego wpływu źródła na osiągane ekologiczne efekty modernizacji budynku, pomimo że dotyczy to trzech z pozoru bardzo podobnych sytuacji zasilania budynku w ciepło. Ponadto pokazują one możliwości wpływania na osiągane efekty ekologiczne inwestycji poprzez zmianę sposobu wytwarzania energii oraz rodzaju paliwa zasilającego źródło ciepła. 

Podsumowanie

Realizacja pełnego (wybranego przez inwestora) wariantu termomodernizacji, obejmującego docieplenie wszystkich ścian zewnętrznych, stropodachów w części A, stropów w loggiach i wnękach pod wysunięciem auli oraz wymiany okien w części B budynku Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska, pozwoli uzyskać:

• zmianę wartości współczynników przenikania ciepła poszczególnych przegród zewnętrznych na niższe, wynikające z wyliczonej optymalnej grubości izolacji,
• zmniejszenie projektowego obciążenia cieplnego budynku na cele grzewcze z 620,24 do 501,63 kW,
• obniżenie zapotrzebowania na ciepło użytkowe do ogrzewania budynku z 2919 do 2051 GJ.

Termomodernizacja budynku WBiIŚ spowoduje też poprawę stanu środowiska poprzez ograniczenie emisji podstawowych substancji zanieczyszczających. Redukcja najistotniejszego zanieczyszczenia (CO2) wynosi od 55 do 105 Mg/rok w zależności od źródła ciepła, natomiast jednakowa dla wszystkich zanieczyszczeń redukcja względna przekracza 29%.

Literatura

1. Sadowska B., Piotrowska-Woroniak J., Sarosiek W., Audyt energetyczny budynku Wydziału Budownictwa Politechniki Białostockiej, NAPE S.A., Białystok 2012.
2. Pogorzelski J.A., Przewodnik po PN-EN ochrony cieplnej budynków, Dział Wydawniczy Instytutu Techniki Budowlanej, Warszawa 2009.
3. PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczeń.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 marca 2009 r. w sprawie szczegółowego zakresu i form audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a także algorytmu oceny opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego (DzU nr 43/2009, poz. 346).
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, z dnia 12 kwietnia 2002 r. (DzU nr 75/2002, poz. 690, ze zmianami od 1.01.2014 r., Załącznik 2. Wymagania izolacyjności cieplnej i inne wymagania związane z oszczędnością energii).
6. Sadowska B., Święcicki A., Sarosiek W., Kompleksowa termomodernizacja budynku WBiIŚ. Cz. 1. Stan istniejący na podstawie dokumentacji archiwalnej i pomiarów, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2014.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!