„Czyste Powietrze” – wymiana kotła kontra kompleksowa termomodernizacja

Poprawa efektywności energetycznej oraz zmniejszenie emisji pyłów i innych zanieczyszczeń do atmosfery z istniejących jednorodzinnych budynków mieszkalnych to jeden z głównych celów programu „Czyste Powietrze”. Warunkiem uczestnictwa w programie jest wymiana lub posiadanie źródła ciepła spełniającego najnowsze wymagania z zakresu efektywności energetycznej i emisji zanieczyszczeń. Dla kotłów kondensacyjnych to minimalna klasa efektywności energetycznej A. Kotły na paliwo stałe muszą spełniać założenia dyrektywy Ekoprojekt (Ecodesign), czyli wymagania określone w rozporządzeniu Komisji (UE) 2015/1189 [1].

Posiadanie lub wymiana kotła na spełniający określone w programie wymagania otwiera drogę do uzyskania dofinansowania na termomodernizację przegród zewnętrznych, wymianę stolarki okiennej i drzwiowej, modernizację instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej, montaż wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, a także pożyczki na zastosowanie instalacji odnawialnych źródeł energii – kolektorów słonecznych i mikroinstalacji fotowoltaicznej.

Niestety konstrukcja programu nie zachęca do podejmowania działań bardziej kompleksowych. Wysokość dotacji lub oprocentowanie pożyczki nie są uzależnione od skali i efektu (w postaci oszczędności energii i redukcji emisji zanieczyszczeń) podejmowanych działań, a jedynie od wykazanego dochodu. Rodzi się zatem pytanie, czy beneficjenci wymieniający stare kotły podejmą jednocześnie prace mające na celu podniesienie standardu energetycznego budynków? Co zrobić, żeby podejmowane działania przyniosły trwałe efekty w postaci poprawy jakości powietrza oraz wymierne korzyści dla właścicieli budynków jednorodzinnych?

Trias energetica

Dopuszczenie wyłącznie wymiany źródła ciepła, bez określania wymagań dla standardu energetycznego budynku, jest sprzeczne z koncepcją zrównoważonego gospodarowania energią „trias energetica” (rys. 1), która mówi wprost, że najbardziej zrównoważona energia to energia zaoszczędzona. W myśl tej zasady na początku minimalizujemy zapotrzebowanie na energię (użytkową) przy zachowaniu komfortu cieplnego i parametrów jakościowych oraz ilościowych dostosowanych do potrzeb użytkownika. Mniejsze zapotrzebowanie będzie łatwiejsze do zaspokojenia i tańsze. Następnie projektujemy instalacje oparte w pierwszej kolejności na odnawialnych źródłach energii. Jeśli to nie wystarczy, sięgamy do wysoko­spraw­nych systemów opartych na źródłach konwencjonalnych.

Kolejność ta jest szczególnie ważna w przypadku termomodernizacji budynków o niskiej efektywności energetycznej. Według najnowszych badań [2] 40,8% budynków jednorodzinnych w Polsce to budynki nieocieplone i ogrzewane z dominującym udziałem kotłów na paliwo stałe. Kolejne 22,2% stanowią budynki słabo ocieplone z przeważającym udziałem kotłów na paliwo stałe. Łącznie standard prawie 3,5 mln budynków jednorodzinnych określa się jako bardzo niski lub niski. W dużej mierze to właśnie do właścicieli tej grupy budynków kierowany jest program „Czyste Powietrze”.

Analizowany budynek

W październiku 2017 roku na Politechnice Warszawskiej zaprezentowano raport „Określenie głównych zalet ocieplania budynków istniejących oraz wpływu termomodernizacji na ograniczenie smogu (niskiej emisji)” [3]. Porównano w nim trzy warianty termomodernizacji budynku jednorodzinnego wybudowanego w 1980 roku w Warszawie. Charakteryzuje się on architekturą oraz rozwiązaniami konstrukcyjno-materiałowymi typowymi dla budownictwa jednorodzinnego sprzed 1989 roku.

Budynek został wybudowany w technologii tradycyjnej, ma dwie kondygnacje nadziemne i jest całkowicie podpiwniczony. Ściany są murowane ze słabo wentylowaną szczeliną powietrzną. Stropy międzykondygnacyjne oraz konstrukcja stropodachu pełnego zostały wykonane w technologii stropu gęstożebrowego DZ-3. W tabeli 1 przedstawiono dane geometryczne budynku.

W tabeli 2 wyszczególniono współczynniki przenikania ciepła (zgodnie z PN-EN ISO 6946) przegród zewnętrznych. Dla wymienionej stolarki okiennej przyjęto współczynnik przenikania ciepła 1,6 W/(m² K), a dla drzwiowej 2,5 W/(m² K).

Źródłem ciepła w budynku jest stary kocioł węglowy zasypowy. System ogrzewania jest wodny, z grzejnikami członowymi z regulacją centralną bez zaworów termostatycznych. Przewody są zaizolowane w części nieogrzewanej. Ciepła woda użytkowa jest przygotowywana w podgrzewaczu starego typu zasilanym z kotła węglowego. Budynek wyposażony jest w wentylację grawitacyjną działającą prawidłowo.

Do obliczeń przyjęto, że w wariancie bazowym mieszkańcy będą wykorzystywać miks paliwowy (tabela 3). Odpowiada to sytuacji, w której właściciele budynków palą w starych kotłach różnymi rodzajami paliwa. Priorytetem jest możliwie najtańsze ogrzanie domu, co powoduje, że wykorzystywane są paliwa niskiej jakości lub pozyskiwane we własnym zakresie (drewno opałowe). Natomiast po modernizacji założono wymianę istniejącego kotła na kocioł węglowy 5 klasy na ekogroszek. Koszt energii z ekogroszku jest wyższy o ponad 30% od energii z miksu paliwowego. W odniesieniu do gazu koszt paliwa wzrósłby o 100%.

Warianty modernizacji budynku i uzyskane wyniki

Analizowano III warianty termomodernizacji:

1. Wymiana kotła– pierwszy wariant uwzględniał jedynie wymianę starego kotła węglowego na kocioł retortowy 5 klasy. Nie wprowadzano żadnych zmian w instalacji c.o. lub c.w.u.
2. Ocieplenie przegród– drugi wariant to wyłącznie docieplenie przegród zewnętrznych do wartości współczynników przenikania ciepła określonych w Warunkach Technicznych na 2021 rok. Nie wymieniano kotła ani nie modernizowano instalacji c.o. lub c.w.u. Dociepleniu poddano ściany zewnętrzne, stropodach oraz strop nad nieogrzewaną piwnicą. Okna ani drzwi zewnętrzne nie były wymieniane.
3. Kompleksowa termomodernizacja– w wariancie trzecim analizowano kompleksową termomodernizację, gdzie oprócz wymiany źródła ciepła zmodernizowano instalację c.o. (montaż zaworów termostatycznych) i c.w.u. (nowy podgrzewacz), a także docieplono przegrody zewnętrzne tak jak w wariancie II.

Otrzymane wyniki pozwoliły na sformułowanie wniosków wykorzystanych w artykule. Dla każdego z wariantów oraz stanu istniejącego określono zapotrzebowanie na energię końcową na potrzeby ogrzewania i przygotowania c.w.u. oraz energię pomocniczą. Pozwoliło to na wyznaczenie szacunkowych kosztów użytkowania budynku (tabela 4).

Przeprowadzona analiza pokazuje, że wymiana samego kotła może doprowadzić do zwiększenia kosztów użytkowania. Dzieje się tak pomimo wyższej sprawności nowego kotła. Decydująca jest cena paliwa przed i po modernizacji. Wzrostu ceny o ponad 30% nie da się skompensować większą sprawnością. Dodatkowo pojawia się zapotrzebowanie na energię pomocniczą, które nie występuje w przypadku starego kotła. Oszczędności uzyskujemy natomiast w przypadku wariantu II lub III (rys. 2). Samo ocieplenie przegród bez zmiany źródła powoduje, że zapotrzebowanie na energię spada, a cena paliwa nie rośnie. Największe oszczędności uzyskano w przypadku kompleksowej termomodernizacji (wariant III) pomimo zmiany paliwa na droższe. Dzieje się tak dzięki ograniczeniu zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania i przygotowania c.w.u. o 70%.

Określenie zapotrzebowania na energię było podstawą do wyznaczenia emisji zanieczyszczeń dla poszczególnych wariantów termomodernizacji. Emisję dla kotła węglowego zasypowego oraz kotła retortowego na węgiel 5 klasy ustalono na podstawie dostępnej literatury [4,5]. Otrzymane wyniki pokazują, że w zasadzie każdy wariant przyczynia się do redukcji emisji wszystkich rodzajów zanieczyszczeń. Wyjątkiem jest emisja NOx, która rośnie w przypadku wariantu I (tabela 5).

Redukcja istotnych z punktu widzenia jakości powietrza zewnętrznego zanieczyszczeń, takich jak pyły (TSP) i B(a)P, jest największa w przypadku kompleksowej termomodernizacji (wariant III). Wymiana samego kotła (wariant I) również ogranicza emisję, jednak w mniejszym stopniu. Samo ocieplenie przegród (wariant II) daje pewne efekty, jednak wynikają one głównie ze zmniejszenia zapotrzebowania na energię. Istotna z globalnego punktu widzenia emisja CO2 jest zredukowana w największym stopniu, bo aż o 72%, w przypadku kompleksowej termomodernizacji. Jeszcze lepsze efekty środowiskowe można uzyskać, zastępując kocioł węglowy 5 klasy kotłem gazowym kondensacyjnym. Emituje on około 150 razy mniej pyłów i w ogóle nie emituje B(a)P.

Wnioski

Inwestor decydujący się tylko na wymianę starego źródła ciepła na kocioł z certyfikatem Ecodesign musi wziąć pod uwagę fakt, że będzie to urządzenie o dwu-, a nawet trzykrotnie większej mocy w stosunku do zapotrzebowania po ociepleniu budynku. Nowoczesne kotły na paliwo stałe są efektywnymi energetycznie i ekologicznie układami składającymi się z kotła i systemu odprowadzania spalin [6]. Duża sprawność wynika m.in. z właściwego dostosowania mocy cieplnej do zapotrzebowania, precyzyjnego sterowania procesem spalania i wysokiego stopnia wymiany ciepła, prowadzącego do zwiększenia oporów przepływu spalin i obniżenia ich temperatury.

Dotychczas eksploatowany komin może się okazać nieodpowiedni dla nowego kotła. Należy również zauważyć, że każdy z producentów określa paramenty paliwa, które należy zastosować. Obostrzenia dotyczą m.in. wartości opałowej, wilgotności, zawartości popiołu i siarki. Właściwy dobór paliwa i systemu odprowadzenia spalin gwarantuje bezawaryjną pracę kotła (przez nawet 20 lat) i znaczne ograniczenie emisji szkodliwych substancji. 

Z drugiej strony certyfikowane paliwo jest droższe, automatyka kotła (system sterowania) i układ pompowy wywołują zapotrzebowanie na dodatkową energię elektryczną. W wielu przypadkach oszczędności wynikające z większej sprawności wytwarzania ciepła w nowym kotle mogą się okazać niższe od wzrostu kosztów paliwa i energii pomocniczej, co w ostateczności przyczyni się do zwiększenia kosztów użytkowania budynku nawet o kilkaset złotych rocznie. 

Taki scenariusz prowadzi do odwrócenia oczekiwanych efektów. Paradoksalnie zmniejszenie emisji w wyniku wymiany kotła będzie nietrwałe na skutek ubóstwa energetycznego i powrotu do taniego paliwa. Spadek efektywności i zwiększenie emisji szkodliwych substancji w stosunku do wartości deklarowanych przez producenta, a także znaczne skrócenie żywotności drogiego kotła – to co najmniej niewykorzystana szansa na poprawę jakości powietrza i standardu życia wielu rodzin.

W odróżnieniu od samej wymiany kotła kompleksowa termomodernizacja pozwala znacząco ograniczyć zapotrzebowanie na energię. W stosunku do wariantu bazowego redukcja zapotrzebowania może wynosić nawet 70%, co jest bliskie termomodernizacji do standardu budynków niemal zeroenergetycznych (nZEB) [7,8]. Dodatkowe korzyści wynikające z ocieplenia budynku to poprawa komfort cieplnego, eliminacja wpływu mostków cieplnych i ograniczenie ryzyka rozwoju pleśni. Uzyskanym efektem środowiskowym jest redukcja emisji zanieczyszczeń: o 95% dla pyłów, o 98% dla B(a)P, o 80% dla SO₂, o 43% dla NO_x, o 97% dla CO i o 72% dla CO2. 

Najważniejsze jednak będą oszczędności w kosztach użytkowania budynku. W analizowanym przypadku – ponad 3,3 tys. zł. Jest to gwarancją trwałego ograniczenia niskiej emisji i zadowolenia użytkownika z poczynionych inwestycji.

Uzyskane wyniki pokazują, że celowe jest zachęcanie właścicieli budynków jednorodzinnych do podejmowania kompleksowych działań termomodernizacyjnych. Tymczasem program „Czyste Powietrze” w żaden sposób nie premiuje tego typu przedsięwzięć. Wysokość dotacji lub oprocentowanie pożyczki nie zależy od uzyskanej redukcji zapotrzebowania na energię czy wielkości ograniczenia emisji zanieczyszczeń. Rozwiązaniem może być wprowadzenie klas termomodernizacji określających kompleksowość wykonywanych prac, np. A, B, C, i powiązanie z nimi wysokości wsparcia. Ważne jest również zrezygnowanie z dotowania ze środków publicznych zakupu kotłów węglowych. Działanie takie zwiększa skalę zaprzepaszczonego potencjału redukcji emisji i utrwala stosowanie nieekologicznego i nieodnawialnego węgla przez co najmniej kolejne 30 lat.

Literatura

1. Rozporządzenie Komisji UE 2015/1189 z dnia 28 kwietnia 2015 r. w sprawie wykonania dyrektywy parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących Ekoprojektu dla kotłów na paliwo stałe (Dz.Urz. UE L 192/100).
2. Zaborowski M., Walczak E., Efektywność energetyczna w Polsce. Przegląd 2017, Instytut Ekonomii Środowiska, Kraków 2018.
3. Firląg S. i in., Określenie głównych zalet ocieplania budynków istniejących oraz wpływu termomodernizacji na ograniczenie smogu (niskiej emisji), Politechnika Warszawska, Warszawa 2017.
4. KOBiZE, Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO2 (WE) w roku 2013 do raportowania w ramach Wspólnotowego Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji za rok 2016, tabela 14 i tabela 15, Warszawa 2015.
5. Kubica K. i in., Opracowanie matrycy podziału źródeł spalania paliw o mocy do 5 MW w zależności od rodzaju spalanego paliwa, tab. 3.34 i tab. 3.41, Politechnika Śląska, Gliwice 2012.
6. Cembala P., Systemy odprowadzania spalin z kotłów węglowych 5 klasy, „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2017.
7. Firląg S., Piasecki M., nZEB renovation definition in a heating dominated climate: case study of Poland, „Applied Sciences-Basel” Vol. 8, No. 9, 2018, p. 1–25.
8. Król P., Firląg S., Węglarz A., Zintegrowana ocena wpływu budynku jednorodzinnego na środowisko, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2013, s. 20–25.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!