Analiza techniczno-ekonomiczna źródeł zasilania budynku energooszczędnego

Poszukuje się zatem coraz intensywniej różnego rodzaju alternatywnych rozwiązań, których zadaniem jest zmniejszenie zużycia energii. W budownictwie działania te to wprowadzanie „budownictwa energooszczędnego”, w którym główny nacisk kładzie się na stosowanie ekonomicznie uzasadnionych rozwiązań mających na celu zmniejszenie zapotrzebowania na energię oraz racjonalne jej wykorzystanie w trakcie eksploatacji obiektu budowlanego.

Działania te znalazły wyraz w kreowanych przepisach natury prawnej, normalizacyjnej oraz różnego rodzaju regulacjach technicznych. Nie sposób wymienić tutaj wszystkich dokumentów dotyczących powyższych zagadnień. Praktyczne znaczenie w promowaniu budownictwa energooszczędnego mają [2–5]. Podstawowe wymagania Unii Europejskiej w zakresie wymagań dla budynków sformułowano m.in. w dyrektywach [2–6]. Wymaganie oszczędności energii i odpowiedniej izolacyjności cieplnej jest jednym z sześciu podstawowych wymogów stawianych budynkom zawartych w ustawie [3].

Długofalowe, strategiczne cele polityki energetycznej UE w ścisłym powiązaniu z polityką przeciwdziałania zmianom klimatycznym zostały zdefiniowane przez Radę Europejską w marcu 2007 r., zobowiązując państwa członkowskie UE do osiągnięcia następujących celów do roku 2020:

• redukcja przynajmniej 20% emisji gazów cieplarnianych w UE w porównaniu z poziomem z 1990 r.,
• zwiększenie udziału energii odnawialnej w ogólnym zużyciu energii do 20% oraz zwiększenie udziału biopaliw w transporcie do 10%,
• poprawa efektywności energetycznej o 20%.

W Polsce dokumentem o charakterze praktycznym ujmującym kwestie energooszczędności są warunki techniczne [5]. Należy zdawać sobie sprawę z faktu, że uzyskanie zawartych w nich wymagań w zakresie wartości wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP = 70 kWh/(m²·rok) jest niemożliwe do zrealizowania jedynie poprzez odpowiednią, ekonomicznie uzasadnioną grubość materiału izolacyjnego przegród budowlanych. Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła będzie nieunikniona. Budynki należy wyposażyć w systemy wykorzystujące energię ze źródeł traktowanych jako odnawialne.

Jeśli mowa o zaopatrzeniu w ciepło, istnieje wiele możliwości w tym zakresie np. kotły na biomasę, pompy ciepła typu powietrze/woda, powietrze/powietrze czy gruntowe pompy ciepła z wymiennikiem pionowym lub poziomym do ogrzewania budynku, lub ogrzewania i przygotowania c.w.u. Zastosowanie wymienionych systemów uzależnione jest od zasobności portfela inwestora oraz warunków klimatycznych, a także wielkości i lokalizacji działki. Dla inwestora oprócz nakładów inwestycyjnych interesujące będą również koszty eksploatacyjne w dłuższym okresie użytkowania. Te natomiast uzależnione są od ceny nośnika energii oraz zużycia paliwa (zapotrzebowania na energię użytkową i sprawności systemu dostarczania ciepła).

Pamiętać również należy, że wartość wskaźnika EP dodatkowo uzależniona jest od współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii wi, zależnego od nośnika energii końcowej. Wartości te są różne, dlatego bardzo istotny jest wybór nośnika energii końcowej. Przykładowo dla gazu ziemnego, płynnego, węgla kamiennego i brunatnego wi = 1,1, dla biomasy wi = 0,2, a dla energii elektrycznej wi = 3,0. Powoduje to, że im wyższy wskaźnik wi ma nośnik energii wykorzystywany w budynku, tym mniejsze musi być zapotrzebowanie na energię użytkową, aby spełnić wymagania w zakresie wskaźnika EP. Powoduje to dodatkowe podwyższenie kosztów inwestycyjnych.
Autorzy podjęli próbę określenia opłacalności wybranych systemów ogrzewania dla różnych nośników energii końcowej.

Założenia analiz

Przeprowadzenie analizy wymagało przyjęcia parametrów związanych z kosztami inwestycyjnymi, cenami energii, charakterystyką techniczną przyjętych rozwiązań instalacyjnych oraz wskaźników ekonomicznych.

Ceny energii

Na podstawie analizy materiałów źródłowych przyjęto ceny jednostkowe energii podane w tabeli 1. W taryfie G12 stawka dzienna dotyczy godzin 600–1300 oraz 1500–2200, natomiast nocna 2200–600 oraz 1300–1500 [7]. Wartość opałową ekogroszku jako przyjęto 26 MJ/kg [8], a peletu 17,1 MJ/kg [9].

Koszty inwestycyjne

Przy ustalaniu kosztów inwestycyjnych posłużono się cenami katalogowymi producentów oferujących produkty na rynku lokalnym. W zakresie podatku VAT przyjęto, że poszczególne urządzenia dostarczane są przez wykonawcę instalacji, a zatem wartość podatku VAT wynosi 8%. Wartości liczbowe podano w odniesieniu do poszczególnych wariantów i zestawiono w tabeli 4.

Parametry techniczne instalacji

Podstawowym parametrem decydującym o kosztach eksploatacji wybranej instalacji jest jej sprawność. W przypadku systemów grzewczych sprawność wyznaczono według wzoru [11]:

(1)

gdzie:
η_H,tot – średnia sezonowa sprawność całkowita systemu grzewczego budynku,
η_H,g – średnia sezonowa sprawność wytworzenia nośnika ciepła z energii dostarczonej do granicy bilansowej budynku,
η_H,s – średnia sezonowa sprawność akumulacji ciepła w elementach pojemnościowych systemu grzewczego budynku,
η_H,d – średnia sezonowa sprawność transportu (dystrybucji) nośnika ciepła w obrębie budynku,
η_H,e – średnia sezonowa sprawność regulacji i wykorzystania ciepła w budynku.

Na tej podstawie ustalono sprawności analizowanych wariantów, które przedstawiono w tabeli 5.

Parametry ekonomiczne

Podstawowym wskaźnikiem ekonomicznym wykorzystywanym w analizach jest NPV. Wyznaczany on jest jako różnica między zdyskontowanymi przepływami pieniężnymi a nakładami początkowymi. Inwestycja jest akceptowalna, gdy po upływie zadanego czasu inwestycji wartość NPV ? 0. Zaletą wskaźnika NPV jest fakt, że uwzględnia on zmianę wartości pieniądza w czasie, a całość przepływów pieniężnych związanych z inwestycją zapewnia porównywalność inwestycji. Wadami są subiektywizm przy przyjmowaniu stopy dyskonta i nieuwzględnienie ryzyka związanego z inwestycją [12]. Dla przeprowadzenia analizy wykonalności finansowej inwestycji przyjęto następujące parametry ekonomiczne:

• roczny wskaźnik wzrostu kosztów energii elektrycznej: 3,7%, węgla: 3,0%, paliwa gazowego: 4,0% [13];
• stopa inflacji: średnia z ostatnich 5 lat (2013–2017) to 0,28% [14], ale biorąc pod uwagę wzrost inflacji i średnią z 10 lat, do obliczeń przyjęto wartość 2,0%;
• stopa dyskonta liczona jako suma inflacji, wartości 2-letnich obligacji skarbowych [15] oraz składnika ryzyka (1%) – wynosi odpowiednio 5,1%.

Założono czas trwania inwestycji t = 25 lat oraz że nakłady inwestycyjne będą pochodziły w 100% z zasobów własnych.

Poza wyznaczeniem wartości NPV w opracowaniu dokonano analizy wrażliwości dla poszczególnych inwestycji. W analizie tej uwzględniono następujące parametry:

• zakres analizy: ± 20%;
• próg akceptowalności przez inwestora: 5000 zł dla NPV;
• akceptowalny poziom ryzyka: 10%;
• zmienność parametrów: ± 5%.

Analizę wrażliwości i ryzyka wykonano w odniesieniu do wskaźnika NPV.

Metoda analizy poszczególnych wariantów

Uwagi ogólne

Obliczenia prowadzone były przy użyciu programu RETSreen [18], który jest narzędziem umożliwiającym przeprowadzenie połączonej analizy w zakresie kosztów produkcji energii i związanych z nimi nakładów inwestycyjnych na źródło ciepła i instalację grzewczą.

W analizie uwzględnia się również wydatki związane z bieżącymi przeglądami i remontami wybranego systemu ogrzewania. Możliwości programu obejmują także przeprowadzenie obliczeń redukcji emisji gazów cieplarnianych dla różnych rodzajów proponowanych przedsięwzięć energooszczędnych i odnawialnych technologii energetycznych. Program pozwala określić opłacalność inwestycji na wstępnym etapie projektowania oraz posiada wbudowane bazy danych o produktach i klimacie, które pozwalają skrócić czas i koszty związane z przygotowaniem wstępnego studium wykonalności.

Przewidziano również możliwość wprowadzenia powyższych danych przez użytkownika, co jest niezmiernie istotne w obliczu szybko postępujących zmian w zakresie rozwiązań technicznych na rynku systemów grzewczych.

Metodyka analiz

Metodyka obliczeń zawarta w programie pozwala na wyznaczenie charakterystyki energetycznej obiektu na bazie wbudowanych danych klimatycznych i informacji o skorupie budynku (izolacyjność termiczna, powierzchnia oraz orientacja przegród zewnętrznych). Zdaniem autorów uzyskana w ten sposób charakterystyka energetyczna inwestycji jest zbyt uproszczona, dlatego dla przyjętych wariantów została ona wyznaczona w oparciu o [11, 16, 17], a następnie wprowadzona do programu RETScreen.

W przeprowadzonych analizach wprowadzono własne dane związane z parametrami i kosztami urządzeń oraz instalacji, a także wskaźnikami dotyczącymi analizy wrażliwości i ryzyka. Dla ujętych w analizie nośników energii ich końcową cenę obliczono jako sumę opłat stałych i zmiennych, co w przypadku poszczególnych dostawców wyliczane jest z zależności (2)–(3). Cenę jednostkową PJENEL energii dostarczanej przez [7] obliczono według zmodyfikowanej zależności, zgodnie z wartościami cen i opłat dla poszczególnych nośników energii (tabela 1):

(2)

Cenę jednostkową PJG paliwa gazowego dostarczanego przez [8] obliczono według zmodyfikowanej zależności:

(3)

gdzie:
P_{JG, JENEL} – cena jednostkowa energii elektrycznej, zł/kWh;
ΣS_zł/mies. – suma stawek opłat dotyczących miesiąca, zł/mies.;
ΣS_zł/kWh – suma stawek opłat dotyczących zużycia paliwa, zł/kWh;
Z_{PG, ENEL} – zużycie odpowiednio paliwa gazowego, energii elektrycznej, kWh.

W przypadku paliwa stałego jego cenę skorygowano w nawiązaniu do wartości opałowej przyjmowanej przez program RETScreen [19], według wzoru (4):

(4)

gdzie:
C_jE(P) – cena jednostkowa paliwa stałego: ekogroszek (pelet), zł/t;
C_E(P) – cena rynkowa dla klienta indywidualnego, zł/t;
W_OE(P) – wartość opałowa paliwa stałego: ekogroszek (pelet) zgodnie z [18],
W_OEd(P)d – wartość opałowa paliwa stałego: ekogroszek (pelet) zgodnie z [8, 9].

Emisja zanieczyszczeń do atmosfery związana jest z zasilaniem systemu energią elektryczną oraz ciepłem sieciowym. W celu określenia emisji zanieczyszczeń przyjęto dane dot. struktury paliw zużywanych do wytwarzania energii elektrycznej sprzedawanej przez [7] w 2017 roku (tabela 2).

Przedmiot analiz

Według Stowarzyszenia Branży Fotowoltaicznej – Polska PV, w Polsce mamy ok. 5 mln zamieszkałych budynków jednorodzinnych oraz 27 750 systemów fotowoltaicznych zainstalowanych na nich (na rok 2017). Mimo że rozwój fotowoltaiki charakteryzuje się silnym trendem wzrostowym, w polskim budownictwie jednorodzinnym jest to nadal rozwiązanie stosowane na niewielką skalę. Dlatego w artykule skupiono się na wykorzystaniu źródeł konwencjonalnych do zasilania domów.

Problematyka dotycząca wykorzystania odnawialnych źródeł energii może stanowić temat odrębnego artykułu.

Przedmiotem rozważań jest budynek jednorodzinny dwukondygnacyjny, niepodpiwniczony, wykonany w technologii tradycyjnej murowanej, ze stropodachem wentylowanym. Na parterze znajdują się: salon, kuchnia, jadalnia, cztery pokoje, łazienka, garderoba, pomieszczenie gospodarcze oraz spiżarnia. Na poddaszu zlokalizowano: cztery pokoje, dwie garderoby, dwie łazienki i dwa pomieszczenia gospodarcze. Powierzchnia ogrzewana wynosi A = 238,0 m2. Garaż jest nieogrzewany. W budynku funkcjonuje wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła o sprawności odzysku η = 0,80.

Budynki jednorodzinne nowo projektowane od 1 stycznia 2021 r. będą musiały spełnić wymagania co do wartości wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP na poziomie maks. 70 kWh/m² · rok [5]. Ponieważ wartość ta jest ściśle powiązana ze współczynnikiem nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej wi [11] na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii do budynku, pragnąc zachować wartość wskaźnika EP na zbliżonym poziomie niezależnie od nośnika energii, zmodyfikowano parametry izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych budynku wyjściowego. Przy ogrzewaniu energią elektryczną przyjęto ocieplenie pianką poliuretanową o grubości d_PUR = 0,30 m, o współczynniku przewodzenia ciepła λ_PUR = 0,025 W/m·K. Żeby analizowany obiekt spełniał wymagania co do wartości wskaźnika EP przy zasilaniu energią elektryczną z sieci, dla której współczynnik wi = 3,0, parametry cieplne w części budowlanej muszą spełnić „ostrzejsze” wymagania. Stąd konieczność stosowania materiałów termoizolacyjnych charakteryzujących się niską wartością współczynnika przewodzenia ciepła, aby uniknąć nadmiernych grubości warstw termoizolacyjnych. Natomiast dla budynku ogrzewanego gazem ziemnym przyjęto ocieplenie styropianem grubości d_ST = 0,20 m, dla którego współczynnik przewodzenia ciepła wynosi λ_ST = 0,042 W/m·K. W tabeli 3 zestawiono współczynniki przenikania ciepła U przegród budowlanych dla budynku zasilanego gazem oraz energią elektryczną.

Obciążenie cieplne obliczono zgodnie z [16], które dla budynku ogrzewanego gazem wynosi Φ_HLGAZ = 10,81 kW, a jednostkowe zapotrzebowanie na moc grzewczą 45,4 W/m². Wartość wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną wynosi EP_GAZ = 58 kWh/m² · rok, a wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową EU_GAZ = 15,5 kWh/m² · rok.

Przy ogrzewaniu budynku energią elektryczną projektowe obciążenie cieplne wynosi Φ_HLENEL = 8,79 kW, natomiast jednostkowe zapotrzebowanie na moc grzewczą 36,9 W/m². Wartość wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną wynosi EP_ENEL = 65 kWh/m² · rok, a wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową EU_ENEL = 3,2 kWh/m² · rok.

Charakterystyka wariantów

Analizie poddano siedem wariantów związanych z rodzajem instalacji grzewczej. Wariant W0 przyjęto jako poziom porównawczy z uwagi na popularność stosowania kotłów gazowych do ogrzewania budynków jednorodzinnych. W tabeli 4 przedstawiono ogólny opis rozważanych wariantów wraz z przyjętymi nakładami inwestycyjnymi, a w tabeli 5 ogólną charakterystykę techniczno-ekonomiczną omawianych wariantów. W wariantach W3 i W4 cenę jednostkową obliczono w oparciu o stawkę nocną taryfy G12 [7]. Natomiast dla wariantów W5 i W6 uwzględniono podział na taryfę dzienną i nocną G12 [7]. W przypadku ogrzewania energią elektryczną do kosztów inwestycyjnych dodano koszty związane z poprawą charakterystyki energetycznej skorupy budynku. Dla wszystkich wariantów do kosztów instalacji dodano dodatkowo 5% jako rezerwę na nieprzewidziane wydatki.

W rozważaniach opłacalności poszczególnych wariantów jako nakłady inwestycyjne przyjęto koszty związane z przystosowaniem systemu c.o. do innego nośnika energii w porównaniu z wariantem bazowym (W0). W przypadku paliw stałych koszty związane z transportem paliwa zostały wliczone do jego ceny jednostkowej. Koszt ocieplenia m² przy użyciu styropianu przyjęto jako 120 zł/m², a pianką poliuretanową 320 zł/m² [20]. Powierzchnia do ocieplenia to 925,3 m².

Wyniki obliczeń i ich analiza

Na podstawie uzyskanych wyników analiz (rys. 3–8) można stwierdzić, że dla przyjętych założeń tylko jeden wariant (W1) wykazuje nadwyżkę finansową w porównaniu do rozwiązania wyjściowego (W0). W wariancie tym przyjęto ogrzewanie budynku za pomocą kotła na paliwo stałe – ekogroszek. Najmniej opłacalnymi rozwiązaniami są te, w których do zasilania systemu c.o. wykorzystywana jest energia elektryczna, tj. W3–W6. Nakłady finansowe poniesione na zmianę systemu ogrzewania wraz z przystosowaniem obiektu (dodatkowe ocieplenie) do zasilania energią elektryczną w porównaniu z ogrzewaniem kotłem gazowym kondensacyjnych nie zwrócą się w przyjętym czasie trwania przedsięwzięcia, tj. 25 lat.

Rys. 9 ilustruje wielkość emisji zanieczyszczeń (GHG) wyrażoną w [tCO₂/a]. Na jego podstawie można stwierdzić, że porównywalne wartości uzyskano dla wariantu W1 (ogrzewanie ekogroszkiem), W5 (pompa ciepła powietrze/woda) oraz W6 (pompa ciepła glikol/woda). Najwyższe wartości uzyskano dla wariantu W4 – ogrzewanie piecami akumulacyjnymi. Formalnie najniższą emisją zanieczyszczeń charakteryzuje się wariant W2 – ogrzewanie kotłem na pelet.

Podsumowanie

Współczesne budownictwo energooszczędne ukierunkowane jest na wykorzystanie coraz bardziej zaawansowanych technicznie urządzeń zasilających obiekty w ciepło. Urządzenia te pobierają energię z różnych nośników, tworząc skomplikowane systemy charakteryzujące się znacznie wyższym udziałem w kosztach realizacji obiektu w porównaniu do rozwiązań tradycyjnych. Połączenie wielu układów (źródło ciepła, sterowanie w postaci hydrauliki i elektroniki) w jeden system często skraca jego żywotność do kilkunastu lat (system działa tak długo jak jego najmniej trwały element). Pojawia się zatem pytanie, które z nich powinny być stosowane, biorąc pod uwagę aktualny koszt inwestycji i ceny na rynku nośników energii.

Powiązaną kwestią jest problem wyboru źródła zasilania obiektu z punktu widzenia ochrony środowiska. Okazuje się bowiem, że rozwiązania optymalne dla ochrony środowiska nie zawsze są zbieżne z ekonomicznym punktem widzenia. Należałoby się zatem zastanowić, czy kierunkiem, w którym należy poszukiwać rozwiązania problemu, nie jest może dofinansowywanie inwestycji, ale obniżenie kosztów energii?

Literatura

1. https://yearbook.enerdata.net/total-energy/world-consumption­-statistics.html (dostęp: 10.09.2018).
2. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie jakości energetycznej budynków.
3. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (DzU 1994, nr 89, poz. 414, z późn. zm.).
4. Ustawa z dnia 21 listopada 2008 r. o wspieraniu termomodernizacji i remontów (DzU 2008, nr 223, poz. 1459, z późn. zm.).
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2017, poz. 2285).
6. Dyrektywa Rady 93/76/EWG z dnia 13 września 1993 r. mająca na celu ograniczenie emisji CO2 przez podniesienie skuteczności energetycznej.
7. https://www.tauron.pl/dla-domu/prad/taryfa-sprzedawcy (dostęp: 12.09.2018).
8. https://www.weglokokskraj.pl/pl/sprzedaz-wegla/ekogroszek­-skarbek (dostęp: 12.09.2018).
9. pellasx.pl/ogrzewanie-pelletem/Pelle (dostęp: 12.09.2018).
10. pgnig.pl/dla-domu/taryfa (dostęp: 12.09.2018).
11. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376, z późn. zm.).
12. Rogowski Waldemar, Rachunek opłacalności inwestycji. Wyzwania teorii i potrzeby praktyki, Wyd. Wolters Kluwer, Warszawa 2013.
13. www.katowice.energiaisrodowisko.pl/energia-w- twoim-miescie//13-dynamika-wzrostu-cen (dostęp: 12.09.2018).
14. stat.gov.pl/obszary-tematyczne/ceny-handel/wskaźniki -cen//wskaźniki-cen-towarow-i-uslug-pot-inflacja (dostęp: 12.09.2018).
15. www.obligacjeskarbowe.pl/oferta-obligacji/obligacje- 2-letnie-dos//dos0920 (dostęp: 12.09.2018).
16. PN-EN 12831-1:2017-08 Charakterystyka energetyczna budynków. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego. Cz. 1: Obciążenie cieplne.
17. PN-EN ISO 52016-1:2017-09 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia, wewnętrzne temperatury oraz jawne i utajone obciążenia cieplne. Część 1: Procedury obliczania.
18. www.retscreen.net (dostęp: 2.09.2018).
19. www.retscreen.net/Clean Energy Project Analysis/RETScreen Engineering&Cases Textbook (dostęp: 2.09.2018).
20. www.kb.pl/porady/cennik-elewacji (dostęp: 20.09.2018).
21. www.viessmann.pl (dostęp: 20.09.2018).
22. www.vaillant.pl (dostęp: 20.09.2018).
23. www.dedietrich.pl (dostęp: 20.09.2018).
24. www.buderus.com/pl/pl (dostęp: 20.09.2018).
25. www.galmet.com.pl (dostęp: 20.09.2018).
26. www.defro.pl (dostęp: 20.09.2018).
27. www.kospel.pl/pl (dostęp: 20.09.2018).
28. www.elterm.pl (dostęp: 20.09.2018).
29. www.stiebel-eltron.pl (dostęp: 20.09.2018).
30. www.dimplex.pl (dostęp: 20.09.2018).
31. www.nibe.pl (dostęp: 20.09.2018).

Artykuł ukazał się w miesięczniku „IZOLACJE” 11–12/2019.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!