Zarządzanie energią w budynkach – obowiązek czy konieczność? Cz. 2

Przeczytaj część 1. artykułu >>

Zarządzanie energią a wymagania prawne

Idea inteligentnych budynków i jej rozwój wpisują się w unijne cele dotyczące poprawy efektywności energetycznej i jakości powietrza, zmniejszenia emisji CO₂ i zwiększania komfortu życia mieszkańców. Znowelizowana w 2018 r. dyrektywa 2018/844 w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (EPBD) [2] nakłada na państwa członkowskie UE obowiązek ustanowienia długoterminowej strategii wspierania renowacji istniejących zasobów mieszkalnych i niemieszkalnych, zarówno publicznych, jak i prywatnych, tak aby do 2050 r. osiągnęły one efektywność energetyczną odpowiadającą standardowi budynków o niemal zerowym zużyciu energii [3].

W lutym 2022 r. Rada Ministrów przyjęła dokument pt. „Długoterminowa strategia renowacji budynków” (DSRB) [7], którego jednym z celów jest wsparcie wdrożenia systemów inteligentnego zarządzania energią na poziomie budynków i miast w celu optymalizacji jej wykorzystania, m.in. poprzez wprowadzenie wskaźnika gotowości budynków do obsługi inteligentnych sieci SRI (ang. Smart Readiness Indicator) [15] – ma to zwiększyć świadomość nt. korzyści płynących z zastosowania inteligentnych technologii informacyjno-komunikacyjnych w budynkach.

Możliwości automatyzacji procesów energetycznych oraz infrastruktura inteligentnego domu pozwalają zarządzać budynkiem i klimatem wewnętrznym, zwiększać możliwości wykorzystania funkcjonalności pomieszczeń, a także bezpieczeństwo użytkowników i mienia. Umożliwia to optymalizację zużycia energii oraz kosztów użytkowania. Istotą Smart Building jest wysoki stopień zintegrowania wyspecjalizowanych systemów poszczególnych urządzeń oraz oprogramowania sterującego wykorzystującego sztuczną inteligencję. Budynki typu smart różnią się od obiektów wyposażonych w niezależne systemy sterowania tym, że procesy energetyczne są w nich zintegrowane wokół jednostki nadrzędnej realizującej zadane cele. Celem takim może być monitorowanie budynku pod względem zużycia energii albo zapewnienie komfortu użytkowania. W tradycyjnym budynku każda funkcjonalność działa autonomicznie, co uniemożliwia wykorzystanie efektu synergii do poprawy efektywności energetycznej całego obiektu [1].

Na podstawie kilkudziesięciu lat doświadczeń można wyciągnąć wniosek, że żaden z nowo instalowanych systemów w budynkach nie powinien działać niezależnie od innych. Zastosowanie sterowania opartego na zespole zależności i algorytmów zapewnia efektywne zarządzanie klimatem wewnętrznym, energią cieplną, chłodniczą i elektryczną. Budynek to swego rodzaju ekosystem, który w dużym stopniu zależy od warunków pogodowych i ma wpływ na zanieczyszczenie powietrza [8].

Eksperci od zrównoważonego budownictwa wskazują, że: Metodyka powinna również uwzględniać interoperacyjność między systemami technicznymi budynków oraz pozytywny wpływ istniejących sieci łączności, zgodnie z odpowiednimi unijnymi przepisami dotyczącymi ochrony danych i prywatności oraz najlepszymi dostępnymi technikami bezpieczeństwa cybernetycznego. Ponadto, zgodnie z wersją przekształconą dyrektywy EPBD, SRI powinny być identyfikowane w prosty i przejrzysty sposób, aby były łatwo zrozumiałe dla konsumentów, użytkowników i inwestorów. Techniczne i polityczne procesy ustanowienia SRI, które rozwinęły się w ciągu ostatnich trzech lat, zbliżają się do końca. Przy obecnych założeniach akty prawne ustanawiające system SRI i szczegółowo określające techniczne warunki jego realizacji powinny zostać przyjęte do końca października 2020 r. [14].

Interoperacyjność wymusza korzystanie z rozwiązań umożliwiających komunikację i niezawodną współpracę pomiędzy automatyką produktową a nadrzędnym systemem zarządzania energią.

Polskie wymagania prawne

Zarządzanie energią w obiektach budowlanych w Polsce ma już stosunkowo długą historię. Pierwsze udane realizacje sięgają połowy lat 90. XX w. Wszystkie realizowane projekty zainicjowane były doświadczeniami zagranicznymi, jednak w wielu wypadkach zabrakło prawidłowej eksploatacji. Stosowanie mechanizmów zarządzania energią bez świadomości celu, możliwości i wreszcie efektów stwarzało więcej problemów użytkowych niż korzyści. Z czasem świadomość użytkowników i zarządców budynków rosła, równie szybko jak możliwości teleinformatyczne. Rozwój systemów zarządzania, aspekty środowiskowe, efektywność energetyczna, certyfikacja budynków, zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych oraz wygoda i moda wpłynęły na coraz częstsze stosowanie zarządzania energetycznego budynkami o niemal zerowym zużyciu energii. Efekty są bardzo zachęcające, a opłacalność radykalnie się zwiększyła w ostatnich latach ze względu na wzrost cen nośników energii. Czy zatem wymagania prawne narzucają konieczność stosowania energetycznego zarządzania budynkami? Odpowiedź na to pytanie wymaga analizy kilku aktów prawnych oraz programów rządowych.

Długoterminowa strategia renowacji budynków

Wspomniana wcześniej „Długoterminowa strategia renowacji budynków” [7] zawiera m.in. zalecenia dotyczące zarządzania energią. Dokument ten określa kierunek długofalowej renowacji (głębokiej termomodernizacji) i modernizacji budynków poprzez realizację kolejnych celów dostosowanych do specyfiki i charakterystyki użytkowej obiektu, w tym:

1. Konieczność zintegrowanego podejścia do systemów zarządzania budynkiem. Może być ono realizowane poprzez uwzględnienie i zarządzanie wszystkimi systemami budynkowymi za pomocą jednego panelu operatorskiego (systemy klimatyzacji/wentylacji, ciepła woda użytkowa, chłodnictwo, ciepłownictwo, urządzenia pomocnicze, oświetlenie).

2. Rozliczanie systemów znajdujących się w budynku na podstawie zużycia energii elektrycznej (podział zużycia w celu oceny poprawności działania danych systemów oraz łatwa optymalizacja zużycia energii elektrycznej w całym budynku).

3. Tworzenie technologii i systemów integrujących zespoły inteligentnych budynków i infrastrukturę inteligentnych miast.

4. Implementacja systemów pozwalających na łatwe i pełniejsze wykorzystanie funkcji budynków inteligentnych (np. system zarządzania budynkiem – BMS), w tym ułatwień dostępu i sterowania (gestem i mową) z wykorzystaniem smartfona.

5. Stosowanie systemów dystrybucji energii w budynku w zależności od dostępności i chwilowych potrzeb, poprzedzone opracowaniem systemu priorytetyzacji wykorzystania różnych źródeł energii w zintegrowanym systemie energetycznym budynku.

6. Projektowanie, budowa i testowanie modułów komunikacyjnych zapewniających wymianę danych i zarządzanie aktywnymi elementami inteligentnych budynków.

7. Projektowanie, budowa i testowanie zintegrowanych systemów zarządzania energią dla autonomicznych systemów lokalnych (zarządzanie systemem budynków rozproszonych – np. ELPCLOUD, chmurowe systemy BMS).

Powyższe siedem zaleceń (7×BMS) składa się na pełnię oczekiwań wobec zintegrowanych systemów zarządzania energią w budynkach. Wytyczne te z pewnością będą w najbliższych latach rozwijane i wdrażane, a ich efekty monitorowane. Celem nadrzędnym jest bowiem „inteligentne” użytkowanie budynków neutralnych klimatycznie.

Może Cię zainteresuje: Komputerowe zarządzanie energią w halach przemysłowych

Prawo budowlane a zarządzanie energią

W Prawie budowlanym [10] nie znajdziemy bezpośrednich zapisów dotyczących systemów zarządzania energią. W art. 5.1 zamieszczono jedynie podstawowe wymagania, których brzmienie można powiązać ze zużyciem energii:

Obiekt budowlany jako całość oraz jego poszczególne części, wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi należy, biorąc pod uwagę przewidywany okres użytkowania, projektować i budować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej, zapewniając:

1. spełnienie podstawowych wymagań dotyczących obiektów budowlanych określonych w załączniku I do rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011 (...), dotyczących (...) f) oszczędności energii i izolacyjności cieplnej (...).

Podstawowe wymagania dotyczące obiektów budowlanych

Obiekty budowlane jako całość, a także ich poszczególne części muszą się nadawać do użycia zgodnie z planowanym zastosowaniem, przy czym należy w szczególności wziąć pod uwagę zdrowie i bezpieczeństwo osób mających z nimi kontakt przez cały cykl życia tych obiektów. Zgodnie z § 328 Warunków technicznych [11] i pkt 6 pt. „Oszczędność energii i izolacyjność cieplna” z załącznika I do tego rozporządzenia: Obiekty budowlane i ich instalacje grzewcze, chłodzące, oświetleniowe i wentylacyjne muszą być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby utrzymać na niskim poziomie ilość energii wymaganej do ich użytkowania, przy uwzględnieniu potrzeb zajmujących je osób i miejscowych warunków klimatycznych. Obiekty budowlane muszą być również energooszczędne i zużywać jak najmniej energii podczas ich budowy i rozbiórki. Zapis ten jest bardzo ogólny, jednak zużycie energii powinno być utrzymywane na racjonalnie niskim poziomie w całym cyklu „życia” budynku.

Charakterystyka energetyczna

W rozporządzeniu w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynków [13] podano metody wyznaczania sprawności systemów grzewczych, chłodniczych, ciepłej wody oraz oświetlenia. Nie ma w nim jednak odniesienia do centralnych systemów zajmujących się integracją energetyczną budynku i optymalizacją zużycia energii. Nie wiadomo, w jaki sposób należy szacować poprawę sprawności regulacji, w przypadku gdy stosowany jest jeden z modeli zarządzania energią: BMS, EMS czy HMS. Nie wiadomo również, co dokładnie miałoby znaczyć samo hasło „zarządzanie energią” i jaki będzie to miało wpływ na zużycie energii. Zgodnie z rozporządzeniem [13], charakterystykę energetyczną budynku określa się na podstawie obliczonej lub faktycznie zużytej ilości energii. Z doświadczeń autorów wynika, że zastosowanie systemu BMS lub EMS pozwala zaoszczędzić od 5 do 20% energii.

Warunki techniczne (WT 2021)

Stosowanie automatycznych systemów sterowania automatyki produktowej zostało narzucone w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych [11] w rozdziałach dotyczących źródeł ciepła i chłodu oraz wentylacji mechanicznej. Zgodnie z wymaganiami WT 2021 zawartymi w § 135.7 i 8: Instalacje ogrzewcze powinny być zaopatrzone w urządzenia, które automatycznie regulują temperaturę oddzielnie w poszczególnych pomieszczeniach. W przypadku braku możliwości montażu urządzeń automatycznie regulujących temperaturę oddzielnie w poszczególnych pomieszczeniach dopuszcza się stosowanie regulacji w strefie ogrzewanej.

Wymaganie, o którym mowa w ust. 7, stosuje się w przypadku:

1. możliwości realizacji z technicznego punktu widzenia, w oparciu o opinię sporządzoną przez osobę posiadającą uprawnienia do projektowania w odpowiedniej specjalności, oraz

2. możliwości realizacji z ekonomicznego punktu widzenia, na podstawie porównania początkowych kosztów instalacji urządzenia, które automatycznie reguluje temperaturę, ze spodziewanymi oszczędnościami kosztów energii, wynikającymi z instalacji tych urządzeń, gdzie okres zwrotu z inwestycji jest nie dłuższy niż 5 lat.

Co ważne, § 135.10 stanowi, że Wymaganie, o którym mowa w ust. 7, stosuje się również w przypadku wymiany źródła ciepła w budynkach użytkowanych.

Również instalacje klimatyzacji powinny być zaopatrzone w urządzenia, które automatycznie regulują temperaturę oddzielnie w poszczególnych pomieszczeniach (§ 147.5 WT).

I podobnie jak w przypadku instalacji ogrzewczych:

6. W przypadku braku możliwości montażu urządzeń automatycznie regulujących temperaturę oddzielnie w poszczególnych pomieszczeniach dopuszcza się stosowanie regulacji w strefie chłodzącej.

7. Wymaganie, o którym mowa w ust. 5, stosuje się w przypadku:

1) możliwości realizacji z technicznego punktu widzenia, w oparciu o opinię sporządzoną przez osobę posiadającą uprawnienia do projektowania w odpowiedniej specjalności, oraz

2) możliwości realizacji z ekonomicznego punktu widzenia, na podstawie porównania początkowych kosztów instalacji urządzenia, które automatycznie reguluje temperaturę, ze spodziewanymi oszczędnościami kosztów energii, wynikającymi z instalacji tych urządzeń, gdzie okres zwrotu z inwestycji jest nie dłuższy niż 5 lat.

Rozporządzenie w sprawie zakresu i formy projektu budowlanego

Rozporządzenie w sprawie zakresu i formy projektu budowlanego [12] obliguje projektanta do wykonania analiz i przedstawienia ich wyników w zakresie wyboru systemu automatycznej regulacji. Zgodnie z § 20 pkt 11 projektant musi zamieścić: analizę technicznych i ekonomicznych możliwości wykorzystania urządzeń, które automatycznie regulują temperaturę oddzielnie w poszczególnych pomieszczeniach lub w wyznaczonej strefie ogrzewanej, zgodnie z § 135 ust. 7–10 i § 147 ust. 5–7 rozporządzenia WT [11]. Przykładową analizę zamieszczono poniżej.

Przykład analizy systemu automatycznej regulacji

Opis systemu grzewczego

W pomieszczeniach ogrzewanie realizowane będzie z wykorzystaniem pompy ciepła (chłodnicy/nagrzewnicy freonowej) zainstalowanej w centrali wentylacyjnej zasilanej z agregatów skraplających. Dodatkowym źródłem ciepła jest nagrzewnica elektryczna zainstalowana w centrali wentylacyjnej. W sali konsumpcyjnej ogrzewanie realizowane będzie za pomocą pompy ciepła zasilającej jednostki wewnętrzne klimatyzatorów kasetonowych. W szatniach oraz WC ogrzewanie realizowane jest za pomocą grzejników elektrycznych konwekcyjnych. Sprawności zastosowanych systemów ogrzewania podano w tabeli 1.

Analiza techniczna

Analiza dotycząca wykorzystania urządzeń automatycznie regulujących temperaturę oddzielnie w poszczególnych pomieszczeniach lub w wyznaczonej strefie ogrzewanej wykazała, że istnieją techniczne możliwości zastosowania systemu EMS do automatycznej i zdalnej regulacji temperatury w pomieszczeniu. Obliczenia zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania zawiera tabela 2.

Analiza ekonomiczna

Wyniki ekonomicznej analizy możliwości wykorzystania urządzeń automatycznie regulujących temperaturę oddzielnie w poszczególnych pomieszczeniach lub w wyznaczonej strefie ogrzewanej podano w tabeli 3.

W analizowanym przypadku zastosowanie systemu EMS do automatycznej i zdalnej regulacji temperatury jest ekonomicznie nieuzasadnione. Czas zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych przekracza okres trwałości rozwiązania. Najprawdopodobniej zamieszczone w rozporządzeniu sprawności uniemożliwiają oszacowanie korzyści wynikających z zastosowania zintegrowanego systemu zarządzania energią. Dostępne są też przykłady zmierzonych korzyści, w których czas zwrotu poniesionych nakładów nie przekracza 2–3 lat. Warto wówczas zastosować bardziej skomplikowane systemy zarządzania energią i optymalizacji kosztów eksploatacyjnych.

Systemy zarządzania energią w budynku

Szacuje się, że w Europie 25% zasobów budowlanych powstało przed rokiem 1950, w Polsce – 29%. Wiele z nich jest objętych obowiązkiem zachowania wartości historycznych, przez co są one wyłączone z obowiązku stosowania minimalnych wymagać prawnych dotyczących kwestii energetycznych.

W zakresie EMS (Energy Management Systems) opracowany zostanie osobny sposób ewaluacji budynków przy użyciu wskaźnika SRI [9]. Ze względu na największy udział budownictwa w ogólnym zużyciu energii (41%) bardzo pożądane są wszelkie działania ograniczające ich energochłonność. Systemy informatyczne umożliwiają zmniejszenie zużycia energii poprzez zarządzanie nią. Wśród użytkowników bardzo powoli rośnie zainteresowanie certyfikacją energetyczną – ich oczekiwania koncentrują się głównie na minimalizacji kosztów eksploatacyjnych. Wymagania prawne doprowadzą jednak do coraz częstszego stosowania systemów zarządzania i optymalizacji zużycia energii.

Podsumowanie

Najbliższe lata podporządkowane będą w budownictwie zapewnianiu komfortu użytkowania przy zachowaniu optymalnego zużycia energii i minimalnych kosztów, w tym środowiskowych. Działania te, wspierane przez najnowsze technologie, umożliwią osiągnięcie neutralności klimatycznej. Dążenie do zwiększania wartości wskaźnika SRI (Smart Readiness Index) zarówno w nowych, jak i modernizowanych budynkach bez wątpienia skutkować będzie obniżeniem śladu węglowego, większą niezawodnością systemów ogrzewania, wentylacji i bezpieczeństwa oraz znaczącym obniżeniem kosztów eksploatacji, serwisowania, konserwacji i administracji. Kluczowe jest również zapewnienie ciągłej informacji dotyczącej stanu poszczególnych urządzeń i układów oraz utrzymywanych warunków, a także systemu alertów o zróżnicowanych priorytetach (pilny, krytyczny, zagrożenie życia, informacyjny), które zwiększają bezpieczeństwo użytkowania budynku przez 24 godziny na dobę.

W związku ze zwiększoną ilością czasu spędzanego przez użytkowników wewnątrz budynków istotne staje się utrzymanie warunków powietrza zbliżonych do środowiska naturalnego – z uwzględnieniem zarządzania wilgotnością, temperaturą, poziomem CO2, poziomem zanieczyszczenia powietrza wewnętrznego, jonizacji itp. Gwarantuje to polepszenie ich samopoczucia [16], większą ochronę układu oddechowego, odpowiednią ilość tlenu dostarczoną do organizmu czy zmniejszenie prawdopodobieństwa wystąpienia lub zaostrzenia alergii oraz dolegliwości związanych z układem pokarmowym, oddechowym i nerwowym.

Literatura

1. Romańska-Zapała Anna, Zintegrowane systemy sterowania procesami w obiektach budowlanych, „Materiały Budowlane” 5/2014, s. 115–116

2. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/844 z dnia 30 maja 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków i dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej (Dz. Urz. UE L 156/75)

3. Zalecenie Komisji (UE) 2019/786 z dnia 8 maja 2019 r. w sprawie renowacji budynków (notyfikowana jako dokument nr C(2019) 3352) (Dz. Urz. UE L 127/34)

4. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (Dz.Urz. UE L 153/13)

5. Rozporządzenie delegowane Komisji (UE) 2020/2155 z dnia 14 października 2020 r. uzupełniające dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE poprzez ustanowienie opcjonalnego wspólnego systemu Unii Europejskiej w zakresie oceny gotowości budynków do obsługi inteligentnych sieci (Dz.Urz. UE L 431/9)

6. Rozporządzenie wykonawcze Komisji (UE) 2020/2156 z dnia 14 października 2020 r. określające warunki techniczne skutecznego wdrożenia opcjonalnego wspólnego systemu Unii Europejskiej w zakresie oceny gotowości budynków do obsługi inteligentnych sieci (Dz.Urz. UE L 431/25)

7. Załącznik do uchwały nr 23/2022 Rady Ministrów z dnia 9 lutego 2022 r.: Długoterminowa strategia renowacji budynków. Wspieranie renowacji krajowego zasobu budowlanego, www.gov.pl

8. Godlewski T., Rola czynników klimatycznych w projektowaniu geotechnicznym i kształtowaniu konstrukcji, XVI Konferencja Naukowo-Techniczna „Warsztat pracy rzeczoznawcy budowlanego”, Kielce-Cedzyna, 26–28 października 2020 r.

9. Fokaides Paris A., Panteli Christiana, Panayidou Andri, How Are the Smart Readiness Indicators Expected to Affect the Energy Performance of Buildings: First Evidence and Perspectives, „Sustainability” 2020, 12, 9496, https://doi.org/10.3390/su12229496

10. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (DzU 1994, nr 89, poz. 414, z późn. zm.)

11. 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.)

12. Rozporządzenie Ministra Rozwoju z dnia 11 września 2020 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (DzU 2020, poz. 1609)

13. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376)

14. Vigna Ilaria, Pernetti Roberta, Pasut Wilmer, Lollini Roberto, New domain for promoting energy efficiency: Energy Flexible Building Cluster, „Sustainable Cities and Society”, 2018, Vol. 38, p. 526–533

15. Marchwiński Janusz, Kurtz-Orecka Karolina, Effect of photovoltaic installation power and façade glazing ratio on the energy performance of a nursery building, „Engineering Construction & Architectural Management”, 2022, DOI:10.1108/ECAM-08-2021-0735

16. Mainka Anna, Zajusz-Zubek Elwira, Kozielska Barbara, Brągoszewska Ewa, Badanie zanieczyszczeń powietrza oddziałujących na dzieci w przedszkolu miejskim zlokalizowanym przy drodze o dużym natężeniu ruchu, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, „Inżynieria i Ochrona Środowiska”, 2015, t. 18, nr 1, s. 119–133