Wpływ systemu zasilania w energię wielorodzinnego budynku mieszkalnego na wartość wskaźnika EP

Wersja przekształcona dyrektywy o charakterystyce energetycznej budynków z 2010 roku [1] (EPBD 2010) narzuciła krajom członkowskim obowiązek zdefiniowania standardu budynku o niemal zerowym zużyciu energii oraz ustanowienia krajowego planu mającego na celu zwiększenie liczby takich budynków, wraz z harmonogramem osiągania postawionych celów. W Polsce przepisy te zostały wprowadzone w ramach nowelizacji rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, z roku 2013 [2]. Ich konsekwencją jest stopniowe zaostrzanie wymagań dotyczących ochrony cieplnej budynków, w tym kolejne – od 31 grudnia 2020 r. Po tym terminie wszystkie nowo projektowane budynki muszą odpowiadać standardowi budynku o niemal zerowym zużyciu energii.

Zaostrzone wymagania dot. ochrony cieplnej budynku odnoszą się zarówno do wymagań cząstkowych – maksymalnych współczynników przenikania ciepła przegród, jak i wymagania dotyczącego maksymalnej dopuszczalnej wartości wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP. Projektanci nowych budynków, architekci i inżynierowie zostali postawieni przed problemem takiego projektowania budynków, aby z jednej strony spełnić wymagania cząstkowe, a z drugiej nie przekroczyć określonej wartości wskaźnika EP, stosując racjonalne ekonomicznie rozwiązania.

W artykule przedstawiono rozważania dotyczące wpływu systemu zasilania wielorodzinnego budynku mieszkalnego w energię na wartość wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP. Dyskusja ta ma na celu pokazanie, jakie mogą być konsekwencje stosowania różnych źródeł energii w kontekście spełnienia wymagań Prawa budowlanego.

Bilans energetyczny budynku

Wartość wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną budynku oblicza się zgodnie z metodyką zawartą w rozporządzeniu w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej [3]. Metodyka obliczeń ciepl­nych oparta jest na obliczeniach bilansowych miesięcznych zgodnie z wycofaną w 2017 roku normą PN-EN ISO 13790 dotyczącą obliczeń zapotrzebowania na energię do ogrzewania i chłodzenia [4]. Natomiast ogólną podstawę dla metodyki opracowania świadectw stanowi norma PN-EN 15217 Charakterystyka energetyczna budynków. Metody wyrażania charakterystyki energetycznej i certyfikacji energetycznej budynków [5].

W ramach świadectw charakterystyki energetycznej budynku wykonuje się obliczenia zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej, chłodzenia (tam, gdzie występuje) i zapotrzebowania na energię końcową tych systemów z uwzględnieniem energii pomocniczej oraz zapotrzebowania na energię końcową do oświetlenia (dla budynków niemieszkalnych) i ostatecznie zapotrzebowania na energię pierwotną. Kierunki wykonywania obliczeń oraz dostawy energii pokazane zostały schematycznie na rys. 1.

Zapotrzebowanie na energię użytkową wynika z bilansu cieplnego pomieszczenia i uwzględnia zyski wewnętrzne, zyski słoneczne, straty ciepła przez przenikanie i wentylację oraz współczynnik wykorzystania zysków ciepła w trybie ogrzewania bądź strat ciepła w trybie chłodzenia. Obliczenie zapotrzebowania na energię końcową wymaga podzielenia zapotrzebowania na energię użytkową przez sprawność całkowitą systemu η_tot, która jest iloczynem czterech cząstkowych sprawności sezonowych: wytwarzania, przesyłu, akumulacji oraz regulacji i wykorzystania. Zapotrzebowanie na energię pierwotną to iloczyn zapotrzebowania na energię końcową i współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej w_i.

Aby obliczyć zapotrzebowanie na energię pierwotną do ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej lub chłodzenia bez uwzględnienia energii pomocniczej, można skorzystać z poniższej zależności:

Łatwo zatem zauważyć, że aby uzyskać jak najniższą wartość zapotrzebowania na energię pierwotną, należy dążyć do tego, by sprawność całkowita systemu była jak najwyższa, a współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej jak najniższy.

Sprawność całkowita i współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej

Sezonowe sprawności instalacji zależą od zaprojektowanego systemu oraz źródła ciepła. Średniosezonowe sprawności wytwarzania ciepła zgodnie z metodyką obliczeń świadectw charakterystyki energetycznej należy przyjmować na podstawie danych producenta lub protokołów z okresowych kontroli systemów. W przypadku braku danych, w rozporządzeniu w sprawie metodologii wyznaczania świadectw charakterystyki energetycznej [3] podano wartości dla najpopularniejszych źródeł energii. Dla lokalnych źródeł ciepła spalających paliwo i stosowanych do ogrzewania wartości te wahają się od 0,60 do 0,98, dla bezpośrednich podgrzewaczy elektrycznych od 0,94 do 1,00, dla węzłów ciepłowniczych od 0,91 do 0,99, a dla pomp ciepła (gazowych i sprężarkowych) od 1,30 do 4,00. Jednak wraz z wyborem źródła energii przyporządkowany zostaje odpowiadający mu współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej w_i.

Wartości współczynnika w_i w dużej mierze zależą od uwarunkowań geopolitycznych. Dla paliw oraz energii elektrycznej zostały one ustalone na stałym poziomie, opisanym w rozporządzeniu [3]. Dla sieci ciepłowniczych dostawca powinien wyznaczyć tę wartość zgodnie z odpowiednimi przepisami wydanymi na podstawie ustawy o efektywności energetycznej [6]. W przypadku braku wyznaczenia wartości współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej przez dostawcę ciepła sieciowego można użyć wartości domyślnych znajdujących się w tabeli rozporządzenia w sprawie metodologii wyznaczania świadectw charakterystyki energetycznej. Na rys. 2 przedstawiono wartości współczynnika w_i z tabeli w rozporządzeniu. Widać, że w przypadku paliw kopalnych bezpośrednio spalanych na miejscu oraz domyślnych systemów ciepłowniczych bez kogeneracji wartości w_i są większe od jedności. Dla źródeł odnawialnych wartość współczynnika w_i wynosi 0. W przypadku paliw odnawialnych oraz sieci ciepłowniczych z kogeneracji wartości te są poniżej jedności. Najwyższa wartość, równa 3,0, występuje w przypadku systemowej energii elektrycznej.

Tak jak wcześniej wspomniano, dostawca ciepła sieciowego powinien indywidualnie określić współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla swojego systemu ciepłowniczego. W kontekście projektowania nowych budynków i spełnienia wymagań dot. ochrony cieplnej w zakresie nieprzekroczenia dopuszczalnej wartości wskaźnika EP jest to o tyle ważne, że zgodnie z przepisami Prawa budowlanego do projektu budowlanego należy dołączyć oświadczenie projektanta dotyczące możliwości podłączenia projektowanego obiektu budowlanego do istniejącej sieci ciepłowniczej [7]. Prawo energetyczne [8] generalnie wymaga podłączenia nowego budynku do sieci ciepłowniczej, jeśli jest to technicznie możliwe, choć w określonych przypadkach można zaprojektować inne źródło ciepła. W związku z powyższym wymaganiem oraz bezpośrednim wpływem współczynnik w_i na wielkość zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną wielu dostawców ciepła sieciowego podaje na stronach internetowych wartości w_i swoich systemów.

W tabeli 1 przedstawiono wartości współczynnika w_i wybranych systemów ciepłowniczych. Źródłem przedstawionych współczynników są w większości dane udostępnione przez dostawców ciepła w poszczególnych miastach. Jeśli takie dane nie były publicznie dostępne, przyjęto domyślny współczynnik z rozporządzenia w sprawie metodologii wyznaczania świadectw charakterystyki energetycznej [3]. Widać, że współczynnik w_i może przyjmować różne wartości w zależności od systemu ciepłowniczego, od 0,260 w Białymstoku do 1,300 w Radomiu. Powoduje to, że wartość zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną takiego samego budynku, ale w różnej lokalizacji (poza oczywiście danymi klimatycznymi) w dużej mierze zależy właśnie od parametrów systemu ciepłowniczego.

Wpływ źródła ciepła na wartość EP

W celu przedstawienia wpływu systemu zasilania budynku w energię na wartość wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP wykonano obliczenia charakterystyki energetycznej budynku mieszkalnego wielorodzinnego przy założeniu różnych źródeł energii.

Obliczenia przeprowadzono dla budynku referencyjnego wielorodzinnego NAPE [9] o ośmiu kondygnacjach nadziemnych, na których znajdują się 23 lokale mieszkalne. Powierzchnia użytkowa budynku wynosi 1634 m², kubatura całkowita 5865 m³, a współczynnik kształtu budynku A/V 0,35. Założono parametry cieplne przegród budynku zgodne z wymaganiami Prawa budowlanego [2] obowiązującymi od 31 grudnia 2020 r. Przyjęto wentylację mechaniczną wywiewną i średni strumień powietrza wentylacyjnego zgodny z rozporządzeniem w sprawie metodologii sporządzania charakterystyki energetycznej budynku [3]. W obliczeniach przyjęto dane klimatyczne dla Warszawy. Model obliczeniowy budynku przedstawiono na rys. 3.

Obliczenia zapotrzebowania na energię pierwotną wykonano zgodnie z metodyką sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej dla czternastu różnych źródeł ciepła: trzech z lokalnym spalaniem paliwa, dziewięciu przyłączy do sieci ciepłowniczej o różnej wartości współczynnika w_i oraz powietrznej i gruntowej pompy ciepła. Źródłem współczynników nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej są dane udostępnione przez dostawców ciepła wybranych systemów ciepłowniczych w Polsce (0,260 – Białystok, 0,510 – Łódź, 0,646 – Wrocław, 0,860 – Warszawa, 0,969 – Szczecin, 1,150 – Suwałki) oraz wartości domyślne z rozporządzenia w sprawie metodologii wyznaczania świadectw charakterystyki energetycznej (0,800; 1,200; 1,300).

Sprawności cząstkowe w instalacji ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej przyjęto jako wartości tabelaryczne z rozporządzenia w sprawie metodologii wykonywania świadectw charakterystyki energetycznej [3]. W przypadku indywidualnych źródeł ciepła w instalacji c.w.u. założono zainstalowanie zasobnika akumulacyjnego ciepłej wody. W tabeli 2 pokazano przyjęte sprawności cząstkowe i całkowite różnych systemów (wytwarzania η_g, przesyłu η_d, regulacji i wykorzystania η_e, akumulacji η_s oraz całkowitą η_tot).

W tabeli 3 i 4 przedstawiono wyniki obliczeń wskaźników zapotrzebowania na energię użytkową, końcową i pierwotną odpowiednio wariantów z indywidualnymi źródłami ciepła jak i źródłami sieciowymi. W tabelach pokazano:

• Q_H,nd – roczne zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji,
• E_el,pom,H – roczne zapotrzebowanie na energię pomocniczą końcową dla systemu ogrzewania,
• Q_W,nd – roczne zapotrzebowanie na energię użytkową do przygotowania ciepłej wody użytkowej,
• E_el,pom,W – roczne zapotrzebowanie na energię pomocniczą końcową dla systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej,
• w_i – współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej źródła ciepła,
• w_el – współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej energii elektrycznej,
• EU – wskaźnik rocznego zapotrzebowania na energię użytkową,
• EK – wskaźnik rocznego zapotrzebowania na energię końcową,
• EP – wskaźnik rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną.

W przypadku analizowanych wariantów budynku z indywidualnymi źródłami ciepła tylko przy kotle na biomasę udało się spełnić wymagania Prawa budowlanego nieprzekroczenia wskaźnika granicznego EP, równego 65 kWh/m²rok. Jest to ściśle związane z niską wartością współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej, wynoszącą 0,2. Warto zaznaczyć, że źródło to, jak pokazano w tabeli 2, charakteryzuje się najniższą wartością całkowitej sprawności sezonowej systemu ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. W przypadku pompy ciepła, zarówno powietrznej, jak i gruntowej, które charakteryzują się najwyższą sprawnością systemów, otrzymane wartości wskaźników EP są wyższe od wartości dopuszczalnej. Trzeba tu jednak zaznaczyć, że na rynku dostępne są urządzenia charakteryzujące się wyższą efektywnością wytwarzania niż przyjęta wartość domyślna z rozporządzenia i można je przyjmować w obliczeniach. Wysoka wartość wskaźnika EP wariantów budynku ze sprężarkowymi pompami ciepła wynika z wysokiego współczynnika w_i dla systemowej energii elektrycznej, wynoszącego 3,0.

W przypadku wariantów z różnymi współczynnikami nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej systemu ciepłowniczego widać wyraźną zależność wartości otrzymanego wskaźnika EP od współczynnika w_i sieci. Im jest on niższy, tym niższa wartość wskaźnika EP. Widać, że spełnienie wymagań Prawa budowlanego w zakresie wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną następuje przy współczynniku w_i na poziomie 0,800, co jest wartością domyślną z rozporządzenia przyjmowaną dla sieci ciepłowniczych zasilanych z kogeneracji, spalających paliwa kopalne. Należy jednak pamiętać, że w zależności od lokalizacji warunek ten może nie zostać spełniony. Prezentowane obliczenia są właściwe dla danych klimatycznych Warszawy, w przypadku np. Suwałk wartość wskaźnika EP przy w_i = 0,8 może przekraczać wymagania Prawa budowlanego.

Zastosowanie odnawialnych źródeł energii

Dodatkowo sprawdzono, jaki wpływ na wartość wskaźnika EP będzie miało zastosowanie w analizowanych wariantach odnawialnego źródła energii w postaci instalacji paneli fotowoltaicznych (PV) czy cieczowych kolektorów słonecznych.

Założono, że instalacja PV będzie produkować energię elektryczną, która ma pokryć całość zapotrzebowania na energię elektryczną pomocniczą w systemach pomocniczych instalacji ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Na potrzeby artykułu nie dobierano szczegółowo wielkości instalacji, ale oszacowano, że na dachu przykładowego budynku można zamontować instalację PV pozwalającą na pokrycie całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną pomocniczą wykazaną w ramach charakterystyki energetycznej. Zastosowanie takiego odnawialnego źródła energii spowoduje obniżenie wartości wskaźnika EP w każdym wariancie o 10,3 kWh/m²rok. Co ciekawe, nadal nie pozwoli to na spełnienie wymagań Prawa budowlanego w zakresie nieprzekroczenia granicznej wartości EP = 65 kWh/m²rok dla wariantów budynku z indywidualnymi źródłami ciepła. W przypadku wariantów budynku z siecią ciepłowniczą wartość graniczna nie zostanie przekroczona już przy współczynniku nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej systemu ciepłowniczego równej w_i = 0,969.

Drugim rozważanym odnawialnym źródłem energii są cieczowe kolektory słoneczne do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Tak jak w przypadku instalacji PV oszacowano tylko, że na dachu budynku można zainstalować kolektory pozwalające na średniorocznie pokrycie 40% zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Przy takim założeniu wykonano obliczenia wartości wskaźnika EP wszystkich analizowanych wariantów. W zależności od typu źródła oraz współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej wskaźnik EP zmniejszył się z 4,2 kWh/m²rok (w przypadku budynku zasilanego z sieci ciepłowniczej z w_i = 0,260) do 31,1 kWh/m²rok (w przypadku budynku zasilanego z kotła na węgiel). Szczegółowe wyniki obliczeń wskaźnika EP zaprezentowano w tabeli 5.

Zastosowanie instalacji cieczowych kolektorów słonecznych do przygotowania ciepłej wody użytkowej spowodowało, że spełnienie wymagań Prawa budowlanego w zakresie nieprzekroczenia granicznej wartości EP zostało osiągnięte w wariancie budynku z gruntową sprężarkową pompą ciepłą (GPC) oraz z siecią ciepłowniczą ze współczynnikiem wi = 0,969 (WC0969). W przypadku pozostałych wariantów budynku z indywidualnymi źródłami ciepła niespełniających w wariancie bazowym wymagań EP oraz w przypadku budynku zasilanego z sieci ciepłowniczej o współczynniku nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej powyżej wi = 0,969 wartość obliczonego wskaźnika EP nadal przekracza graniczne 65 kWh/m²rok.

Podsumowanie

W artykule przeanalizowano wpływ systemu zasilania w energię budynku mieszkalnego wielorodzinnego na wartość wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP. W ramach obliczeń uwzględniono pięć indywidualnych źródeł ciepła oraz węzeł ciepłowniczy z dziewięcioma różnymi współczynnikami nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej sieci ciepłowniczej. Dodatkowo sprawdzono wpływ zastosowania dodatkowego odnawialnego źródła ciepła w postaci instalacji fotowoltaicznej pokrywającej zapotrzebowanie na energię pomocniczą elektryczną oraz instalacji cieczowych kolektorów słonecznych pokrywających 40% rocznego zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Pokazano, że dla przykładowego budynku z indywidualnym źródłem ciepła tylko w przypadku zastosowania kotła na biomasę spełnione zostało wymaganie Prawa budowlanego w zakresie nieprzekroczenia granicznej wartości EP. Dodatkowe zastosowanie cieczowych kolektorów słonecznych pozwala spełnić to wymaganie także dla budynku z gruntową pompą ciepła. Natomiast pokrycie w 100% zapotrzebowania na energię elektryczną w systemach pomocniczych przez instalację PV nadal nie pozwala obniżyć uzyskanych wartości wskaźnika EP do poziomu poniżej 65 kWh/m²rok.

Wykazano także silną relację pomiędzy współczynnikiem nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej sieci ciepłowniczej a osiąganą wartością wskaźnika EP budynku. Spełnienie wymagań Prawa budowlanego w zakresie dopuszczalnej wartości wskaźnika EP zostało osiągnięte przy współczynniku w_i sieci ciepłowniczej na poziomie 0,8. Zastosowanie dodatkowo instalacji PV lub cieczowych kolektorów słonecznych powoduje, że spełnienie wymagań następuje już przy współczynniku nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej sieci ciepłowniczej w_i = 0,969.

Pomimo że przedstawiona analiza wykonana została w oparciu o tylko jeden przykładowy budynek mieszkalny wielorodzinny, zlokalizowany w jednym miejscu, można pokusić się o bardziej ogólne wnioski. Wybór źródła energii w budynku w sposób znaczący determinuje uzyskaną wartość wskaźnika zapotrzebowania na energię pierwotną EP. Widać, że dla efektywnych energetycznie systemów ciepłowniczych (o niskiej wartości współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej) budynki spełniające minimalne cząstkowe wymagania ochrony cieplnej Prawa budowlanego mogą bez większych przeszkód spełnić wymaganie w zakresie nieprzekroczenia dopuszczalnej wartości wskaźnika EP. Z drugiej strony należy zauważyć, że wartość tego współczynnika w żaden sposób nie zależy od projektanta. Dodatkowo wybór źródła ciepła w budynku także jest ograniczony wymaganiami prawa lokalnego (plany zagospodarowania przestrzennego, uchwały antysmogowe) czy zapisami prawa energetycznego w kontekście obowiązku przyłączania się do efektywnego systemu ciepłowniczego. Nie oznacza to jednak, że projektanci mają związane ręce. Na wskaźnik EP nie wpływa tylko źródło ciepła, ale także jakość izolacyjności cieplnej przegród czy zastosowane systemy techniczne (np. rodzaj systemu wentylacji). Aspekty te nie były poruszone w tym artykule, ale odpowiedni ich dobór także może pozwolić spełnić wymagania w zakresie granicznej wartości EP budynku przy zastosowaniu źródła ciepła charakteryzującego się wysokim współczynnikiem nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej.

Literatura

1. 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 z 18.06.2010).
2. 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).
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376).
4. PN-EN ISO 13790:2006 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii do ogrzewania.
5. PN-EN 15217:2008 Charakterystyka energetyczna budynków. Metody wyrażania charakterystyki energetycznej i certyfikacji energetycznej budynków.
6. Ustawa z dnia 15 kwietnia 2011 r. o efektywności energetycznej (DzU 2011, nr 94, poz. 551, z późn. zm.).
7. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU 1994, nr 89, poz. 414, z późn. zm.).
8. Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. – Prawo energetyczne (DzU 1997, nr 54, poz. 348, z późn. zm.).
9. https://nape.pl/rekomendacje/.