Wymagania energetyczne dla budynków wielorodzinnych a rozwiązania konwencjonalne

Przepisy dotyczące efektywności energetycznej budynków są konstruowane w taki sposób, żeby zachęcić inwestorów do stosowania nie tylko przegród i stolarki o wysokiej izolacyjności oraz odzysku energii, ale również do wykorzystania odnawialnych źródeł energii, a także skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Zapisy znowelizowanych warunków technicznych (WT) [1] obowiązujące od 1 stycznia 2014 wprowadziły stopniowo zaostrzenie wymagań dotyczących ochrony cieplnej oraz efektywności energetycznej wykorzystywanych w budynkach instalacji. Budynek musi spełniać zarówno wymagania szczegółowe (dotyczące parametrów wykorzystywanych komponentów budowlanych), jak i całościowe (dotyczące zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną).

W przypadku wymagań szczegółowych zadanie projektanta jest stosunkowo proste i polega na wybraniu lub zaprojektowaniu komponentów spełniających wymagania określone w warunkach technicznych, przy czym obliczenia temu towarzyszące sprowadzają się zwykle do rozwiązania stosunkowo prostych równań.

Problemów przysparzać może natomiast spełnienie wymagań dotyczących zapotrzebowania na energię pierwotną budynku. Ze względu na znacznie bardziej złożony proces obliczeniowy wybór rozwiązań umożliwiających osiągnięcie odpowiednio niskiego zapotrzebowania na energię pierwotną wymaga rzetelnej wiedzy inżynierskiej obejmującej znajomość dostępnych technologii, z uwzględnieniem zarówno korzyści, jak i kosztów wynikających z ich wykorzystania.

Analiza obliczeniowa

W celu przeanalizowania możliwości spełnienia wymagań obowiązujących od początku 2021 roku w budownictwie mieszkaniowym obliczono zapotrzebowanie na energię dla przykładowego budynku wielorodzinnego, zrealizowanego zgodnie z wymaganiami szczegółowymi:

• liczba kondygnacji nadziemnych: 6,
• budynek podpiwniczony,
• powierzchnia ogrzewana: 6000 m²,
• kubatura ogrzewana: 16 200 m³,
• liczba mieszkańców: 240,
• liczba mieszkań: 70,
• strumień powietrza wentylacyjnego: 6480 m³/h,
• rodzaj wentylacji: naturalna,
• źródło ciepła: centralny kocioł niskotemperaturowy,
• sprawność instalacji c.o.: 0,80,
• sprawność instalacji c.w.u.: 0,52,
• lokalizacja: Warszawa.

Przeprowadzone obliczenia (tabela 1) potwierdziły, że spełnienie wymagań szczegółowych określonych w WT nie gwarantuje spełnienia wymogu dotyczącego wskaźnika EP. Wymagana dla budynków wielorodzinnych wartość EP ≤ 65 kWh/m² została przekroczona o ponad 20 kWh/m² i pozwoliłaby na spełnienie jedynie wymagań obowiązujących w latach 2014–2016. Oznacza to, że aby budynek odpowiadał obecnym wymaganiom, konieczne jest wprowadzenie w projekcie istotnych zmian.

Powinniśmy zatem ograniczyć zapotrzebowanie na energię pierwotną o przeszło 20 kWh/m². Teoretycznie najłatwiej będzie to osiągnąć, działając w obszarach, gdzie zużycie jest największe. Analizując strukturę zużycia energii (rys. 1), można zauważyć, że większość związana jest z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej, jednak zgodnie z obowiązującą metodyką nie ma możliwości uwzględnienia w bilansie energetycznym ograniczenia jej zużycia (np. poprzez zastosowanie wodooszczędnych baterii). Zatem ograniczenie energochłonności możliwe jest jedynie dzięki zwiększeniu sprawności wytwarzania i przesyłu energii.

W przypadku ogrzewania i wentylacji większość strat ciepła wiąże się z przygotowaniem powietrza wentylacyjnego. Jednak straty ciepła przez przenikanie stanowią łącznie niespełna 30% całkowitej wielkości strat, co w wyraźny sposób ogranicza możliwości ich zmniejszenia poprzez poprawę izolacyjności przegród.

Czytaj też: Nowe regulacje w zakresie efektywności energetycznej >>

W celu zidentyfikowania potencjału ograniczenia zużycia energii pierwotnej oraz możliwości osiągnięcia wymaganego poziomu wskaźnika EP przy wykorzystaniu rozwiązań konwencjonalnych w przedstawionym budynku obliczono wartość tego wskaźnika dla sześciu wariantów.

Wariant 1: poprawa izolacyjności cieplnej przegród nieprzezroczystych budynku

W celu ograniczenia strat ciepła w wariancie 1 zaproponowano zwiększenie grubości warstwy izolacyjnej, tak aby osiągnięty współczynnik przenikania ciepła przegrody budynku był dwukrotnie niższy niż wartość wymagana od początku 2021 r. W zależności od rodzaju przegrody wymagana do osiągnięcia założonej wartości współczynnika U dodatkowa grubość izolacji wynosiła od 20 do niemal 30 cm, w wyniku czego całkowita grubość warstwy izolacyjnej dla dachu wyniosła ponad pół metra (tabela 2). Pozostałe parametry budynku pozostały bez zmian. Łączny koszt usprawnień oszacowany został na 155 000 zł.

W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do poziomu 80,1 W/(m²K) (tabela 3), a zatem 5,7 kWh/(m²K), co jest niewystarczające do spełnienia wymagań WT 2021.

Wariant 2: poprawa izolacyjności cieplnej okien

W celu ograniczenia strat ciepła w wariancie 2 zaproponowano zmianę okien o minimalnym wymaganym w WT 2021 współczynniku przenikania ciepła U = 0,9 W/(m²K) na jedne z najlepszych dostępnych na rynku o współczynniku U = 0,5 W/(m²K). W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do 82,0 W/(m²K) (tabela 4), a zatem o 3,8 kWh/(m²K), co jest niewystarczające do spełnienia wymagań WT 2021. Łączny dodatkowy koszt zastosowania okien o wyższej izolacyjności oszacowano na 180 000 zł.

Wariant 3: zastosowanie odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego oraz obniżenie strumienia powietrza w nocy

W celu obniżenia strat ciepła związanych z powietrzem wentylacyjnym w wariancie 3 zaproponowano zastąpienie instalacji wentylacyjnej naturalnej instalacją wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła o sprawności nominalnej 95% (średnia w sezonie 65,5%). Dodatkowo w obliczeniach przyjęto, że system wentylacji będzie umożliwiał redukcję podstawowego strumienia powietrza wentylacyjnego w nocy do poziomu 5670 m³/h.

W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do 74,3 W/(m²K) (tabela 5), a zatem o 11,5 kWh/(m²K), co jest niewystarczające do spełnienia wymagań WT 2021. Stosunkowo niewielka redukcja zapotrzebowania na energię pierwotną wynika z towarzyszącego spadkowi zapotrzebowania na ciepło wzrostu zapotrzebowania na energię pomocniczą do zasilania wentylatorów w centrali wentylacyjnej.

Wykorzystanie odzysku ciepła w budynku wielorodzinnym wymaga zastosowania skomplikowanej instalacji centralnej lub indywidualnych central wentylacyjnych dla poszczególnych mieszkań. Łączny koszt usprawnienia przy założeniu zastosowania mieszkaniowych central wentylacyjnych został oszacowany na 875 000 zł.

Wariant 4: poprawa sprawności instalacji c.o. i c.w.u. poprzez zastosowanie ogrzewania mieszkaniowego

W celu zmniejszenia zapotrzebowania na energię końcową w wariancie 4 zaproponowano poprawę sprawności instalacji c.o. poprzez zastąpienie centralnej instalacji grzewczej ogrzewaniem mieszkaniowym z gazowym kotłem kondensacyjnym. Ponadto zaproponowano usprawnienie systemu regulacji dzięki zastosowaniu zaworów termostatycznych z funkcjami adaptacyjną i optymalizującą. Rozwiązania te umożliwiły zwiększenie sprawności systemu grzewczego η_co z 0,80 do 0,87. Dodatkową korzyścią jest w tym wariancie wzrost sprawności przygotowania c.w.u. η_cwu wynikający ze skrócenia obiegów cyrkulacyjnych – z 0,52 do 0,58.

Czytaj też: Rury preizolowane w komunalnych sieciach ciepłowniczych – wybrane zagadnienia >>

W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do 79 W/(m²K) (tabela 6), a zatem o 6,8 kWh/(m²K), co nie wystarcza do spełnienia wymagań WT 2021.

W przypadku zastąpienia jednego centralnego źródła indywidualnymi źródłami ciepła dla poszczególnych mieszkań znacząco rosną nakłady inwestycyjne ze względu na efekt skali. Jeden duży kocioł kosztuje znacznie mniej niż kilkadziesiąt mniejszych zapewniających taką samą moc grzewczą, podobnie nakłady na wykonanie oddzielnych kanałów spalinowych dla poszczególnych mieszkań będą znacznie wyższe niż na wykonanie jednego komina dla centralnego źródła ciepła. Ponadto wymagana będzie adaptacja instalacji gazowej, tak by doprowadzić gaz do każdego mieszkania. Uwzględniając te aspekty, łączny dodatkowy koszt usprawnień został oszacowany na 1 000 000 zł.

Wariant 5: poprawa sprawności instalacji c.w.u. poprzez zastosowanie miejscowych podgrzewaczy przepływowych

W przypadku instalacji ciepłej wody w celu wyeliminowania strat ciepła na przesyle oraz magazynowaniu zaproponowano zastąpienie centralnego systemu przygotowania c.w.u. miejscowymi gazowymi podgrzewaczami przepływowymi bezpośrednio przy punktach poboru. Rozwiązanie to pozwoliło na zwiększenie sprawności systemu przygotowania c.w.u. η_cwu z 0,52 do 0,85.

W wyniku wprowadzonych ulepszeń współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną obniżył się do 66,4 W/(m²K) (tabela 7), a zatem o 6,8 kWh/(m²K), co jest niewystarczające do spełnienia wymagań WT 2021.

Podobnie jak w przypadku instalacji c.o., zastąpienie jednego centralnego źródła indywidualnymi źródłami ciepła dla poszczególnych mieszkań znacznie zwiększa nakłady inwestycyjne. Przyjmując, że łazienka sąsiaduje bezpośrednio z kuchnią, można się ograniczyć do instalacji po jednym podgrzewaczu w mieszkaniu. Przy takim założeniu łączny dodatkowy koszt usprawnień (z uwzględnieniem konieczności wykonania dodatkowych kanałów spalinowych i podłączeń gazowych) został oszacowany na 430 000 zł.

Wariant 6: połączenie rozwiązań z wariantów 1–5

Ponieważ żaden z wariantów 1–5 nie pozwolił na spełnienie wymaganego poziomu wskaźnika EP, w wariancie 6 rozpatrzono modyfikację projektu, obejmującą jednoczesną realizację części rozwiązań w nich zaproponowanych. Żeby wybrać optymalny zakres usprawnień, warianty uszeregowano, posługując się wskaźnikiem nakładów jednostkowych (tabela 8). Wskaźnik ten obliczono jako stosunek nakładów inwestycyjnych do osiągniętej redukcji wskaźnika EP w odniesieniu do wariantu bazowego. Następnie jako optymalny wybrano zakres działań pozwalający na osiągnięcie wymaganego poziomu EP jak najniższym kosztem (tabela 9).

Dla analizowanego budynku wymagany od 1 stycznia 2021 r. poziom EP można osiągnąć najniższym kosztem poprzez modyfikację systemu przygotowania c.w.u. połączoną z poprawą izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych. Biorąc pod uwagę przyjętą w obliczeniach dwukrotną redukcję współczynnika U, cel ten można by osiągnąć niższym kosztem przy zastosowaniu mniejszej grubości izolacji lub zaizolowaniu jedynie części przegród.

Czytaj też: Ciepłownictwo i węzły cieplne dla budynków, domów jednorodzinnych i poszczególnych mieszkań >>

Podsumowanie i wnioski

Zgodnie wynikami przeprowadzonej analizy osiągnięcie określonego w WT 2021 wskaźnika EP jedynie dzięki poprawie izolacyjności cieplnej przegród jest praktycznie niemożliwe. Również zastosowanie wentylacji mechanicznej z wysokosprawnym odzyskiem ciepła nie gwarantuje spełnienia warunku EP. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest charakterystyka zapotrzebowania na energię w analizowanym budynku mieszkalnym, w którym dominującą rolę odgrywa zapotrzebowanie na c.w.u., wynoszące niemal 60% bilansu energetycznego (rys. 1). Z tego względu osiągnięcie wymaganego poziomu EP bez modyfikacji źródła ciepła jest w zasadzie niewykonalne. Jeżeli usprawnienie jedynie systemu przygotowania c.w.u. jest niewystarczające, konieczne będzie podjęcie dodatkowych działań zwiększających nakłady inwestycyjne.

Dodatkowo koszt wymaganych usprawnień może znacznie odbiegać od kosztów przedstawionych w niniejszej analizie. Przykładowo przy znacznej odległości kuchni od łazienki zastosowanie wspólnego podgrzewacza bezpośrednio przy punkcie poboru może nie być możliwe i konieczne byłoby zastosowanie dwóch lub więcej podgrzewaczy w każdym mieszkaniu, co w praktyce przekładałoby się na podwojenie ponoszonych nakładów.

Należy ponadto zwrócić uwagę na aspekty pozaekonomiczne wprowadzanych usprawnień. Wiele z omawianych rozwiązań wiąże się ze zmniejszaniem przestrzeni użytkowej. Zastosowanie ogrzewania mieszkaniowego lub przepływowych podgrzewaczy wody wymaga wygospodarowania w przestrzeni mieszkalnej miejsca nie tylko na samo urządzenie, ale również na system odprowadzania spalin i doprowadzania powietrza do spalania oraz wentylację pomieszczenia. Podobnie w przypadku zastosowania odzysku ciepła – konieczne jest wygospodarowanie przestrzeni na centralę oraz kanały wentylacyjne. Poprawa izolacyjności przegród może również skutkować zmniejszeniem powierzchni mieszkania. Przy zachowaniu tej samej powierzchni zabudowy zwiększenie grubości izolacji o 10 cm w mieszkaniu o obrysie ścian zewnętrznych równym 10 m skutkować będzie zmniejszeniem powierzchni użytkowej o 1 m².

Analizując powyższe uwarunkowania, można dojść do wniosku, że przepisy dotyczące efektywności energetycznej budynków są skonstruowane w taki sposób, że spełnienie wymagań za pomocą rozwiązań konwencjonalnych mimo poniesienia znaczących nakładów inwestycyjnych może być bardzo trudne, a czasami wręcz niemożliwe. Jest to celowy zabieg mający zachęcić inwestorów do wykorzystania w budynkach alternatywnych źródeł energii, w tym źródeł odnawialnych, pomp ciepła oraz skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. To, czy będzie on skuteczny, zależy od tego, które z rozwiązań umożliwi spełnienie wymagań przy niższym koszcie.

W obliczu ograniczonych możliwości rozwiązań konwencjonalnych należy zadać pytanie, czy uznawane dotąd często za kosztowne wykorzystanie alternatywnych źródeł energii nie umożliwi osiągnięcia korzystniejszego bilansu ekonomicznego. Żeby odpowiedzieć na to pytanie, w kolejnym artykule przedstawiona zostanie analiza pięciu wariantów zaopatrzenia budynku w energię ze źródeł odnawialnych i ich porównanie na podstawie dwóch kryteriów ekonomicznych: minimalizacji nakładów inwestycyjnych i minimalizacji kosztów w cyklu życia ­obiektu.

Kolejna część artykułu: Wymagania energetyczne dla budynków wielorodzinnych a energia ze źródeł odnawialnych | RynekInstalacyjny.pl

Literatura

1. 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)
2. Żurawski Jerzy, Panek Aleksander, Analiza wymagań energetycznych w projekcie zmiany rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, Konferencja „Izolacje”, Warszawa 2013
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 3 czerwca 2014 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2014, poz. 888)
4. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (DzU 1994, nr 89, poz. 414, z późn. zm.)
5. Ustawa z dnia 19 lipca 2019 r. o zmianie ustawy o odnawialnych źródłach energii oraz niektórych innych ustaw (DzU 2019, poz. 1524)
6. PN-EN ISO 13790:2009 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia
7. Trząski Adrian, Wiszniewski Andrzej, Aspekty ekonomiczne i środowiskowe ogrzewania elektrycznego w nowo wznoszonych budynkach jednorodzinnych, „Rynek Instalacyjny” 10/2017,
   http://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/id4327,aspekty-ekonomiczne-i-srodowiskowe-ogrzewania-elektrycznego-w-nowo-wznoszonych-budynkach-jednorodzinnych