Zintegrowana ocena wpływu budynku jednorodzinnego na środowisko

Budownictwo jest jednym z najbardziej rozrzutnych materiałowo, energochłonnych i zanieczyszczających środowisko przejawów aktywności człowieka. Na środowisko negatywnie wpływa wiele czynników:

• nieodpowiednie gospodarowanie odpadami,
• nadmierne zużycie wody,
• zbyt duże ilości produkowanej (czy zużywanej) energii elektrycznej,
• wykorzystywanie nieodpowiednich źródeł ciepła czy materiałów.

Dlatego tak ważne jest stosowanie metod zmniejszających to negatywne oddziaływanie.

W artykule omówiono wpływ budynku jednorodzinnego na środowisko. Żeby go ocenić, określono zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną budynku, co pozwoliło na porównanie wartości dla poszczególnych wariantów. Przeprowadzono również ocenę jakościową budynku, w ramach której przebadano środowisko zewnętrzne i wewnętrzne obiektu, koszty w cyklu życia, aspekty oraz oddziaływania środowiskowe. Jednocześnie przeprowadzono analizę cyklu życia (LCA) budynku.

Pierwszy wariant to stan istniejący budynku powstałego w 2004 r. we wsi Bykowizna w gminie Dębe Wielkie (woj. mazowieckie). Budynek został następnie wirtualnie (w programie komputerowym) zmodernizowany do standardu niskoenergetycznego i również poddany certyfikacji energetycznej oraz ocenie środowiskowej.

Ostatnim etapem było dostosowanie tego budynku do standardów budownictwa ekologicznego i wykonanie dla niego certyfikatu oraz oceny środowiskowej. Zminimalizowano ilość energii wbudowanej, sposób ogrzewania i podgrzania ciepłej wody.

Porównano kolejne etapy modernizacji budynku. Pod uwagę wzięto przede wszystkim czynniki środowiskowe, tj. zakwaszenie, smog fotochemiczny, uszczuplenie warstwy ozonowej, efekt cieplarniany. Poza czynnikami środowiskowymi porównane zostało zapotrzebowanie na ciepło, wykorzystanie materiałów i wody oraz wyprodukowanie odpadów.

Zmniejszenie strat ciepła przez przenikanie bezpośrednio związane jest ze zwiększeniem energii wbudowanej poprzez dodanie np. warstwy ocieplenia na ścianach zewnętrznych czy stropie poddasza, dlatego warto sprawdzić, jak ocieplanie budynku wpływa na czynniki środowiskowe. Kompleksowe przeanalizowanie wszystkich wartości pozwoliło stwierdzić, czy modernizacja budynku znacząco wpływa na jego czynniki środowiskowe i czy ta różnica jest znaczna w porównaniu z wartościami dla jego obecnego stanu.

Zastosowane oprogramowanie

Do wykonania charakterystyki energetycznej wykorzystano program ArCADia-TERMO. Unikatowym i ciekawym rozwiązaniem było użycie do wykonania oceny środowiskowej programu opracowanego na bazie arkusza kalkulacyjnego Microsoft Excel w polsko­‑norweskim projekcie STEP realizowanym na Wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej.

Metody obliczeń pod względem zakresu wzorowane są na odpowiednich normach ISO, a zaproponowane obliczenia LCA są uproszczeniem międzynarodowej metody SBTool.

Ocena zawiera dokładny opis cech i ich znaczenia dla budownictwa ekologicznego. Podlegały jej poszczególne obszary i kryteria wpływu budynku na środowisko oraz komfortu jego użytkowania.

Punktem odniesienia dla ocenianego budynku jest tzw. budynek referencyjny. Jest to obiekt o przeciętnym poziomie budowlanego zaawansowania, który spełnia aktualne wymagania prawne. Skala ocen to 1–5, gdzie ocena 3 jest przeznaczona dla budynków spełniających wymagania budynku referencyjnego.

Zakres wymagań, jakie muszą zostać spełnione, żeby otrzymać określony rezultat, został dołączony do skali oceny w formie programu. Dla każdej wartości punktowej na skali odniesienia określono wymagania, które musi spełniać rozpatrywana cecha budynku, aby otrzymać oczekiwaną liczbę punktów. Zakłada się, że budynki, w których nie zastosowano dodatkowych zabiegów prośrodowiskowych, otrzymują ocenę 3.

Budynki, w których zaniedbano któreś z kryteriów, otrzymują ocenę 1 lub 2, a budynki, w których zastosowano dodatkowe zabiegi prośrodowiskowe, otrzymują ocenę 4 lub 5, w zależności od skali tych zabiegów. Ocenę przeprowadza się dla dwóch obszarów: jest to ocena ilościowa LCA i ocena jakościowa. Dla każdego obszaru zdefiniowane zostały oddzielne kryteria.

W analizie ilościowej budynek oceniany jest pod kątem ilości zużytej energii, materiałów oraz emisji powstających w cyklu jego istnienia. Głównym jej celem jest porównanie ilościowych wskaźników charakteryzujących oceniany budynek ze wskaźnikami budynku referencyjnego.

W metodzie tej oceniane są wszystkie fazy użytkowania: wytworzenie materiałów wraz z budową, użytkowanie, renowacja oraz likwidacja budynku. Końcowym wynikiem jest świadectwo oceny charakterystyki środowiskowej obiektu.

Analiza jakościowa przeprowadzana jest pod kątem komfortu użytkowania budynku i trwałości oraz aspektów higienicznych i ekologicznych. Składa się z dwóch podobszarów: relacji ze środowiskiem zewnętrznym oraz wewnętrznym.

Wyniki oceny zestawiono w tabelach przedstawiających wszystkie cząstkowe oceny dla analizy budynku w jego cyklu istnienia oraz uproszczoną ocenę środowiskową budynku wraz z wynikiem końcowym.

Budynek istniejący

Oceniany obiekt (fot. 1) to budynek mieszkalny jednorodzinny (zamieszkuje go 7 osób), murowany, parterowy z poddaszem mieszkalnym. Wymiary budynku to: wysokość 8,10 m, długość 9,50 m i szerokość 11,60 m. Wysokość kondygnacji w świetle wynosi 2,60 m. Na parterze znajduje się pokój dzienny, kuchnia z aneksem jadalnym, przedpokój, WC, sień, a w części gospodarczej garaż i kotłownia. Na poddaszu ulokowano cztery pokoje sypialne i łazienkę.

Budynek znajduje się na terenie strefy mieszkaniowo-siedliskowej z dopuszczeniem zabudowy jednorodzinnej i usług nieuciążliwych. Postawiono go w pobliżu lasu i pól uprawnych, wokół rosną drzewa iglaste i liściaste. Sąsiednie budynki mają podobną wysokość i nie ograniczają dostępu światła słonecznego. Elewacja została pomalowana jasnymi kolorami, budynek znajduje się też w znacznej odległości od drogi.

Bryła budynku to prostopadłościan nakryty dwuspadowym dachem o kącie nachylenia połaci 40°. Ściany zewnętrzne mają współczynnik przenikania ciepła 0,29, stropy 0,23, drzwi zewnętrzne 2,0, a okna 1,70 W/(m² K). Prostą bryłę urozmaica wysunięte zadaszenie wjazdu i wyjścia na taras. W budynku zastosowano wodne ogrzewanie rurowe zasilane z żeliwnego dwufunkcyjnego kotła olejowego o mocy maksymalnej 23,3 kW i sprawności nominalnej 92%.

Elementami grzejnymi są płytowe grzejniki stalowe dwurzędowe i jeden jednorzędowy w toalecie, wszystkie zasilane od dołu. Grzejniki wyposażone są w zawory termostatyczne i powrotne na podłączeniach. Ciepła woda użytkowa przygotowywana jest przez kocioł. Instalację cyrkulacji c.w.u. wykonano z rur plastikowych prowadzonych podtynkowo w ścianach oraz w posadzce, łączonych za pomocą zgrzewania.

Określone na podstawie wykonanej charakterystyki energetycznej zapotrzebowanie na energię pierwotną (EP) do ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej wynosi 311,8 kWh/(m² rok), co znacznie przekracza wartość podaną wymaganą w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych z 2008 r., czyli 174,9 kWh/(m² rok).

Zapotrzebowanie na energię końcową to 271,1 kWh/(m² rok). Całkowity współczynnik strat ciepła przez przenikanie HT wyniósł 203,41 W/K. Wskaźnik zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji EUco to 154,3 kWh/(m² rok). Wykonana charakterystyka pozwoliła na odczytanie wielu parametrów ocenianego budynku, ale w artykule porównane zostały te wymienione powyżej.

Jak wspomniano, ocena charakterystyki środowiskowej podzielona została na dwie części: jakościową i ilościową. W ocenie jakościowej przeanalizowano środowisko zewnętrzne oraz wewnętrzne, cykl życia budynku (LCA) oraz jego aspekty środowiskowe i ekonomiczne.

Każda z pięciu podgrup składała się z kilku lub kilkunastu podpunktów, które należało ocenić w skali 1–5, gdzie 3 to ocena dla budynku bez dodatkowych zabiegów prośrodowiskowych. Obiekt otrzymał końcową ocenę 3,48 (D), co oznacza, że jest budynkiem charakteryzującym się przeciętnym, ale dostatecznym poziomem zabiegów prośrodowiskowych. Pod względem emisji budynek również dostał ocenę dostateczną.

W ocenie ilościowej uwzględniono dane dotyczące budynku, na podstawie których powstało świadectwo oceny charakterystyki środowiskowej. Zużycie energii cieplnej kształtuje się na poziomie 68,44 GJ/rok, moc oświetleniowa to 1120 W, zużycie wody 280 m³/rok, a wytworzenie odpadów komunalnych 15 m^3/rok. Na podstawie tych informacji oraz danych kubaturowych budynek otrzymał ocenę C, co jest wynikiem satysfakcjonującym.

Standard niskoenergetyczny

Budynek niskoenergetyczny cechuje się mniejszym niż w przypadku tradycyjnego budownictwa zapotrzebowaniem na ciepło do ogrzewania. Dom taki staje się przyjazny dla środowiska ze względu na niskie zużycie energii i koszty eksploatacji. Energia oszczędzana jest na wiele sposobów, przede wszystkim dzięki zmniejszeniu emisji podczas eksploatacji różnego typu urządzeń. Ważne jest także ograniczanie strat ciepła związanych z przenikaniem przez ściany, okna, drzwi, fundamenty i dach oraz z wentylacją.

W celu dostosowania tego budynku do standardów niskoenergetycznych zaproponowano wiele zmian. Głównym założeniem modernizacji było uzyskanie wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji nie większego niż 45 kWh/(m² rok).

Problem zmniejszenia energii wbudowanej (jest to ilość energii zużytej do budowy budynku, zaczynając od energii zużytej do produkcji materiałów, poprzez przeznaczoną na ich transport, a kończąc na zużytej do wybudowania budynku) oraz systemu grzewczego i ciepłej wody użytkowej budynku nie był poruszany.

Jako główne kryterium przyjęto osiągnięcie wymaganego wskaźnika. W tabeli 1 zestawiono współczynniki przenikania U przed i po modernizacji, a w tabeli 2 zmieniające się liniowe współczynniki przenikania.

Na podstawie wykonanego świadectwa charakterystyki energetycznej dla tego wariantu budynku stwierdzono, że zapotrzebowanie na energię pierwotną (EP) do ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej wynosi 165,8 kWh/(m² rok), czyli nie przekracza wartości podanej w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych z 2008 r. – 174,9 kWh/(m² rok).

Zapotrzebowanie na energię końcową wyniosło 133,2 kWh/(m² rok). Współczynnik całkowity strat ciepła przez przenikanie HT to 101,35 W/K. Wskaźnik zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji EUco wyniósł 43,6 kWh/(m² rok). Cel został zatem osiągnięty. Budynek ten można tak zmodernizować, aby mógł on osiągnąć standard budynku niskoenergetycznego.

Ocena charakterystyki środowiskowej nie uległa znacznej zmianie. Zmniejszono jedynie wartość energii grzewczej, która wpływała na wyniki analizy LCA. Wynika to z założeń dla tego etapu modernizacji – dotyczyła ona głównie ingerencji projektanta w niwelowanie strat ciepła w budynku poprzez dodawanie warstw ocieplenia dla przegród, zmianę okien, drzwi oraz systemu wentylacji.

Wyniki dla etapu wznoszenia wzrosły z powodu zwiększenia liczby wmontowanych materiałów. Szeroko pojęte problemy dotyczące środowiska zewnętrznego i wewnętrznego budynku, materiałów oraz systemu ogrzewania rozważone zostały na kolejnym etapie modernizacji.

W ocenie ilościowej nastąpiło znaczne zmniejszenie zużycia energii cieplnej – do 19,33 GJ/rok. Pozostałe wartości oraz wynik końcowy nie uległy zmianie.

Standard ekologiczny

Dom ekologiczny to budynek przyjazny dla środowiska. Podczas eksploatacji minimalizowany jest jego niekorzystny wpływ na otoczenie poprzez zużywanie jak najmniejszej ilości energii i wykorzystanie jej odnawialnych źródeł.

Jednak w domach ekologicznych nie chodzi tylko o energię, ale też o wiele innych równie ważnych czynników, tj. jakość środowiska wewnętrznego czy wykorzystanie światła dziennego.

Budynek taki powinien być maksymalnie energooszczędny, ale także rozsądnie gospodarować światłem słonecznym i wodą deszczową. Warto pamiętać również o gospodarce ściekowej i odpadowej, bo odpowiednio przetworzone ścieki i odpady mogą być ponownie wykorzystane w otoczeniu budynku jako cenny surowiec.

Kolejnym ważnym elementem każdego domu ekologicznego są wszelkiego rodzaju źródła odnawialnej energii, np. kolektory słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne czy turbiny wiatrowe.

Równie istotna jest energia wbudowana w obiekt, czyli ilość energii zużytej do jego wzniesienia. Dlatego powinno się stosować materiały przyjazne środowisku, których wyprodukowanie nie wiąże się ze skomplikowanymi procesami technologicznymi. Jednym z najbardziej przyjaznych materiałów dla środowiska jest drewno.

W celu dostosowania obiektu do standardów ekologicznych zasymulowano wiele zmian mających na celu zminimalizowanie energii wbudowanej i wpływu budynku na środowisko.

Żeby zmniejszyć wartości czynników ekologicznych, przewidziano zmianę niektórych materiałów użytych do budowy, pozostając przy masywnej konstrukcji. Między innymi zastąpiono cegłę pełną bloczkami silikatowymi drążonymi, styropian wełną mineralną, a okna plastikowe drewnianymi.

Kocioł olejowy zastąpiono kotłem na biomasę opalanym peletami. Paliwo to ma stosunkowo wysoką wartość opałową i praktycznie zerową emisję dwutlenku węgla, ponadto pelety mogą być produkowane z lokalnie występujących surowców.

Żeby zmniejszyć zużycie energii elektrycznej, zastosowano energooszczędne pompy obiegowe, pompy ładujące oraz napęd pomocniczy. Zwykłe żarówki zastąpiono energooszczędnymi, zmniejszono ilość produkowanych odpadów dzięki używaniu materiałów oraz opakowań możliwych do ponownego wykorzystania.

Dla zmniejszenia ilości zużywanej wody wprowadzono oszczędne urządzenia oraz krany i spłuczki. Przewidziano również pojemnik w ogrodzie gromadzący wodę opadową służącą później do celów gospodarczych.

Przeprowadzenie tak wielu zmian wiąże się ze wzrostem oceny środowiskowej budynku. Zabiegi te zwiększają komfort użytkowania budynku, a także jego możliwości adaptacyjne. Zmiana materiałów i źródła ciepła wpływa pozytywnie na analizę cyklu życia budynku LCA.

Na podstawie wykonanego świadectwa charakterystyki energetycznej stwierdzono, że zapotrzebowanie na energię pierwotną (EP) do ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej wynosi 40,3 kWh/(m² rok), co jest wartością znacznie lepszą zarówno od tej dla stanu obecnego budynku, jak i dla standardu niskoenergetycznego.

Zapotrzebowanie na energię końcową wyniosło 150,3 kWh/(m² rok). Całkowity współczynnik strat ciepła przez przenikanie HT to 100,76 W/K. Wskaźnik zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji EUco wyniósł 43,2 kWh/(m² rok). Jest to wartość taka sama jak dla stanu niskoenergetycznego, ale znacznie lepsza niż dla obecnego stanu budynku.

Porównanie wyników

1. Na rys. 1 zilustrowano zmianę wartości zapotrzebowania na energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, przygotowania c.w.u. i pracy urządzeń pomocniczych w wypadku trzech wariantów. Widać, że wartość ta znacznie maleje wraz z wprowadzaniem kolejnych zmian. Dzięki temu budynek zużywa coraz mniej nieodnawialnej energii pierwotnej. W stosunku do stanu obecnego zapotrzebowanie na energię pierwotną zmalało o 47% dla stanu niskoenergetycznego i o 87% dla stanu ekologicznego. Różnica między stanem niskoenergetycznym i ekologicznym wynosi 76%.
2. Na rys. 2 przedstawiono zużycie energii pierwotnej w całym cyklu życia budynku. W wypadku roku zerowego są to wartości dla fazy wznoszenia, a w roku ostatnim dla sumy fazy wznoszenia i użytkowania przez 60 lat. W analizie przyjęto liniowe zużycie energii i emisję gazów cieplarniach związaną z remontami i konserwacją budynku. Największym zużyciem energii w fazie wznoszenia charakteryzuje się wariant niskoenergetyczny, a wynika to ze zwiększenia ilości materiałów i nakładów energii na budowę. Wartość dla budynku ekologicznego jest najmniejsza w przypadku fazy wznoszenia i użytkowania, ponieważ zastosowano ekologiczne materiały i źródła energii.
3. Na rys. 3 zestawiono wartości efektu cieplarnianego, czyli emisji ekwiwalentnego CO2 w kilogramach. W przypadku roku zerowego są to wartości dla fazy wznoszenia, a roku ostatniego dla sumy fazy wznoszenia i użytkowania przez 60 lat. Największą emisją w fazie wznoszenia charakteryzuje się wariant niskoenergetyczny, a wynika to ze zwiększenia ilości materiałów i nakładów energii na budowę. Dla budynku ekologicznego tak jak w przypadku energii pierwotnej najmniejsza wartość występuje w fazie wznoszenia i użytkowania, ponieważ zastosowano ekologiczne materiały i źródła energii.

Wartość efektu cieplarnianego w fazie wznoszenia dla stanu obecnego budynku wynosi ok. 116 ton ekw. CO₂. Dla wariantu niskoenergetycznego jest to ok. 121 ton ekw. CO2. Wartość ta jest większa, ponieważ przeprowadzone modernizacje spowodowały zwiększenie ilości materiałów, co przyczyniło się do wzrostu efektu cieplarnianego.

W fazie użytkowania różnice są dużo wyraźniejsze. Dla stanu obecnego wartość ta to 331 ton ekw. CO₂, a dla stanu niskoenergetycznego jest ona niemal trzykrotnie mniejsza – ok. 124 ton ekw. CO₂.

Dla wariantu ekologicznego wartość ta to ok. 43 ton ekw. CO₂ – jest ona około ośmiokrotnie mniejsza niż dla stanu obecnego i trzykrotnie od wariantu ekologicznego. Dla zsumowanych wartości różnice te również są duże.

Dla stanu obecnego jest to ok. 447 ton ekw. CO₂, dla wariantu niskoenergetycznego prawie o połowę mniej – ok. 246 ton ekw. CO₂, a dla wariantu ekologicznego najmniej – ok. 143 ton ekw. CO₂.

Na podstawie tych wartości widać, że zmiana źródła ciepła oraz zastosowanie ekologicznych materiałów powoduje zmniejszenie emisji gazów cieplarniach o 42% w stosunku do standardu niskoenergetycznego.

Podsumowanie

Przeprowadzenie ocen charakterystyki środowiskowej oraz sporządzenie certyfikatu energetycznego dla każdego wariantu budynku pozwoliły ocenić ich wpływ na środowisko. Wprowadzanie kolejnych zmian dla poszczególnych wariantów sprawiało, że większość współczynników dotyczących zużycia energii czy czynników środowiskowych uległo polepszeniu.

Jeśli chodzi o uproszczoną ocenę środowiskową, w której analizowane były wszelkie istotne dla środowiska aspekty budynku i jego otoczenia, wartość ta również ulegała poprawie. Dla stanu obecnego wynosiła ona 3,48 (w skali od 1 do 5), co oznacza, że jest to budynek charakteryzujący się przeciętnym, ale dostatecznym poziomem zabiegów prośrodowiskowych.

W przypadku stanu niskoenergetycznego wartość ta wyniosła 3,49 – tak niewielka różnica wynika z niezastosowania w tym wypadku żadnych zabiegów prośrodowiskowych. Natomiast dla wariantu ekologicznego osiągnięto 3,74, czyli wartość znacząco lepszą, pozwalającą wystawić ocenę dobrą.

Końcowy wynik świadectwa oceny charakterystyki środowiskowej dla ocenianego budynku to C (w skali od G do A, gdzie A jest oceną najlepszą). Dla wariantu niskoenergetycznego wynik końcowy to również C natomiast dla wariantu ekologicznego wynik poprawił się i budynek dostał ocenę B. Jest to bardzo dobra ocena, dzięki której widać, że przeprowadzone modernizacje przyniosły oczekiwane efekty prośrodowiskowe.

Wykazano, że budynek ekologiczny ma najkorzystniejsze wartości czynników środowiskowych oraz najmniejsze sezonowe zapotrzebowanie na ciepło, oraz energię pierwotną.

Budynek ekologiczny to coś więcej niż tylko budynek energooszczędny. Przy projektowaniu tego rodzaju obiektów należy uwzględniać również efekty środowiskowe i dbać zarówno o środowisko wewnętrzne, jak i zewnętrzne. Przeanalizowane warianty modernizacji udowodniły, że można w znacznym stopniu ograniczyć negatywny wpływ budynków na środowisko.

Przeprowadzone oceny i sporządzone dla kolejnych etapów modernizacji certyfikaty energetyczne umożliwiają przeanalizowanie otrzymanych wyników i wybranie optymalnych zmian dla każdego przypadku.

Ekologiczne podejście do budownictwa jest coraz popularniejsze również w Polsce. Osiągnięcie standardu niskoenergetycznego to nie wszystko – zarówno dbanie o środowisko, jak i oszczędzanie energii powinny być jednym z podstawowych czynników branych pod uwagę na etapie projektowania konstrukcji.

Publikacja powstała w ramach projektu „Naukowcy dla gospodarki Mazowsza” współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Literatura

1. Panek A., Bonder J., Kwiatkowski J., Piasecki M., Metody oceny wpływu użytkowania budynków na środowisko, Fundacja Poszanowania Energii.
2. Kronenberg J., Berger T., Wyzwania zrównoważonego rozwoju w Polsce, Fundacja Sendzimira, Kraków 2010.
3. Panek A., Kwiatkowski J., Piasecki M., Ocena jakościowa charakterystyki środowiskowej budynku – przykład, ­
4. www.swiadectwaenergetyczne.info/swiadectwa.html.
5. Podręcznik ArCADia-TERMO Charakterystyka_Energetyczna, www.intersoft.pl.
6. Domy niskoenergetyczne, budownictwopolskie.pl.
7. Węglarz A., Budownictwo energooszczędne w Polsce, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2009.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!