Nowe wymagania, jakim powinny odpowiadać budynki. Możliwość spełnienia wymagań EP

Według nowelizacji WT budynek spełnia wymagania dotyczące energooszczędności, gdy współczynniki przenikania ciepła wszystkich przegród budowlanych są mniejsze od wartości granicznych U_C(max) (tabela 2) oraz wskaźnik rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia EP nie przekracza wartości granicznej podanej w WT (tabela 3).

Izolacyjność przegród budowlanych

Na przykładzie warstwowych ścian zewnętrznych o typowych konstrukcjach wyznaczono grubości izolacji cieplnej wymagane w celu spełnia wymagań U_max dotychczasowych WT (WT 2008) oraz U_C(max) w nowelizacji WT (WT 2014, WT 2017 i WT 2021). Przewidziano izolację ze styropianu (l = 0,04) ułożonego szczelnie, bez nieszczelności i łączników mechanicznych przechodzących przez całą grubość izolacji.

Wymagane grubości izolacji określono z dokładnością do 1 cm, bez korekty do dostępnego asortymentu handlowego (tabela 1). Ściany są obustronnie otynkowane.

Wymagane grubości izolacji cieplnej zwiększają się wraz ze spadkiem wartości granicznej U_C(max) wymaganej w kolejnych standardach WT. W porównaniu do dotychczasowych wymagań WT z 2008 roku „przyrosty grubości” izolacji wynoszą 2–3 cm dla WT 2014, 4 cm dla WT 2017 i 6–7 cm dla WT 2021 (tabela 1).

Nie są to wartości astronomiczne – warstwa izolacji do 18 cm styropianu. Warstwy tej grubości były stosowane już wcześniej przez świadomych projektantów i inwestorów. Analogiczne analizy można wykonać dla każdej przegrody i okaże się, że zmiany U_C(max) w nowelizacji WT są możliwe do spełnienia przy zastosowaniu dotychczasowych materiałów i rozwiązań.

Zestawienie granicznych U_C(max) dla charakterystycznych przegród budowlanych wyraźnie uwidacznia trend zwiększania wymagań odnośnie do izolacyjności cieplnej (tabela 2). Szczególny nacisk ustawodawca położył na zwiększenie izolacyjności cieplnej dachów i stropodachów (z 0,25 do 0,15 W/m² K, redukcja o 40%), ścian zewnętrznych (z 0,30 do 0,20 W/m² K, redukcja o 33%) i stolarki okiennej (np. okna z 1,7 do 0,9 W/m² K, redukcja o 47%).

Spełnienie wymagań EP

Wskaźnik EP jest obok U_C(max) drugim kryterium spełniania wymagań WT przez budynek. Jest on wartością złożoną i zależną od dużej liczby czynników. Wyrażony w kWh/m² rok związany jest nie tylko z warunkami projektowymi, ale również, a raczej przede wszystkim, z zaopatrzeniem w energię i eksploatacją budynku w skali całego roku.

Wskaźnik EP obejmuje potrzeby energetyczne budynków związane z zapotrzebowaniem na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia. Wszystkie one podlegają kompleksowej ocenie i analizie w procesie projektowania budynku lub np. jego przebudowy, wpływając na wynik końcowy w postaci wskaźnika EP.

Nowelizacja WT wprowadza, podobnie jak w wypadku U_C(max), etapowe zaostrzanie wymagań odnośnie dorocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną. Np. w wypadku budynków jednorodzinnych w ciągu 7 najbliższych lat wskaźnik graniczny EP zostanie obniżony do 70 kWh/m² rok (tabela 3).

Uogólniając, istnieją trzy drogi obniżania wskaźnika EP budynku w celu spełnienia wymagań WT:

• zwiększenie izolacyjności cieplnej przegród i szczelności powietrznej budynku w celu obniżenia rocznego zapotrzebowania na energię użytkową (wskaźnik EU, kWh/m² rok), a tym samym nieodnawialną pierwotną,

• stosowanie urządzeń i systemów cieplno­‑wentylacyjnych o wysokiej sprawności w celu obniżenia rocznego zapotrzebowania na energię końcową (wskaźnik EK, kWh/m² rok), a tym samym nieodnawialną pierwotną,

• zastosowanie źródeł energii o niskim współczynniku nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej w_i na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii do budynku w celu obniżenia rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię końcową (wskaźnik EP, kWh/m² rok).

Wybór oraz właściwe zastosowanie rozwiązań obniżających wskaźnik EP budynku wymaga rzetelnej wiedzy inżynierskiej popartej znajomością stosowanych materiałów i technologii.

Należy pamiętać, że określone rozwiązania ograniczające zapotrzebowanie na energię użytkową wymagają np. zasilania energią pomocniczą, co w niekorzystnych warunkach może zerować wynik energetyczny zastosowania danego urządzenia lub instalacji. Konieczne jest każdorazowe wykonywanie rachunku opłacalności ekonomicznej analizowanego rozwiązania.

Analiza obliczeniowa

W celu sprawdzenia możliwości spełnienia wymagań nowych WT i trudności temu towarzyszących dokonano wariantowej analizy na przykładzie trzech rodzajów budynków jednorodzinnych (tabela 5):

• parterowy budynek wolnostojący o powierzchni 86 m² z nieużytkowym poddaszem (ozn. Bud 1),

• dwukondygnacyjny budynek wolnostojący o powierzchni 172 m² z nieużytkowym poddaszem (Bud 2),

• dwukondygnacyjny budynek w zabudowie szeregowej o powierzchni 172 m² i z nieużytkowym poddaszem (Bud 3).

Wszystkie budynki zlokalizowane są w II strefie klimatycznej, w rejonie stacji meteorologicznej Wrocław. Rozwiązania konstrukcyjne zapewniają wymagane wskaźniki izolacyjności cieplnej przegród budowlanych U (według tabeli 2) oraz szczelność powietrzną n₅₀ = 2,0 1/h w wypadku wentylacji naturalnej i n₅₀ = 0,6 1/h w wypadku wentylacji mechanicznej z rekuperacją.

Dla każdego rodzaju budynku wyznaczono wskaźnik EP w pięciu następujących wariantach wyposażenia instalacyjnego:

1. źródło ciepła w postaci gazowego dwufunkcyjnego kotła kondensacyjnego, wentylacja naturalna,

2. źródło ciepła w postaci pompy ciepła glikol/woda, zasobnikowy system c.w.u., wentylacja naturalna,

3. źródło ciepła w postaci pompy ciepła glikol/woda, zasobnikowy system c.w.u., wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła,

4. źródło ciepła w postaci gazowego dwufunkcyjnego kotła kondensacyjnego, zasobnikowy system c.w.u. wspomagany kolektorami słonecznymi (60% energii w skali roku), wentylacja naturalna,

5. źródło ciepła w postaci nowoczesnego kotła na biomasę, zasobnikowy system c.w.u., wentylacja naturalna.

Wariant 1 to rozwiązanie bazowe w analizie, które jest bardzo często wybierane przez projektantów i inwestorów. Budynek ocieplony jest zgodnie ze standardami WT, ogrzewanie zapewnia instalacja wodna zasilana gazowym kotłem kondensacyjnym dwufunkcyjnym z przepływowym przygotowaniem c.w.u., w budynku występuje wentylacja grawitacyjna. Nośnikiem energii jest gaz ziemny (współczynnik nakładu w_i = 1,1).

W wariancie 2 zastąpiono kocioł pompą ciepła typu glikol/woda z gruntowym wymiennikiem ciepła. Zwiększono przez to sprawność systemu i udział energii odnawialnej. Zmiana źródła ciepła wymaga wprowadzenia zasobnikowego systemu przygotowania c.w.u., tym samym dodatkowej pompy ładującej zasobnik, a nośnikiem energii staje się energia elektryczna (współczynnik nakładu wi = 3,0).

Wariant 3 jest próbą obniżenia zapotrzebowania na energię użytkową przez zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła przy zachowaniu wyposażenia instalacyjnego z wariantu 2. Wentylacja mechaniczna odzyskuje energię z powietrza wywiewanego, wymagając zasilania energią elektryczną (współczynnik nakładu w_i = 3,0) – jednak bilans energetyczny tej zmiany jest dodatni. Zwiększono również szczelność powietrzną budynku n₅₀ z dotychczasowego poziomu 2,0 do 0,6 1/h.

Wariant 4 jest próbą zwiększenia udziału energii odnawialnej przez zastosowanie w budynku z wariantu 1 układu solarnego wspomagającego przygotowanie c.w.u. Kolektory słoneczne pokrywają 60% rocznego zapotrzebowania na ciepło (współczynnik nakładu w_i = 0), wymagają wprowadzenia zasobnika c.w.u. i zużycia dodatkowej energii elektrycznej (współczynnik nakładu w_i = 3,0) do zasilania układu automatycznej regulacji, pompy solarnej i pompy ładującej zasobnik z kotła gazowego.

Ostatni wariant 5 jest kopią wariantu 1 z zastąpieniem kotła kondensacyjnego nowoczesnym kotłem na biomasę (współczynnik nakładu w_i = 0,2), np. kocioł na pelety z automatycznym podajnikiem paliwa. Kocioł zasila centralne ogrzewanie i zasobnik c.w.u. z dodatkową pompą ładującą.

Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 6. Poszczególnym wariantom obliczeniowym nadano oznaczenia łączące rodzaj budynku i wariant instalacyjny, np. Bud 1.2 oznacza budynek 1. rodzaju (parterowy) w wariancie 2 (pompa ciepła, zasobnik c.w.u., wentylacja naturalna).

Dla każdego wariantu wyznaczono wskaźnik rocznego zapotrzebowania na energię użytkową EU, końcową EK, nieodnawialną pierwotną EP oraz wartość graniczną EP_WT określoną standardem warunków technicznych z lat 2008, 2014, 2017 i 2021.

W tabeli kolorem zielonym zaznaczono warianty spełniające wymagania WT, a żółtym bliskie wartościom granicznym, gdzie możliwe są korekty ulepszające.

Mały dom z poddaszem nieużytkowym

Analizie energetycznej poddano mały, a przez to tani w budowie czy zakupie, parterowy dom wolnostojący o powierzchni 86 m² z nieużytkowym poddaszem (współczynnik kształtu A/V_e = 0,76). Budynki takie cieszą się sporym zainteresowaniem inwestorów, stanowiąc bezpośrednią alternatywę dla mieszkania w mieście. Budynek ten z zasady nie należy do energooszczędnych (bryła i A/V_e), co widać w wynikach obliczeń.

W podstawowym wariancie (Bud 1.1) budynek nigdy nie spełnia wymagań WT, mimo że jego przegrody budowlane spełniają wymóg U_C(max). Pierwsze spełnienie warunku EP_WT występuje po zastosowaniu pompy ciepła i wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, ale tylko dla WT 2008 i 2014.

Zobacz zestawienie wymaganych i osiągniętych wskaźników EP budynku 1 (piętrowy szeregowy) w standardzie WT 2008, 2014, 2017 i 2021 na rys. 1.

Wynika to z dość wysokiego poziomu EP_WT granicznego (120 kWh/m² rok), który łatwo osiągnąć. Ten sam wariant, mimo zwiększania izolacyjności cieplnej przegród, nie spełnia już ostrzejszych wymagań EP_WT wg WT 2017 i 2021.

Spełnienie warunku EP_WT, niezależnie od standardu WT, osiągnięto po zastosowaniu kotła na biomasę. Niski współczynnik nakładu energii nieodnawialnej (w_i = 0,2) przy całkowitym pokryciu potrzeb cieplnych z biomasy pozwala osiągnąć wskaźnik EP dużo niższy niż wymagany warunkami technicznymi. Zastosowanie kotła na biomasę w świetle metodologii wyznaczania EP jest lepsze niż zastosowanie pomp ciepła czy kolektorów słonecznych.

Duży dom za miastem

Analogicznej analizie poddano duży budynek wolnostojący dwukondygnacyjny o powierzchni 172 m² z nieużytkowym poddaszem (współczynnik kształtu A/V_e = 0,41). W porównaniu do poprzedniego budynku cechuje go większe zapotrzebowanie na energię, lecz zwarta bryła powoduje, że jednostkowe wskaźniki energochłonności (EU, EK i EP) są tu niższe niż poprzednio. Zobacz zestawienie wymaganych i osiągniętych wskaźników EP budynku 2 (piętrowy szeregowy) w standardzie WT 2008, 2014, 2017 i 2021 na rys. 2.

Budynek dwukondygnacyjny spełnia wymagania EP_WT w tych samych wariantach co budynek parterowy oraz dodatkowo w standardzie WT 2014 i 2017. Podobnie jak w wypadku poprzedniego budynku źródło ciepła na biomasę jest obliczeniowo najlepszym rozwiązaniem.

Dwukondygnacyjny budynek szeregowy

Trzecim analizowanym wariantem jest dwukondygnacyjny budynek w zabudowie szeregowej, analogiczny do poprzednio opisywanego budynku wolnostojącego. Zabudowa szeregowa zwiększa możliwość spełnienia EP_WT, szczególnie gdy wskaźnik graniczny EP_WT nie zależy już od współczynnika kształtu (WT 2014, 2017 i 2021). Mimo ograniczonych statycznych strat ciepła budynek w podstawowym wyposażeniu instalacyjnym spełni wymagania tylko według WT 2014.

Zastosowanie pompy ciepła, wentylacji mechanicznej, układu solarnego c.w.u. i kotła na biomasę daje analogiczne wyniki jak w wypadku dwóch poprzednich budynków.

Zestawienie wymaganych i osiągniętych wskaźników EP budynku 3 (piętrowy szeregowy) w standardzie WT 2008, 2014, 2017 i 2021 przedstawiono na rys. 3.

Wnioski

Zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną jest podstawowym kryterium oceny energooszczędności budynku według wymagań WT.

Spełnienie części wymagań w postaci U_C(max) nie gwarantuje osiągnięcia warunku EP_WT. Osiągnięcie go zależy również od wyposażenia instalacyjnego budynku i sposobu jego eksploatacji.

Wymagania opisane w nowelizacji WT są możliwe do spełnienia przy użyciu stosowanych obecnie rozwiązań i technologii. Nie ma konieczności wyposażania budynku w złożone instalacje techniczne i systemy energetyczne – wystarczy poprawnie zaizolowany budynek z właściwie dobranymi rozwiązaniami instalacyjnymi, dopasowanymi do jego struktury i warunków energetycznych.

Podsumowanie

Przedstawiony w artykule rachunek jest przykładowy, poprawny dla trzech wybranych budynków. Zawsze konieczne jest indywidualne podejście obliczeniowe do każdego budynku, jednak zasady i tendencje kształtowania ich energochłonności są analogiczne.

Rachunkowo najatrakcyjniejsze są źródła ciepła o niskim współczynniku nakładu energii odnawialnej w_i (biomasa, energia słoneczna, PV) oraz o wysokiej sprawności wytwarzania ciepła (pompy ciepła). Niestety ich zastosowanie nie zawsze idzie w parze z możliwościami finansowymi i wymaganiami inwestora.

W sprzyjających warunkach (budynek 3 wg WT 2014) możliwe jest spełnienie warunków WT odnośnie do EP przy zastosowaniu standardowych obecnie rozwiązań instalacyjnych.

Okazuje się, że graniczne wartości EP wyznaczone wg poprzednich WT 2008 w określonych warunkach mogą osiągać wartości niższe niż wymagane w nowelizacji WT. Wynika to z rezygnacji z uzależniania granicznych EP od współczynnika kształtu budynku.

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. Jadwiszczak P., Nowe wymagania, jakim powinny odpowiadać budynki – oszczędność energii i izolacyjność cieplna, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2014.

3. Jadwiszczak P., Nowe wymagania, jakim powinny odpowiadać budynki – wentylacja i klimatyzacja, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2014.

4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 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 ich charakterystyki energetycznej (DzU nr 201/2008, poz. 1240).