Budynki wielorodzinne według wymagań WT 2021

Budynki wielorodzinne z uwagi na stosowane źródła ciepła, większą liczbę mieszkańców, mniejszy współczynnik kształtu i ograniczoną dostępność odnawialnych źródeł energii mają inną niż domy jednorodzinne charakterystykę energetyczną. Jakie usprawnienia należy wprowadzić w procesie projektowania, aby spełnić wymagania na rok 2021? Czy konieczne jest wykorzystanie OZE? Dyrektywa EPBD wymaga, żeby wszystkie nowe budynki powstające od roku 2021 (a w przypadku budynków użyteczności publicznej od 2019 roku) były obiektami o niemal zerowym zużyciu energii (NZEB). W Polsce wymagania dotyczące standardu NZEB zostały określone w Warunkach Technicznych [2]. Dotyczą one między innymi izolacyjności cieplnej przegród oraz wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną (EP). Ich realizacja, pomimo że wartości wskaźnika EP są większe od zera, wcale nie jest prosta. Powstało już wiele artykułów pokazujących, jak optymalizować projekty budynków mieszkalnych jednorodzinnych w celu spełnienia tych wymagań, jednak liczba opracowań dotyczących budynków wielorodzinnych jest wciąż niewielka. Tymczasem budynki te z uwagi na stosowane źródła ciepła, większą liczbę mieszkańców, mniejszy współczynnik kształtu i ograniczoną dostępność odnawialnych źródeł energii (OZE) mają inną charakterystykę energetyczną.

W ramach przeprowadzonej analizy podjęto próbę określenia, jakie usprawnienia należy wprowadzić, aby spełnić wymagania na rok 2021. Obliczenia wykonano dla całej Polski w odniesieniu do dwóch różnych źródeł ciepła – sieci ciepłowniczej lub kotła gazowego. Szczególną uwagę zwrócono na wykorzystanie OZE. Charakterystykę energetyczną określono dla budynku wielorodzinnego zlokalizowanego kolejno we wszystkich miastach wojewódzkich oraz w Suwałkach i Koszalinie. Następnie dokonano analizy otrzymanych wyników i zaproponowano ulepszenia dla tych lokalizacji, gdzie wartość wskaźnika EP nie spełnia wymagań WT 2021. 

Model obliczeniowy

Projektowany budynek wielorodzinny to obiekt punktowy, dziewięciokondygnacyjny z dwiema kondygnacjami podziemnymi, zaprojektowany w konstrukcji żelbetowej (rys. 1). Część mieszkalna zlokalizowana jest na wszystkich dziewięciu kondygnacjach nadziemnych. Mieszkania zostały zaprojektowane w układzie klatkowym. W części podziemnej oprócz garażu zaprojektowano komórki lokatorskie, a także pomieszczenia techniczne i gospodarcze. W mieszkaniach zaprojektowano instalację wentylacji mechanicznej wywiewnej. Instalacja grzewcza została wykonana na potrzeby systemu ogrzewania wodnego grzejnikowego, podgrzewu ciepłej wody użytkowej oraz wentylacji. 

Dla poszczególnych kondygnacji powtarzalnych wyliczono średnie temperatury części mieszkalnej. Obliczenia wykonano w oparciu o powierzchnię danych typów pomieszczeń. W łazienkach założono normową temperaturę 24°C, a dla pozostałych pomieszczeń temperaturę 20°C [1]. Na rys. 2 pokazano przyjęty sposób podziału wszystkich kondygnacji na strefy. Strefa nr 1 (oznaczona kolorem szarym) jest strefą mieszkalną o wyliczonej średniej temperaturze, natomiast strefa nr 2 (oznaczona kolorem żółtym) to klatka schodowa o założonej w programie temperaturze 8°. Przyjęto, że kondygnacje podziemne są nieogrzewane.

Wszystkie przegrody projektowanego budynku spełniają wymagania co do maksymalnego współczynnika przenikania ciepła, określonego w Warunkach Technicznych na rok 2021 (tabela 1). Maksymalna wartość wskaźnika EP na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej w budynkach wielorodzinnych wynosi 65 kWh/(m² rok) [2].

Charakterystyka energetyczna

Pierwszym, jednocześnie bardzo trudnym etapem analizy było określenie współczynników nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej (wi) dla ciepła dostarczanego z miejskich systemów ciepłowniczych. Nie wszystkie przedsiębiorstwa ciepłownicze udostępniają szersze dane na ten temat – w wielu przypadkach konieczny był bezpośredni kontakt autorów z pracownikami danej firmy. Ostatecznie udało się ustalić wartość wi dla wszystkich 18 miast obejmujących terytorium całej Polski (tabela 2).

Na rys. 3 przedstawiono mapę prezentującą wartości wskaźnika rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP uzyskane dla budynku wielorodzinnego zlokalizowanego kolejno we wszystkich osiemnastu miastach. Kolorem zielonym zaznaczono wartości, które spełniają wymagania ujęte w Warunkach Technicznych, natomiast kolorem czerwonym te, które nie spełniają tych wymagań. Budynek jest zasilany z miejskiej sieci ciepłowniczej.

Kolejnym krokiem było obliczenie EP dla budynku wyposażonego w kocioł gazowy kondensacyjny, gdzie nośnikiem energii końcowej jest gaz ziemny. Współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej wi jest taki sam dla każdej lokalizacji i wynosi 1,10.

W przypadku zastosowania kotła gazowego otrzymane wyniki są znacznie gorsze niż dla miejskiej sieci ciepłowniczej (rys. 4). Żadna z lokalizacji nie spełnia wymagań WT 2021 w odniesieniu do zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną. Tylko w Bydgoszczy, Kielcach i Koszalinie rekomendowane jest zastosowanie kotłowni gazowej. W pozostałych miastach zaleca się podłączenie do miejskiej sieci ciepłowniczej. Co więcej, w Gdańsku, Białymstoku, Zielonej Górze, Łodzi, Lublinie, Rzeszowie i Katowicach osiągnięcie standardu NZEB nie wymaga żadnych dodatkowych usprawnień. Wystarczające jest takie zaprojektowanie przegród, aby ich współczynniki przenikania ciepła nie przekraczały wartości maksymalnych na rok 2021.

Z uzyskanych charakterystyk energetycznych odczytano składowe wskaźnika EP, czyli wartości zapotrzebowania na energię do ogrzewania i wentylacji (EPH), a także do przygotowania ciepłej wody użytkowej (EPW) – tabela 3. Okazuje się, że większość energii wykorzystywana jest do przygotowania c.w.u. (ok. 65%) i to w tym systemie należałoby w pierwszej kolejności szukać możliwych oszczędności. Polepszenie izolacyjności cieplnej przegród ma niewielki wpływ na uzyskane wyniki. Korzystniej wypada system oparty na przyłączeniu do miejskich sieci ciepłowniczych.

Usprawnienia

Dalszą analizę wykonano dla miast, w których wartość wskaźnika EP była najniższa oraz najwyższa spośród wartości niespełniających wymagań Warunków Technicznych.

W przypadku budynku, dla którego źródłem ciepła jest miejska sieć ciepłownicza, do analizy wybrano lokalizacje:

• Warszawa – wartość EP minimalna, niespełniająca Warunków Technicznych;

• Kielce – wartość EP maksymalna, niespełniająca Warunków Technicznych.

W przypadku gdy źródłem ciepła jest kotłownia gazowa, do analizy wybrano lokalizacje:

• Szczecin – wartość EP minimalna, niespełniająca Warunków Technicznych;

• Suwałki – wartość EP maksymalna, niespełniająca Warunków Technicznych.

Budynek zlokalizowany w Warszawie podłączony do miejskiej sieci ciepłowniczej charakteryzuje się wartością EP wynoszącą 74,1 kWh/(m² rok), z czego 65% stanowi zapotrzebowanie na c.w.u. Biorąc to pod uwagę, w pierwszej kolejności przeanalizowano możliwości wykorzystania kolektorów słonecznych lub paneli fotowoltaicznych do podgrzania ciepłej wody. W obu przypadkach konieczne było obliczenie, ile kolektorów lub paneli danego typu zmieści się na dachu budynku. Założono, że kolektory płaskie będą zajmowały połowę powierzchni dachu (wynoszącej 408 m²), aby pozostawić miejsce na inne urządzenia techniczne i kominy. Kolektory będą zamocowane na konstrukcji wsporczej i nachylone w kierunku południowym pod kątem 45°. Przyjęto siedem kolektorów ustawionych w sześciu rzędach, co łącznie daje liczbę czterdziestu dwóch kolektorów o powierzchni 2,33 m² każdy. Pokrycie zapotrzebowania na energię na potrzeby c.w.u. obliczono za pomocą programu Solo 2018. Procentowy udział pokrycia wyniósł 37,2%. Do obliczeń założono, że energia będzie w 65% pochodzić z sieci ciepłowniczej, a w 35% z instalacji kolektorów słonecznych (udział zmniejszono w stosunku do obliczeniowego). Przyjęte usprawnienie jest wystarczające, by obniżyć wskaźnik EP do 57,7 kWh/(m²rok) i spełnić wymagania na rok 2021.

Podobnie jak dla kolektorów przyjęto, że panele PV będą zajmowały połowę powierzchni dachu. Panele będą zamocowane na konstrukcji wsporczej i nachylone w kierunku południowym pod kątem 45°. Przyjęto jedenaście paneli fotowoltaicznych ustawionych w siedmiu rzędach, co łącznie daje siedemdziesiąt siedem paneli o powierzchni 1,64 m² każdy. Ilość wyprodukowanej energii, która wyniosła 18 000 kWh, określono za pomocą informacji zawartych w portalu Photovoltaic Geographical Information System. Wartość ta stanowi 17% rocznego zapotrzebowania na energię do przygotowania c.w.u. Do obliczeń założono, że energia będzie w 83% pochodzić sieci ciepłowniczej, a w 17% z instalacji PV. Otrzymano wartość wskaźnika EP na poziomie 66,3 kWh/(m² rok), co nie pozwala spełnić wymagań na rok 2021.

W przypadku budynku zlokalizowanego w Kielcach podłączonego do miejskiej sieci ciepłowniczej wartość EP wynosi 117,2 kWh/(m² rok). Ponawiając tok obliczeń jak w przypadku lokalizacji w Warszawie, przy zastosowaniu kolektorów słonecznych otrzymano wartość wskaźnika EP na poziomie 91,6 kWh/(m² rok). Konieczne okazało się zastosowanie kolejnych usprawnień w obszarze systemu wentylacji. Przyjęto do obliczeń wentylację nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła o projektowanej sprawności na poziomie 70%. Zwiększono również szczelność powietrzną budynku do poziomu n50 równego 1,5 h–1 [21]. Opisane usprawnienia nie umożliwiły uzyskania wyniku spełniającego wymagania WT 2021, a wskaźnik EP wyniósł 67,2 kWh/(m² rok). Zwiększono zatem sprawność odzysku ciepła do 80% oraz sprawność przesyłu (dystrybucji) ciepła w instalacji c.w.u. z 0,6 na 0,7 poprzez zwiększenie grubości izolacji oraz skrócenie czasu krążenia ciepłej wody w obiegu cyrkulacyjnym. Przyjęte usprawnienia pozwoliły obniżyć wskaźnik EP do 57,7 kWh/(m² rok) i spełnić wymagania dla standardu NZEB. Zastosowanie paneli fotowoltaicznych i pozostałych uprawnień nie pozwala na spełnienie wymagań WT 2021.

Budynki, dla których źródłem ciepła jest kotłownia gazowa, wymagają zastosowania kompleksowych usprawnień. Same kolektory słoneczne lub panele PV nie są w stanie wystarczająco obniżyć wartości EP. Dopiero zastosowanie wentylacji z odzyskiem ciepła, podwyższenie szczelności oraz zwiększenie sprawności dystrybucji c.w.u. daje pożądane efekty.

Podsumowanie i wnioski

Przedstawioną analizę wpływu usprawnień na charakterystykę energetyczną wykonano analogicznie dla wszystkich miast. W tabeli 4 określono również stopień trudności spełnienia wymagań standardu NZEB. W tabeli 5 przedstawiono zalecane usprawnienia dla każdej z lokalizacji w przypadku podłączenia budynku do sieci ciepłowniczej lub zainstalowania kotłowni gazowej wraz ze stopniem trudności (w skali z tabeli 4). Szczegółowe objaśnienie skrótów użytych w tym zestawieniu podano w tabeli 6.

Jak pokazały obliczenia, w przypadku ana­lizowanego budynku wielorodzinnego najłatwiej będzie spełnić wymagania WT 2021 w miastach posiadających efektywny system ciepłowniczy, charakteryzujący się współczynnikiem wi poniżej 0,70. Tam, gdzie współczynnik ten jest wyższy, ale nie przekracza 1,0, konieczne jest zastosowanie kolektorów słonecznych do podgrzewania c.w.u. W pozostałych przypadkach należy dodatkowo wprowadzić wentylację nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła o projektowanej sprawności na poziomie 70% oraz podwyższyć szczelność powietrzną budynku do wartości n50 równej 1,5 h–1. Alternatywnym rozwiązaniem może być zastosowanie paneli PV i wykorzystanie produkowanej energii na potrzeby c.w.u. Takie usprawnienie wymaga jednak wyższej sprawności odzysku ciepła w systemie wentylacji – na poziomie 80% oraz zwiększenia sprawności dystrybucji w instalacji c.w.u. do wartości 0,7.

Przy kotłowni gazowej spełnienie wymagania WT 2021 jest trudne i w większości lokalizacji wymaga zamontowania kolektorów słonecznych oraz wentylacji z odzyskiem ciepła i podwyższenia szczelności budynku. Alternatywnym rozwiązaniem jest zastosowanie paneli fotowoltaicznych wraz z wentylacją nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła o sprawności 80%, podwyższenie szczelności i zwiększenie sprawności dystrybucji w instalacji c.w.u. W trzech lokalizacjach (Olsztyn, Białystok, Suwałki), stosując panele fotowoltaiczne, nie zdołano spełnić wymagań. Z punktu widzenia standardu NZEB zastosowanie kotłowni gazowej wypada korzystniej tylko w Bydgoszczy, Kielcach i Koszalinie. Wyniki analiz prezentowane w artykule dotyczą jednego typu budynku wielorodzinnego, niepodzielonego na indywidualne mieszkania. Obliczenia wykonane dla innych projektów lub oddzielnie dla każdego mieszkania mogą dawać inne wyniki [22]. W przyszłości analizie poddany zostanie również rzeczywisty wpływ poszczególnych rozwiązań na środowisko naturalne [23].

Literatura

1. PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2017, poz. 2285).

3. System ciepłowniczy Szczecin, SEC – Szczecińska Energetyka Cieplna, 2018, https://sec.com.pl/do_pobrania/projektant (dostęp: czerwiec 2019).

4. Współczynnik wi dla miejskiej sieci ciepłowniczej, Grupa GPEC, https://grupagpec.pl/dla-projektanta (dostęp: czerwiec 2019).

5. Wskaźniki efektywności energetycznej dla sieci ciepłowniczej w Olsztynie za rok 2015, MPEC Olsztyn, 2016, http://mpec.olsztyn.pl/pl/o_firmie/wskazniki-efektywnosci-energetycznej-dla-sieci-cieplowniczej-w-olsztynie-za-rok-2015 (dostęp: czerwiec 2019).

6. Informacja o wskaźnikach dla sieci ciepłowniczej, Enea, 2018, https://www.enea.pl/spolki-grupy-enea/enea-cieplo/system-cieplowniczy/aktualizacja/strona-enea-aktualizacja-danych-za-2017-rok.docx?t=1533655424 (dostęp: czerwiec 2019).

7. Francuz R., Ciepło, cieplej... chłodno, Jasny podział korzyści i ciepło bez węgla, „Teraz Środowisko”, 2015, https://www.teraz-srodowisko.pl/aktualnosci/Cieplo-cieplej-chlodno-1355.html (dostęp: czerwiec 2019).

8. Ciepło systemowe dla Poznania, Veolia Energia Poznań, 2017, http://www.energiadlapoznania.pl/cieplo-systemowe/zielone-cieplo (dostęp: czerwiec 2019).

9. Informacje własne autorów pozyskane od Komunalnego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej Sp. z o.o. w Bydgoszczy.

10. Ciepło systemowe dla Warszawy, Veolia Energia Warszawa, 2017, http://www.energiadlawarszawy.pl/cieplo-systemowe/dla-audytorow (dostęp: czerwiec 2019).

11. Informacje własne autorów pozyskane od Zespołu Elektrociepłowni Wrocławskich KOGENERACJA S.A., http://www.kogeneracja.com.pl/pl.

12. Ciepło systemowe dla Łodzi, Veolia Energia Łódź, 2017, https://energiadlalodzi.pl/dane-kluczowe/dane-techniczne (dostęp: czerwiec 2019).

13. Informacje własne autorów pozyskane od Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej Sp. z o.o. w Kielcach.

14. Wskaźniki dla audytorów, Efektywność energetyczna lubelskiego systemu ciepłowniczego, Lubelskie Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej S.A., 2016, http://www.lpec.pl/cieplo-systemowe/wskazniki-dla-audytorow (dostęp: czerwiec 2019).

15. Informacje własne autorów pozyskane od Energetyki Cieplnej Opolszczyzny SA, http://www.ecosa.pl.

16. Struktura paliw, Tauron Ciepło, Katowice 2016, http://www.tauron-cieplo.pl/SiteCollectionDocuments/struktura-paliw/WPc_2016.pdf (dostęp: czerwiec 2019).

17. Wskaźniki efektywności energetycznej dla sieci ciepłowniczej MPEC S.A. w Krakowie za rok 2017, MPEC Kraków, 2018, https://www.mpec.krakow.pl/download/wskaniki_efektywnoci_energetycznej_dla_sieci_ciepowniczej_MPEC_S.A._za_rok_2017.pdf (dostęp: czerwiec 2019).

18. Informacje własne autorów pozyskane od MPEC Rzeszów.

19. Materiały PEC Suwałki, 2018, http://pec.suwalki.pl/pliki/20180403081441-22-wspolczynnik1_2017.pdf (dostęp: czerwiec 2019).

20. Informacje własne autorów pozyskane od Miejskiej Energetyki Cieplnej Sp. z o.o. w Koszalinie.

21. Firląg Szymon, Miszczuk Artur, Szczelność powietrzna budynków energooszczędnych a instalacje, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2015, s. 56–62, www.rynekinstalacyjny.pl.

22. Kaliszuk-Wietecka Agnieszka, Miszczuk Artur, Rozkład zapotrzebowania na energię pierwotną i końcową w budynku wielorodzinnym, „Materiały Budowlane” nr 12/2013, s. 68–70.

23. Król Piotr, Firląg Szymon, Węglarz Arkadiusz, Zintegrowana ocena wpływu budynku jednorodzinnego na środowisko, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2013, s. 20–25, www.rynekinstalacyjny.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!