Termomodernizacja budynku zabytkowego w kierunku wysokiej efektywności energetycznej i jakości środowiska wewnętrznego

Ze względu na rosnącą świadomość właścicieli budynków w kwestii wpływu emisji szkodliwych pyłów ze spalania paliw kopalnych na zdrowie ich własne oraz całego społeczeństwa, a także łatwiejszy dostęp do alternatywnych źródeł energii coraz więcej osób decyduje się na wymianę tradycyjnego źródła ciepła wraz z ociepleniem budynku. Do podjęcia decyzji o kompleksowej termomodernizacji skłaniają również rosnące ceny paliw oraz programy rządowe wspierające finansowo takie przedsięwzięcia. W przypadku nowo powstałych budynków dzięki wchodzącym na rynek rozwiązaniom materiałowym łatwiej uzyskać satysfakcjonujący efekt związany ze standardem energetycznym. Sprawa komplikuje się w przypadku budynku istniejącego. Najlepszym rozwiązaniem jest wówczas kompleksowa termomodernizacja, polegająca na wymianie systemu grzewczego z dołożeniem odnawialnych źródeł energii, wymianie systemu ciepłej wody użytkowej, ulepszeniu systemu wentylacji, dociepleniu przegród zewnętrznych oraz wymianie stolarki okiennej i drzwiowej. Głównym czynnikiem zachęcającym użytkowników do podjęcia decyzji odnośnie do termomodernizacji jest obniżenie kosztów ponoszonych na ogrzewanie budynku oraz przygotowanie ciepłej wody użytkowej.

W artykule zawarto analizy możliwości doprowadzenia budynku zabytkowego do standardu budynku energooszczędnego oraz oceny wariantów modernizacji przegród w kontekście jakości środowiska wewnętrznego i pod względem ekonomicznym.

Zobacz także: Efektywność energetyczna instalacji HVAC a koszty budynku – co realnie wpływa na TCO? >>

Analizowany budynek znajduje się w Bielsku-Białej, w III strefie klimatycznej, i jest to podmiejska willa mająca cztery kondygnacje: piwnicę, parter, piętro oraz poddasze. Jej kubatura wynosi 6800 m³, a całkowita powierzchnia 1547 m². Budynek usytuowany jest na terenie parkowo-leśnym i wpisany do rejestru zabytków. Wybudowano go w latach 1890–1902 zgodnie z projektem architektonicznym Emanuela Rosta. Styl nawiązuje do paryskiej architektury willowej, charakterystycznej dla lat 80. XIX wieku. Po II wojnie światowej państwo przejęło budynek i stworzyło w nim szkołę podstawową, a następnie ośrodek wychowawczy dla dzieci specjalnej troski. Willę otacza park o powierzchni 2,7 ha z licznymi drzewami będącymi pomnikami przyrody. W 2011 roku powstał projekt mający na celu rozbudowę obiektu oraz zmianę jego sposobu użytkowania z funkcji usługowej na mieszkalną. Widok obiektu w stanie pierwotnym ilustruje fot. 1.

Opis stanu technicznego

Szczegółowy opis stanu istniejącego wykonano na podstawie projektu budowlanego z 2011 roku [4]. Fundamenty wykonano z kamienia łamanego na zaprawie cementowo-wapiennej. Ławy zewnętrzne posadowiono ok. 2 m poniżej poziomu terenu. Ściany zewnętrzne i wewnętrzne na poziomie piwnic również wykonano z kamienia na zaprawie cementowo-wapiennej, a wyższą część ścian – z cegły ceramicznej na zaprawie cementowo-wapiennej. W części podpiwniczonej przykrytej gruntem, po stronie zewnętrznej, wykonana została izolacja przeciwwilgociowa oraz termoizolacja z płyt XPS o grubości 5 cm.

Podłogę na gruncie wykonano z następujących warstw: płytki ceramiczne, wylewka samopoziomująca, wylewka z betonu zbrojonego o grubości 6 cm, styropian twardy Styrodur γ ≥ 20 o grubości 8 cm, folia izolacyjna PE 0,3, papa paroizolacyjna, chudy beton B10 o grubości 5 cm, żwir zagęszczony 5–10 cm, a poniżej znajduje się grunt rodzimy.

Ściany zewnętrzne wykonano z cegły pełnej, w partii przyziemia od strony zewnętrznej ściany są otynkowane, a w wyższych partiach licowane żółtą cegłą okładzinową. Mury nadziemia wykonane zostały z cegły ceramicznej pełnej na zaprawie wapienno-cementowej. Ściany zewnętrzne mają grubość od 60 do 45 cm – na poziomie parteru 60 cm, a wyższe partie oraz ściana kolankowa na poddaszu 45 cm. Ściany poniżej poziomu terenu mają izolację termiczną i przeciwwilgociową. Na poziomie parteru i piętra izolacja termiczna wewnętrzna za pomocą wełny mineralnej o grubości 10 cm oraz wentylowana pustka powietrzna pomiędzy wełną a ścianą o grubości 2 cm. Na poziomie poddasza izolacja termiczna z wełny mineralnej o grubości 18 cm. Ściany wewnętrzne wykonane z cegły pełnej ceramicznej na zaprawie wapienno-cementowej, otynkowane. Ściany działowe murowane z pustaków Porotherm o grubości 11,5 cm w technologii suchej zabudowy.

Strop wewnętrzny nad piwnicą wykonany został w dwóch wariantach. W wariancie pierwszym składa się z następujących warstw: płyty kamienne o grubości 2 cm, w tej części wykonane zostało ogrzewanie podłogowe na macie Rolljet, warstwa wyrównawcza 4 cm, keramzyt oraz strop o grubości 15 cm. W drugim wariancie przegroda składa się z: parkietu wykonanym na kleju, wylewki, folii, styropianu EPS 4 cm, warstwy wyrównawczej 4 cm, keramzytu oraz stropu o grubości 15 cm. Strop wewnętrzny nad parterem został wykonany z następujących warstw: płyty kamienne, wylewka, folia, styropian EPS 4 cm, warstwa wyrównawcza 4 cm, keramzyt oraz strop o grubości 15 cm. Strop wewnętrzny nad pierwszym piętrem w części gospodarczej budynku wykonany został z: warstwy wykończeniowej 2 cm, płyty jastrychowej 3,5 cm, folii PE, płyty gipsowo-kartonowej na stalowych stopkach, sypkiego ocieplenia o grubości 20 cm oraz warstwy stropu o grubości od 26 do 57 cm. Natomiast strop wewnętrzny w części mieszkalnej wykonano z płytek ceramicznych, desek drewnianych ułożonych ażurowo, belki dwuteowej, klinów poziomujących oraz warstwy stropowej.

Dach budynku wykonany został w czterech wariantach. Wariant pierwszy i drugi zastosowano nad częścią mieszkalną budynku, natomiast wariant trzeci i czwarty nad częścią gospodarczą. Na wariant pierwszy składają się następujące warstwy: blacha miedziana ułożona na rąbek, zbrojona folia paroprzepuszczalna, deskowanie, strop podwieszony, wełna mineralna 15 cm, paroizolacja, dwie płyty gipsowo-kartonowe 12,5 mm Rigips. Wariant drugi składa się z takich warstw jak: dachówka ceramiczna, łata w rozstawie 16,5 mm, kontrłata, wiatroizolacja, deskowanie, wełna mineralna 15 cm oraz płyty gipsowo-kartonowe Rigips. Trzeci i czwarty wariant pokrycia dachu zastosowano od południowo-zachodniej strony budynku. Na trzeci wariant składają się: blacha miedziana, zbrojona folia paroprzepuszczalna oraz deskowanie, a na wariant czwarty: dachówka ceramiczna mocowana na wkręty, łata w rozstawie 16,5 mm, kontrłata, wiatroizolacja oraz deskowanie.

Stolarka okienna i drzwiowa została w większości wymieniona z uwzględnieniem historycznych profili. Jedynym zachowanym elementem są główne drzwi zewnętrzne dwuskrzydłowe, w górnej części przeszklone, zakończone łukiem. Stolarka wewnętrzna drzwiowa zachowana w stanie pierwotnym, po konserwacji.

Instalacja centralnego ogrzewania została zaprojektowana jako wodna, niskotemperaturowa, w układzie zamkniętym o parametrach 80/60˚C. Źródłem ciepła są dwa kondensacyjne wiszące kotły gazowe typu VC 466/4-5, pracujące w układzie kaskadowym, z zamkniętą komorą spalania firmy Vaillant, zasilane gazem ziemnym. Do przygotowania ciepłej wody użytkowej zastosowano podgrzewacz firmy Vaillant typu VIH RL 400-60 zasilany wodą grzewczą z kotła. Pomieszczenie kotłowni znajduje się na poddaszu i zostało oznaczone jako 3/2. Odbiornikami ciepła w pomieszczeniach są grzejniki oraz ogrzewanie podłogowe. Instalacja ogrzewania podłogowego znajduje się w pomieszczeniach: 1/1, 1/4, 1/6, 1/9, 1/11, 1/13, 1/14, 1/16, 1/17, 2/3a, 2/3b, 2/7, 2/9b. W pozostałych pomieszczeniach zamontowano grzejniki. Zapotrzebowanie budynku na cele grzewcze wynosi obecnie 77 kW.

Na poziomie piwnic zastosowano wentylację mechaniczną nawiewno-wywiewną, natomiast w wyższych częściach budynku wentylację grawitacyjną. W układzie wentylacji mechanicznej pracuje centrala wentylacyjna firmy Clima-Produkt typu Hermes APN-1-L o wydajności 1100 m³/h, bez odzysku ciepła wentylacyjnego.

Zestawienie pomieszczeń: powierzchnia pomieszczeń (głównie użytkowych i niewielkich technicznych) na poziomie piwnicy wynosi 352,74 m², pomieszczenia na poziomie parteru mają łącznie 400,10 m², na poziomie piętra – 375,51 m², a na poddaszu – 419,24 m², w tym kotłownia ok. 21 m² i nieużytkowe 84 m².

Zasady termomodernizacji budynków zabytkowych

W przypadku budynków zabytkowych poddawanych termomodernizacji należy zachować szczególną ostrożność. Stanowią one wyjątkową grupę obiektów, których proces termomodernizacji powinien być poprzedzony dokładnymi analizami dotyczącymi historii i przeznaczenia obiektu. Obecnie obowiązujące przepisy zawierają stosunkowo restrykcyjne wartości wskaźnika nieodnawialnej energii pierwotnej EP. Ale w przypadku obiektów zabytkowych poddawanych modernizacji możliwe są pewne odstępstwa i nie muszą one spełniać takiej granicznej wartości wskaźnika EP jak budynki nowo budowane i poddawane gruntownej renowacji.

Większość budynków zabytkowych ma bogato zdobione elementy przegród pionowych bądź poziomych, dużej wartości artystycznej, historycznej lub naukowej i ich wygląd powinien być nienaruszony. Należy się wówczas zastanowić nad technologią wykonania docieplenia. W przypadku występowania po stronie zewnętrznej przegrody-elewacji, która według konserwatora zabytków powinna pozostać w stanie nienaruszonym, należy wziąć pod uwagę wewnętrzne docieplenie przegrody. Jeśli elewacja zewnętrzna nie ma walorów zabytkowych, docieplenie można wykonać od strony zewnętrznej. Wykonywanie ociepleń od strony wewnętrznej niesie za sobą duże ryzyko. Istnieje m.in. możliwość przemarzania konstrukcji budynku oraz zwiększenia liczby mostków cieplnych. Bardzo groźnym skutkiem jest także zjawisko kondensacji wewnątrz przegrody, co skutkuje występowaniem pleśni i grzybów. Zmniejsza się również powierzchnia pomieszczenia.

W zależności od możliwości zastosowania rozróżnia się kilka metod ociepleń. W przypadku docieplenia przegrody od strony zewnętrznej są to metoda ETICS oraz metoda sucha. Jeżeli istnieje możliwość ocieplenia przegrody od strony wewnętrznej, można tego dokonać za pomocą metody suchej, natryskowej, z użyciem materiałów o otwartej strukturze oraz zamkniętokomórkowych.

Przed przystąpieniem do ociepleń przegród zewnętrznych oraz wymiany stolarki okiennej i drzwiowej należy ocenić funkcjonowanie istniejącej wentylacji. Do poprawnej analizy możliwości modernizacji potrzebne jest ustalenie parametrów, w jakich instalacja będzie pracować. Prawidłowo działająca wentylacja ma uchronić użytkownika przed rozwojem grzybów i pleśni spowodowanym zbyt dużą wilgotnością powietrza. W budynkach zabytkowych występuje najczęściej wentylacja grawitacyjna. Wymiana powietrza odbywa się poprzez wlot powietrza świeżego przez nieszczelności i wylot przez kanały wywiewne. Po dociepleniu przegród zewnętrznych oraz wymianie stolarki okiennej napływ powietrza zostaje ograniczony i wentylacja grawitacyjna przestaje spełniać swoje zadanie. Aby zachować jej sprawność, potrzebne jest zainstalowanie nawiewników okiennych lub ściennych bądź zmiana systemu wentylacji na mechaniczny wywiewny lub nawiewno-wywiewny z odzyskiem ciepła.

Charakterystyka energetyczna budynku – wyniki obliczeń dla stanu pierwotnego

Charakterystykę energetyczną budynku sporządzono podczas projektu budowlanego wykonanego w 2011 roku, mającego na celu rozbudowę oraz zmianę sposobu użytkowania obiektu wraz z założeniem parkowym. Tabela 1 zawiera zestawienie współczynników przenikania ciepła dla istniejących przegród zewnętrznych.

Termomodernizacja przeprowadzona była w 2011 roku według obowiązujących wówczas wymogów i wiedzy technicznej. Obowiązujące od stycznia 2021 r. wymagania Warunków Technicznych są znacznie wyższe. W tabeli 2 zestawiono całkowity współczynnik strat ciepła przez przenikanie oraz przez wentylację w analizowanym budynku.

Roczne zyski ciepła od promieniowania słonecznego przez powierzchnie oszklone Q_sol obliczono na 64 799 kWh, a wewnętrzne zyski ciepła Q_int wynoszą 92 190 kWh. Do obliczeń rocznego zapotrzebowania na energię użytkową budynku Q_H,nd do ogrzewania i wentylacji potrzebne jest określenie pojemności cieplnej wewnętrznej budynku κ_j odniesionej do powierzchni mających kontakt z powietrzem wewnętrznym.

Ze względu na wykonanie ścian zewnętrznych z cegły pełnej wartość κ_j budynku została określona jak dla budynku o konstrukcji ciężkiej i wynosi 260 000 J/(m²K). Parametry niezbędne do obliczenia Q_H,nd to: pojemność cieplna budynku C_m równa 402 373 400 J/K, stała czasowa budynku równa 55,93 h oraz parametr numeryczny 4,729.

Całkowite roczne zapotrzebowanie budynku na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji Q_H,nd obliczono na 95 635 kWh. Zapotrzebowanie na ciepło użytkowe do przygotowania ciepłej wody Q_W,nd wynosi 37 277 kWh/rok. Do obliczenia całkowitego zapotrzebowania na energię końcową na potrzeby ogrzewania i wentylacji Q_k,H potrzebne jest wyznaczenie średniej sezonowej sprawności całkowitej systemu grzewczego budynku.

Średnia sezonowa sprawność całkowita systemu grzewczego zasilanego kondensacyjnym kotłem gazowym, od wytwarzania (konwersji) ciepła do przekazania w pomieszczeniu, wynosi 0,716. W przypadku analizowanego budynku, gdzie odbiornikiem ciepła jest zarówno ogrzewanie wodne grzejnikowe, jak i podłogowe, wyliczona została średnia sezonowa sprawność regulacji i wykorzystania dla obu typów odbiorników.

Całkowite zapotrzebowanie na energię końcową do ogrzewania i wentylacji Q_k,H wynosi 133 503 kWh/rok. Średnia sezonowa sprawność całkowita przygotowania c.w.u. to 0,506. Całkowite zapotrzebowanie na energię końcową do przygotowania c.w.u. Q_k,W wynosi 73 707 kWh/rok.

Roczne zapotrzebowanie na energię pomocniczą zostało policzone dla systemu ogrzewania (pompy obiegowe, system regulacji kotła) oraz wentylacji (wentylatory centrali) i wynosi 5363 kWh, a dla systemu przygotowania c.w.u. (pompy i regulacja kotła c.w.u.) 949 kWh.

Do wyznaczenia wskaźników zapotrzebowania na energię pierwotną EP, energię końcową EK oraz energię użytkową EU posłużono się współczynnikami nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii do budynku zgodnie z metodologią [5]. Roczne zapotrzebowanie na energię użytkową budynku wynosi 132 913 kWh, na końcową – 225 456 kWh, a na pierwotną – 282 668 kWh.

Wskaźniki rocznego zapotrzebowania na cele c.o. i c.w.u. dla stanu istniejącego są następujące:

• EU = 85,88 kWh/(m²rok),
• EK = 137,97 kWh/(m²rok),
• EP = 159,52 kWh/(m²rok).

Łączna wielkość emisji CO₂ budynku wynosi 46,85 t rocznie, co daje 0,030 t/(m²rok). Wskaźnik zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP wynoszący 159,52 (kWh/(m²rok)) jest znacznie wyższy od wymaganego w WT 2021 70 kWh/(m²rok) [1]. Potrzebna jest zatem szeroka analiza możliwości poprawy standardu energetycznego tego budynku, bo choć jest on zabytkowy, a wymóg WT 2021 w zakresie EP nie jest dla niego obligatoryjny, renowacja powinna przynieść szereg korzyści dla użytkowników i poprawić stan techniczny obiektu.

Cel termomodernizacji obiektu

Pierwotnym celem termomodernizacji jest poprawa komfortu użytkowania budynku i zmniejszenie zapotrzebowania na energię, co wpływa na mniejsze zużycie paliwa, a to z kolei prowadzi do obniżenia kosztów ogrzewania. W przypadku analizowanego budynku celem modernizacyjnym jest również ograniczenie degradacji walorów wizualnych i historycznych obiektu. W tym celu poprawie ulegnie stan cieplno-wilgotnościowy przegród (z zachowaniem ich naturalnego wyglądu) oraz sprawność systemów technicznych. W analizie porównane zostaną trzy warianty modernizacyjne:

• W wariancie pierwszym instalację grzewczą oraz c.w.u. zasilać będzie istniejący gazowy kocioł kondensacyjny i dodatkowo kolektory słoneczne podgrzewające c.w.u., pokrywające 45% zapotrzebowania na ciepło dla c.w.u.
• W drugim wariancie instalację c.o. i c.w.u. zasilać będzie gruntowa pompa ciepła glikol/woda, a instalacja fotowoltaiczna pokryje 50% zapotrzebowania na ciepło do przygotowania c.w.u.
• W trzecim wariancie instalację grzewczą oraz c.w.u. zasilą pompy ciepła powietrze/woda, zamontowane też zostaną panele fotowoltaiczne pokrywające 50% zapotrzebowania na ciepło do przygotowania c.w.u.

Wszystkie warianty zakładają modernizację przegród pionowych i poziomych oraz poprawę sprawności systemu wentylacji, ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. Pod względem wilgotnościowym porównane zostaną dwa materiały izolacyjne: wełna mineralna o współczynniku przewodzenia ciepła równym 0,035 W/(mK) oraz płyta klimatyczna Calsitherm o 0,059 W/(mK). Wymianie ulegnie również stolarka okienna – na okna potrójnie szklone z powłoką selektywną.

Bilans wilgoci

W przypadku budynków zabytkowych ocieplenie przegród zewnętrznych wykonuje się także od strony wewnętrznej. Choć niesie to za sobą korzyści, takie jak np. mniejsze nakłady czasu i kosztów prac, towarzyszy też temu ryzyko wystąpienia kondensacji w przegrodzie.

Obliczenia wilgotnościowe zostały przeprowadzone dla najbardziej niekorzystnych warunków w tej lokalizacji w odniesieniu do ściany zewnętrznej i ściany przy gruncie, ze względu na bardzo bliski kontakt tych przegród z warunkami panującymi na zewnątrz oraz dużą wilgotność gleby. Obliczenia zostały przeprowadzone zgodnie z normą PN-EN ISO 13788:2008 [15]: opory przejmowania ciepła na powierzchni zewnętrznej Rse wynoszą 0,04 (m²K)/W, na powierzchni wewnętrznej Rsi = 0,25 (m²K)/W, natomiast na powierzchni zewnętrznej w gruncie Rg = 0,4 (m²K)/W.

Na podstawie normy [15] dla odpowiednich klas obciążenia wilgotnością wewnętrzną przyjęto pomieszczenia średnio zaludnione. Wyniki obliczeń ryzyka wystąpienia wilgoci oraz rozkładów temperatur w warstwie przegrody ocieplonej wskazały, że optymalnym wyborem będzie wełna mineralna. W przegrodach ocieplonych wełną nie wystąpi kondensacja pary wodnej dzięki zastosowaniu materiału o dużym oporze dyfuzyjnym. W przypadku ocieplenia przegrody płytą silikatowo-wapienną od strony wewnętrznej, przy założeniu wilgotności w pomieszczeniu równej 60%, występuje wykraplanie wilgoci, a zastosowanie dodatkowej powłoki antykondensacyjnej wiąże się z kolejnymi nakładami inwestycyjnymi.

Współczynniki przenikania ciepła przegród po ociepleniu ścian zewnętrznych wełną mineralną obliczono z wykorzystaniem normy PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania [8]. Grubość izolacji modernizowanych przegród została dobrana w taki sposób, aby spełniała wymagania WT 2021 [1]. Z kolei dla podłogi na gruncie współczynnik przenikania ciepła został wyznaczony zgodnie z normą PN-EN ISO 13789 [23]. Obliczono współczynniki przenikania ciepła dla modernizowanych przegród i są one następujące: ściana zewnętrzna U = 0,193 W/(m²K), ściana przy gruncie U = 0,195 W/(m² K), dach U = 0,135 W/(m²K), strop pod nieogrzewanym poddaszem U = 0,130 W/(m² K). Współczynnik przenikania ciepła podłogi na gruncie wyniósł U = 0,18 W/(m² K).

Wspólne założenia dla rozpatrywanych wariantów

Założono, że wentylacja w całym budynku zostanie zmieniona na mechaniczną nawiewno-wywiewną. Po przeprowadzeniu analizy wilgotnościowej przegród w budynku jako ocieplenie od strony wewnętrznej przyjęto tylko wariant izolacji wykonanej z wełny mineralnej. Roczne straty ciepła przez przenikanie Qtr obliczono jako 82 235 kWh/rok, a przez wentylację Q_ve – 53 370 kWh/rok. Miesięczne zyski ciepła od promieniowania słonecznego Q_sol wynoszą 19 439 kWh/rok, a wewnętrzne zyski ciepła Q_int – 92 190 kWh/rok. Podczas modernizacji budynku stolarka okienna zostanie wymieniona na oszklenie potrójną szybą z dwiema powłokami selektywnymi. W celu zmniejszenia miesięcznych zysków ciepła od promieniowania słonecznego przez powierzchnie oszklone zastosowane zostaną osłony wewnętrzne w postaci kolorowych tkanin. Obliczenia wewnętrznych zysków ciepła będą takie same jak dla wariantu istniejącego ze względu na fakt, że nie zmienia się przeznaczenie analizowanego obiektu. Zapotrzebowanie na energię użytkową budynku do celów ogrzewania i wentylacji Q_H,nd – po ociepleniu budynku wełną mineralną – wyniesie 56 348 kWh/rok. Zapotrzebowanie na ciepło użytkowe do przygotowania ciepłej wody Q_W,nd jest niezmienne dla wszystkich wariantów i wynosi 37 277 kWh/rok.

W wariantach 2 i 3 przyjęto, że instalacja fotowoltaiczna powinna pokrywać 50% zapotrzebowania na ciepło do c.w.u. Przyjęto wartość szacunkową, zależną m.in. od mocy instalacji, wielkości zasobnika oraz zapotrzebowania na c.w.u. Instalacja PV produkuje najwięcej energii w okresie, kiedy zapotrzebowanie na ogrzewanie budynku jest niskie lub nie występuje, ale nadal konieczne jest przygotowanie znacznej ilości c.w.u., do czego można wykorzystać energię odnawialną.

Wariant 1 – kocioł gazowy i kolektory słoneczne

Instalacja grzewcza oraz c.w.u. zasilane będą z kondensacyjnego kotła gazowego, dodatkowo zamontowane zostaną kolektory słoneczne termiczne pokrywające 45% rocznego zapotrzebowania na ciepło do c.w.u. Przyjęto parametry zasilania instalacji grzejników naściennych 65/55°C, a instalacji podłogowych 45/35°C. Obliczono współczynniki strat ciepła przez przenikanie: 822,56 W/K i przez wentylację: 533,84 W/K. Całkowite zapotrzebowanie na energię końcową budynku będzie prawie o połowę niższe w stosunku do stanu istniejącego ze względu na prawie dwukrotne zmniejszenie zapotrzebowania na energię użytkową budynku Q_H,nd, które wynosi Q_k,H = 78 661 kWh/rok.

Zapotrzebowanie na energię końcową do przygotowania c.w.u., które ma zostać pokryte przez kocioł, wynosi: Q_k,W,kocioł = 40 539 kWh/rok. Natomiast zapotrzebowanie do pokrycia przez kolektory słoneczne wynosi: Q_k,W,sol = 28 193 kWh/rok. Całkowite zapotrzebowanie na energię końcową do przygotowania c.w.u. wynosi: Q_k,W = 68 732 kWh/rok. Zapotrzebowanie na energię pomocniczą dla systemu przygotowania c.w.u. obliczono na 1578 kWh/rok. Zapotrzebowanie na energię pomocniczą dla systemu ogrzewania i wentylacji wynosi 17 297 kWh/rok.

Zapotrzebowanie na energię użytkową wynosi 93 626 kWh/rok, na końcową: 166 267 kWh/rok, a na pierwotną: 187 745 kWh/rok. Emisja całkowita CO₂ przez budynek wyniesie 39,5 t/rok, czyli 0,026 t/ (m²rok). Wskaźniki rocznego zapotrzebowania na energię użytkową, końcową i pierwotną systemów ogrzewania i wentylacji oraz c.w.u. są następujące:

• EU = 60,50 kWh/(m²rok);
• EK = 107,44 kWh/(m²rok);
• EP = 121,31 kWh/(m²rok).

Wariant 2 – pompa ciepła glikol/woda i panele fotowoltaiczne

Budynek zostanie wyposażony w instalację grzewczą oraz c.w.u. zasilaną z gruntowej pompy ciepła glikol/woda. Przyjęto parametry zasilania instalacji grzejników naściennych 55/45°C, a instalacji podłogowych 40/30°C. Dodatkowo założono montaż instalacji paneli fotowoltaicznych, która pokryje 50% zapotrzebowania na ciepło do c.w.u. W tym wariancie założono pracę gruntowej pompy ciepła glikol/woda zasilanej energią z sieci energetycznej oraz z instalacji PV. Instalacja fotowoltaiczna produkuje najwięcej energii w okresie, kiedy zapotrzebowanie na ogrzewanie budynku jest niskie lub nie występuje, ale nadal konieczne jest przygotowanie znacznej ilości c.w.u. Nadmiar energii z instalacji PV zostanie wykorzystany do regeneracji dolnego źródła ciepła w gruncie w okresie letnim (duże zyski energii z PV ponad potrzeby przygotowania c.w.u.). Ze względu na wpisanie budynku do krajowego rejestru zabytków zaproponowano ustawienie paneli fotowoltaicznych na terenie zielonym.

Średnia sezonowa sprawność całkowita systemu grzewczego budynku w tym wariancie wynosi 2,755. Całkowite zapotrzebowanie na energię końcową do ogrzewania i wentylacji Q_k,H wynosi 20 452 kWh/rok.

Zapotrzebowanie na energię końcową do przygotowania c.w.u., które ma zostać pokryte przez pompę ciepła, Q_k,W,PC wynosi 10 442 kWh/rok (przyjmując SCOP 3,5). Natomiast zapotrzebowanie na energię do pokrycia przez panele fotowoltaiczne Q_k,W,PV to 31 325 kWh. Całkowite zapotrzebowanie na energię końcową do przygotowania c.w.u. Q_k,W wynosi 41 767 kWh/rok. Zapotrzebowanie na energię pomocniczą dla systemu ogrzewania i wentylacji to 17 506 kWh/rok, a na energię pomocniczą dla systemu przygotowania c.w.u.: 1531 kWh/rok.

Zapotrzebowanie na energię użytkową wynosi 93 626 kWh/rok, końcową: 81 255 kWh/rok i pierwotną: 149 790 kWh/rok. Całkowita emisja CO₂ przez budynek to 41,2 t/rok, czyli 0,027 t/(m²rok).

Wskaźniki rocznego zapotrzebowania na energię użytkową, końcową i pierwotną systemów ogrzewania i wentylacji oraz c.w.u. są następujące:

• EU = 60,50 kWh/(m²rok);
• EK = 52,50 kWh/(m²rok);
• EP = 96,79 kWh/(m²rok).

Wariant 3 – pompa ciepła powietrze/woda i panele fotowoltaiczne

W tym wariancie budynek wyposażony będzie w instalację grzewczą oraz c.w.u. zasilaną z pompy ciepła powietrze/woda o SCOP 2,6, zamontowane zostaną też panele fotowoltaiczne pokrywające 50% zapotrzebowania na ciepło do przygotowania c.w.u. Przyjęto parametry zasilania i powrotu instalacji grzejników ściennych równe 55/45°C, a grzejników podłogowych 40/30°C. Zarządzanie energią elektryczną generowaną przez PV realizować będzie układ sterowania, który priorytetowo skieruje ją na potrzeby własne, maksymalizując tym samym autokonsumpcję. Układ sterowania będzie dążyć do wykorzystania energii z PV do zasilenia pompy ciepła i grzałki elektrycznej w zasobniku c.w.u.

Całkowite zapotrzebowanie na energię końcową do ogrzewania i wentylacji wynosi 27 531 kWh/rok. Całkowite zapotrzebowanie na energię końcową na potrzeby przygotowania c.w.u., które ma zostać pokryte przez pompę ciepła, Q_k,W,PC wynosi 12 048 kWh/rok. Natomiast zapotrzebowanie na ciepło do pokrycia przez instalację PV Q_k,W,PV to 31 325 kWh/rok. Całkowite zapotrzebowanie na energię końcową do przygotowania c.w.u. Q_k,W = 43 374 kWh/rok. Zapotrzebowanie na energię pomocniczą dla systemu ogrzewania i wentylacji wynosi 16 392 kWh/rok, a dla systemu c.w.u. 1252 kWh/rok. Łączna emisja CO₂ przez budynek w tym wariancie to 73,08 t/rok, tj. 0,031 t/(m²rok).

Wskaźniki rocznego zapotrzebowania na energię użytkową, końcową i pierwotną systemów ogrzewania i wentylacji oraz c.w.u. są następujące:

• EU = 60,50 kWh/(m²rok);
• EK = 57,22 kWh/(m²rok);
• EP = 110,93 kWh/(m²rok).

Porównanie wariantów

Najbardziej zbliżone wyniki do poziomów wymaganych przez przepisy budowlane w zakresie zapotrzebowania na EP zostały osiągnięte w wariancie drugim, w którym zastosowano instalację grzewczą oraz c.w.u. zasilane z gruntowej pompy ciepła glikol/woda oraz dodatkowo instalację fotowoltaiczną dostarczającą energię elektryczną pokrywającą 50% zapotrzebowania na ciepło do c.w.u. Wskaźnik EP w wariancie drugim jest równy 97 kWh/(m²rok) i choć nie jest to wartość wymagana w WT 2021 dla budynków jednorodzinnych nowych i poddawanych gruntowej modernizacji, jest jej bliska i zadowalająca w przypadku budynków zabytkowych, dla których wymaganie w zakresie wskaźnika EP nie jest obligatoryjne.

Na drugim miejscu pod względem wielkości wskaźnika EP – 111 kWh/(m²rok) – jest wariant trzeci z zastosowaniem pompy ciepła powietrze/woda oraz instalacji fotowoltaicznej pokrywającej 50% zapotrzebowania na ciepło do c.w.u. Także w tym wariancie ze względu na odejście od paliw kopalnych obserwuje się znaczne zmniejszenie emisji CO₂ w stosunku do wariantu pierwotnego.

Analiza kosztów wykonania 1 m² izolacji przegrody

W celu obliczenia kosztu wykonania izolacji dla 1 m2 przegrody posłużono się kalkulatorem kosztów materiałowych ocieplenia budynku dostępnym pod adresem internetowym izotherm.pl [21]. Uwzględniono wszystkie materiały i elementy oraz koszty robocizny według cen aktualnych w 2022 roku. Koszt wykonania izolacji wełną mineralną 15 cm dla ściany zewnętrznej obliczono na 213,30 zł/m². Koszt wykonania izolacji XPS 12 cm dla ściany przy gruncie oszacowano na 216 zł/m². Koszt wykonania izolacji wełną mineralną 25 cm dla dachu to 238,83 zł/m². Koszt wykonania izolacji wełną mineralną 25 cm dla stropu pod nieogrzewanym poddaszem wynosi 276,61 zł/m².

Do obliczenia optymalnej grubości termoizolacji zastosowano wskaźnik NPV (ang. net present value – wartość bieżąca netto). Pozwala on ocenić zdyskontowane przepływy pieniężne związane z inwestycją przy danej stopie dyskonta. Inaczej rzecz ujmując, jest to wskaźnik określający przyszłe wpływy pieniężne z danej inwestycji przy uwzględnieniu obecnych nakładów finansowych.

Określenie grubości izolacji ekonomicznie opłacalnej musi być poprzedzone analizą, czy dana wartość spełnia wymagania WT 2021. Jeśli nie, należy określoną przegrodę docieplić izolacją o grubości spełniającej te warunki. W takiej sytuacji inwestycja będzie wiązała się z dłuższym czasem zwrotu.

W tabeli 4 przedstawiono wartości grubości izolacji cieplnej obliczone zgodnie z warunkiem NPV. Kolorem czerwonym zaznaczono te wartości NPV, których grubość nie spełnia wymagań WT 2021.

Ocena opłacalności inwestycji metodą NPV

Ocena opłacalności przeprowadzona została na podstawie metody NPV, gdyż metoda SPBT nie uwzględnia utraty wartości pieniądza w czasie. W tabeli 5 przedstawiono zestawienie nakładów inwestycyjnych oraz zysków rocznych potrzebnych do oceny opłacalności inwestycji. Grubość izolacji przyjęto zgodnie z danymi dla wariantów W1, W2 i W3 podanymi w tabeli 4.

Zgodnie z powyższymi obliczeniami modernizacja przegród w każdym z trzech wariantów, w analizowanym okresie 10 lat, jest inwestycją opłacalną pod względem ekonomicznym. Najbardziej opłacalnym wariantem pod względem modernizacji przegród jest wariant 3. Na drugim miejscu pod względem opłacalności inwestycji jest wariant 1, charakteryzuje on się jednak najwyższym wskaźnikiem EP. Z tego względu, biorąc pod uwagę dążenie do doprowadzenia obiektu zabytkowego do standardu budynku energooszczędnego, należałoby ten wariant odrzucić, mimo że charakteryzuje się większą opłacalnością w stosunku do wariantu 1.

Wariant 2, najmniej opłacalny pod względem ekonomicznym w zakresie modernizacji przegród, będzie się charakteryzował również większymi kosztami związanymi z modernizacją instalacji c.o. oraz c.w.u., w której skład wchodzić będzie gruntowa pompa ciepła glikol/woda, droższa od zastosowanej w wariancie 3 pompy ciepła powietrze/woda. Jednak pod względem wskaźnika EP wariant drugi jest wariantem najlepszym ze względu na jego najniższą wartość, równą 97 kWh/(m²rok).

Podsumowanie

Termomodernizacja budynku jest istotnym czynnikiem wpływającym na komfort użytkowania, a także na poprawę wskaźników zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną, użytkową oraz końcową. W przypadku budynków zabytkowych nie jest obligatoryjne osiągnięcie wskaźnika zgodnego z WT 2021, czyli EP = 70 kWh/(m²rok), ze względu na fakt, że w takich obiektach większe znaczenie mają walory wizualne, historyczne oraz kulturowe. Na rys. 2 zestawiono wskaźniki EP, EK oraz EU osiągnięte dla poszczególnych wariantów.

Najlepsze wyniki osiąga wariant 2, w którym zastosowano gruntową pompę ciepła glikol/woda oraz panele fotowoltaiczne. Modernizacja przegród zmniejszyła wskaźnik EU o 30% w stosunku do stanu pierwotnego. Natomiast wskaźnik EP zmniejszył się o 40%, a wskaźnik EK o 63%.

Wielkość emisji CO₂ jest najmniejsza w wariancie 1 i wynosi 0,026 t/(m²rok), w wariancie 2 jest ona niewiele większa i wynosi 0,027 t/(m²rok) – por. rys. 3. Różnice pomiędzy wszystkimi wariantami są niewielkie i nie przekraczają 16%, a wynika to z faktu, że energia z sieci energetycznej jest wg danych Krajowego Ośrodka Bilansowania i Zarządzania Emisjami (KOBiZE) obarczona wysoką wartością wskaźnika emisji CO₂, wynoszącą nadal blisko 200 tCO₂/tJ. Jednak energia elektryczna jest źródłem, którego emisja będzie maleć wraz z dekarbonizacją jej produkcji, i nie będzie ona obciążana opłatami w ramach systemu ETS2.

Podczas oceny opłacalności inwestycji polegającej na modernizacji przegród obliczenia wykazały, że najbardziej korzystnym wariantem pod względem ekonomicznego doboru grubości izolacji jest wariant 3. Wariant 2 okazał się najmniej opłacalny. Dodatkowo jego opłacalność pogorszą wysokie koszty inwestycyjne związane z zakupem pompy ciepła glikol/woda, która jest znacznie droższa od zastosowanej w wariancie trzecim pompy ciepła powietrze/woda. Ze względu na niestabilną sytuację na świecie, która wpływa niekorzystnie na ceny produktów oraz paliw, w wariancie 1, mimo że pod względem opłacalności modernizacji przegród jest on na drugim miejscu, zachowanie istniejącego kotła na gaz ziemny może znacznie zwiększyć koszty inwestycyjne związane z zakupem paliwa. Dodatkowo ten wariant charakteryzuje się najgorszymi wskaźnikami EP. Mając na uwadze doprowadzenie obiektu do standardu budynku energooszczędnego, najlepszy pod tym względem jest wariant drugi.

Artykuł powstał w oparciu o pracę magisterską pt. „Analiza możliwości doprowadzenia dworu zabytkowego do standardu budynku energooszczędnego” przygotowaną pod kierunkiem promotor dr hab. inż. Agnieszki Lechowskiej, prof. PK, na kierunku Inżynieria Środowiska Politechniki Krakowskiej

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. PN-82-B-02403 Temperatury obliczeniowe zewnętrzne

3. Kaliszuk-Wietecka Agnieszka, Firląg Szymon, Miszczuk Artur, Terlikowski Wojciech, Węglarz Arkadiusz, Opracowanie dotyczące możliwości termomodernizacji budynków zabytkowych ze szczególnym uwzględnieniem docieplenia przegród pionowych, Warszawa, maj 2019

4. Projekt budowlany willi podmiejskiej wraz z założeniem parkowym – Rozbudowa i zmiana sposobu użytkowania budynku z funkcji usługowej na mieszkalną

5. 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)

6. Zembrowski Jerzy Bogdan, Sekrety tworzenia murowanych domów bez błędów, BDB, Białystok 2017

7. https://www.gov.pl/web/archiwum-inwestycje-rozwoj/dane-do-obliczen-energetycznych-budynkow

8. PN EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania

9. https://pgnig.pl/taryfa

10. http://www.cena-pradu.pl/tauron.html

11. https://www.e-petrol.pl/notowania/oleje

12. https://www.nbp.pl

13. https://mfiles.pl/pl/index.php/Stopa_podatkowa

14. https://pl.climate-data.org/europa/polska/silesian-voivodeship/bielsko-bia%C5%82a-3068/

15. PN-EN ISO 13788:2008 Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynków. Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacja międzywarstwowa. Metody obliczania

16. https://bielskobiala.naszemiasto.pl/palac-jeden-z-najpiekniejszych-zabytkow-bielska/ar/c1-8713055

17. https://www.google.com/maps/search/willa/@49.7904621,19.0581493,183m/data=!3m1!1e3

18. https://opencaching.pl/viewcache.php?wp=OP64DE

19. https://www.otodom.pl/pl/oferta/palac-willa-2-5-ha-ulga-palacyk-plus-ID4eaDE.html

20. https://budio.pl/porady/wykonczenie/ocieplenia-elewacje/jaki-koszt

21. www.izotherm.pl

22. https://ecovario.pl/nasze_produkty_kategorie/produkty-do-ochrony-przed-woda-kondensacyjna/

23. PN-EN ISO 13789:2017-10 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynniki przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania