Wskaźnik zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną a optymalizacja kosztów

Cel opracowania

Głównym celem artykułu było określenie wartości wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EPCO+W dla optymalnego kosztowo standardu energetycznego jednorodzinnego budynku mieszkalnego. Pierwotnie za wariant optymalny przyjęto ten, który charakteryzuje się minimalną wartością wskaźnika kosztu skumulowanego. Koszt skumulowany jest sumą kosztu wzniesienia budynku i kosztu eksploatacji w okresie 30 lat. Przeprowadzono ponadto dwie dodatkowe analizy:

• określono wartość optymalną wskaźnika EP przy uwzględnieniu kosztów zewnętrznych wynikających ze zużycia określonego rodzaju paliw do ogrzewania budynku,

• określono wartość optymalną wskaźnika EP przy uwzględnieniu dwóch kryteriów: optymalnego kosztu oraz minimalnych emisji do atmosfery takich substancji, jak: dwutlenek węgla (CO₂), tlenek węgla (CO), pył całkowity (TSP, pył), tlenki azotu (NO_X), dwutlenek siarki (SO₂), benzo(a)piren (BAP).

Metodyka obliczania kosztów skumulowanych

Metodę kompleksowej oceny ekonomicznej kosztów wzniesienia i eksploatacji budynku podaje norma EN 15459:2007 [1]. Zgodnie z nią koszt skumulowany dla danego wariantu jest sumą kosztów budowy dla analizowanego standardu energetycznego i zdyskontowanego kosztu eksploatacji w okresie 30 lat. Koszty eksploatacji uwzględniają koszt paliwa zużywanego na potrzeby ogrzewania, wentylacji i przygotowania c.w.u. oraz energii elektrycznej zużywanej przez urządzenia pomocnicze.

W celu łatwiejszej analizy wyników, zgodnie z metodyką podaną przez Kurnitskiego [2], do porównywania poszczególnych wariantów wykorzystano wskaźnik zmiany kosztu skumulowanego odniesiony do wariantu bazowego, czyli budynku spełniającego wymagania WT 2014, zasilanego kotłem gazowym kondensacyjnym. Wartość wskaźnika obliczono zgodnie ze wzorem:

gdzie:
C_g – wskaźnik zmiany kosztu skumulowanego dla analizowanego wariantu energetycznego budynku, zł/m²;
C_I – koszt budowy dla analizowanego wariantu, zł;
C_a,i – koszt użytkowania w roku i dla analizowanego wariantu, zł;
R_d(i) – współczynnik dyskontujący dla roku i;
C_gref – koszt skumulowany dla wariantu bazowego budynku, zł;
A_floor – pole powierzchni ogrzewanej, m².

Jeżeli dla któregoś z analizowanych wariatów wartość wskaźnika będzie ujemna, oznacza to, że wariant bazowy nie jest optymalny kosztowo. Wariantem optymalnym będzie ten, dla którego wskaźnik zmiany kosztu skumulowanego będzie miał najmniejszą wartość. Wpływ inflacji i wzrostu cen energii uwzględniono za pomocą współczynników dyskontujących. Do obliczeń przyjęto wartości wskaźników finansowych podane w tab. 1.

Projekt budynku, metodyka obliczeń

Do obliczeń wykorzystano projekt jednorodzinnego budynku parterowego z użytkowym poddaszem, wolnostojącego, bez podpiwniczenia, z ogrzewanym garażem. Budynek jest przeznaczony dla czteroosobowej rodziny. Ściany zewnętrzne warstwowe wykonano z bloczków silikatowych ocieplonych styropianem, strop jest gęstożebrowy, a więźba dachowa drewniana, ciesielska.

Powierzchnia użytkowa części mieszkalnej wynosi 121,5 m² (20°C), a powierzchnia garażu z pomieszczeniami gospodarczymi 26,5 m² (8°C). Kubatura wewnętrzna ogrzewanej części budynku to 670 m³, a współczynnik kształtu A/V 0,96 m–1. Elewacja frontowa zorientowana jest na północ, budynek zlokalizowano w Warszawie. Koszt budowy wersji bazowej to 349 214 zł netto.

Obliczenia zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN ISO 13790 [3]. Sprawności składowe instalacji c.o. i wskaźniki zapotrzebowania na energię elektryczną pomocniczą wyznaczono zgodnie z metodologią wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku z 27 lutego 2015 [4]. Z uwagi na nieścisłości powyższej metodyki zapotrzebowanie na energię potrzebną do podgrzania c.w.u. określono zgodnie z wcześniejszym rozporządzeniem – z 6 listopada 2008 r. [5].

Analizowane warianty

Analizie poddano cztery warianty standardu energetycznego budynku:

1. WT 2014 – spełniający wymagania szczegółowe Warunków Technicznych obowiązujące od 1 stycznia 2014 roku – przyjęto jako wariant bazowy,

2. WT 2021 – spełniający wymagania szczegółowe Warunków Technicznych obowiązujące od 1 stycznia 2021 roku,

3. NF40 – spełniający łagodniejsze wymagania programu dopłat do budynków energo­oszczędnych NFOŚiGW,

4. NF15 – spełniający ostrzejsze wymagania programu dopłat do budynków energo­oszczędnych NFOŚiGW.

Dla wariantów WT 2014 i WT 2021 przyjęto tylko wymagania szczegółowe dotyczące ochrony cieplnej budynku. Celowo pominięto wymogi dotyczące wskaźnika EP w celu sprawdzenia, jakie jest rzeczywiste zapotrzebowanie dla tak zdefiniowanych wymagań szczegółowych.

Obliczenia dla każdego z powyżej wymienionych wariantów wykonano w odniesieniu do trzech paliw najczęściej wykorzystywanych w przypadku budynków jednorodzinnych:

• gazu ziemnego – kocioł gazowy kondensacyjny – przyjęto jako wariant bazowy,

• biomasy – kocioł na pelet,

• węgla kamiennego – kocioł na ekogroszek.

W każdym przypadku występowało jedno źródło dostarczające ciepło na potrzeby centralnego ogrzewania i przygotowania c.w.u. Uzyskano 12 wariantów analizowanego projektu budynku jednorodzinnego, dla których obliczono wartości EPCO+W i koszt skumulowany. Wymagania dla poszczególnych standardów energetycznych odnoszące się do budynku mieszkalnego jednorodzinnego podano w tab. 2.

Różnica między standardami WT i NF nie polega tylko na bardziej rygorystycznych wymaganiach wobec granicznych wartości współczynników, zauważalna jest także w poświęceniu większej uwagi czynnikom powodującym straty ciepła wynikające ze szczelności budynku – w odniesieniu do standardów NF. Warto również zaznaczyć, że słusznie wprowadzono wymaganie dotyczące zastosowania wentylacji mechanicznej. Korzyści otrzymywane dzięki spełnieniu tych wymagań potwierdzono w części obliczeniowej artykułu.

Kierując się tymi wytycznymi, stworzono cztery warianty budynku jednorodzinnego. W każdym analizowano trzy różne systemy centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej (tab. 3 i tab. 4).

System c.o. i c.w.u. oraz źródła energii

Dla każdego wariantu zaprojektowano różne systemy c.o. i c.w.u. Wybrano trzy rodzaje nośników energii: gaz ziemny, biomasa (pelet) i ekogroszek. Dobrano dla nich odpowiednie instalacje i kotły grzewcze. Dodatkowo do obliczeń przyjęto cenę energii elektrycznej na poziomie 0,6 zł/kWh.

Koszty budowy dla poszczególnych wariantów

Dla każdego wariantu obliczone zostały koszty inwestycyjne i uwzględnione nakłady dodatkowe. Przez nakłady dodatkowe rozumie się koszty robocizny związane z wprowadzeniem innych rozwiązań niż w wersji bazowej oraz zwiększenie kosztów inwestycyjnych wynikające za zmian konstrukcyjnych. Przykładowo zwiększenie grubości izolacji termicznej wymagało zastosowania dłuższych kołków, zwiększyło powierzchnię tynkowania oraz koszty robocizny.

Dopasowując przegrody do stawianych wymagań, w przypadku zbyt wysokich współczynników przenikania ciepła starano się kierować jedną zasadą – w pierwszej kolejności modyfikowano jakość materiału izolacji cieplnej, nie zmieniając jego grubości. Obniżając współczynnik przenikania ciepła dla całej przegrody, stosowano coraz droższy materiał, ale z lepszymi parametrami technicznymi.

W standardzie WT 2021 oprócz modyfikacji konstrukcji przegród zastosowano nowe okna, drzwi zewnętrzne i bramę garażową. W przypadku NF40 oraz NF15 poza standardowymi zmianami szczególną uwagę zwrócono na konieczność redukcji mostków cieplnych. Dodatkowo zastosowano system wentylacji wymuszonej nawiewno-wywiewny z odzyskiem ciepła. Wiązało się to m.in. z koniecznością zakupu rekuperatora.

Koszty zewnętrzne dla poszczególnych rodzajów paliw

Koszty zewnętrzne (external cost lub externalities) odnoszą się do monetarnej wartości kosztów zdrowotnych, strat w ekosystemach, ubytku plonów rolnych, strat materiałowych i pozostałych strat społecznych związanych z zanieczyszczeniem powietrza, wód, składowaniem odpadów i innymi oddziaływaniami spowodowanymi produkcją, transportem i zużyciem paliw.

W tab. 5 podano koszty zewnętrzne dla poszczególnych rodzajów paliw oszacowane w pracy [6].

Wyznaczenie wielkości emisji zanieczyszczeń gazowych do atmosfery

Wartości jednostkowych współczynników emisji do atmosfery poszczególnych substancji gazowych przyjęto na postawie pracy [7] – zestawiono je w tab. 6.

Mnożąc jednostkowe współczynniki emisji (z tab. 6) przez wartość wskaźnika EK [kWh/(m² rok)] dla poszczególnych standardów energetycznych budynków i trzech rodzajów paliw, uzyskano wskaźniki emisji poszczególnych rodzajów zanieczyszczeń emitowanych przez budynek w wyniku spalenia paliw potrzebnych do ogrzania 1 m² powierzchni budynku w ciągu jednego roku.

Mnożąc z kolei tę wielkość przez powierzchnię użytkową domu modelowego (121,5 m²) i 30 lat, uzyskano wielkości emisji poszczególnych zanieczyszczeń dla czterech standardów energetycznych w czterech wariantach paliw używanych przez system grzewczy w ciągu 30 lat eksploatacji. W tab. 7, tab. 8 i tab. 9 podano wyniki tych obliczeń.

Wyniki obliczeń

Skumulowane koszty całkowite

Koszty użytkowania stanowią znaczącą część kosztów skumulowanych. Zależą od zużycia energii końcowej oraz źródła ciepła. Zmiana kosztów wiąże się z inflacją i wzrostem kosztów energii. Wydatki związane z serwisowaniem systemów centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej uznano za równe dla wszystkich standardów.

W tab. 10, tab. 11 i tab. 12 przedstawiono łączne koszty i parametry modelu budynku dla każdego wybranego źródła ciepła.

Zestawienie kosztów eksploatacyjnych wykazało znaczące różnice między poszczególnymi wariantami. Najniższe koszty eksploatacyjne cechują standard NF15 – ich wysokość to tylko 46% wydatków dla standardu WT 2014.

W ciągu 30 lat koszty użytkowania dla każdego standardu wzrosły średnio o 36% w porównaniu z 1 rokiem. Najniższymi kosztami skumulowanymi cechuje się standard NF40.

Skumulowane koszty całkowite z uwzględnieniem kosztów zewnętrznych spalania paliw

W tab. 13, tab. 14 i tab. 15 przedstawiono łączne koszty i parametry modelu budynku dla każdego wybranego źródła ciepła z uwzględnianiem kosztów zewnętrznych dla określonego paliwa zużywanego do wytworzenia ciepła na potrzeby ogrzewania i przygotowania c.w.u. Pominięto koszty zewnętrzne pomocniczej energii elektrycznej

Najniższe koszty skumulowane, podobnie jak w przypadku analizy bez uwzględniania kosztów zewnętrznych, ma standard NF40.

Skumulowane koszty całkowite z uwzględnieniem kosztów zewnętrznych spalania paliw oraz minimum emisji zanieczyszczeń do atmosfery

Optymalizację wielokryterialną przeprowadzono przy użyciu metody sum ważonych w dwóch etapach. Najpierw oceniono wszystkie warianty konstrukcyjno-instalacyjne modelowanego budynku, przyjmując jako kryterium minimum emisji wszystkich substancji przy wagach określonych w tab. 16. W drugim etapie przyjęto jako kryteria minimum kosztów skumulowanych z uwzględnieniem kosztów zewnętrznych spalania paliw oraz minimum emisji do atmosfery łącznie wszystkich zanieczyszczeń, korzystając z wyników etapu pierwszego. Wagi dla obu kryteriów zostały podane również w tab. 16.

Optymalnym rozwiązaniem okazał się obiekt w standardzie NF15 ogrzewany przez system z kotłem gazowym.

Analiza wyników

Wygenerowano dużą ilość liczbowych wartości: koszty budowy, koszty eksploatacji, zapotrzebowania na energię, ceny nośników, ceny systemów c.o. i c.w.u. Ważne jest dokonanie wyboru jedynego, optymalnego wariantu. Z tego względu jako główne kryterium wyznaczono wskaźnik zmiany kosztu skumulowanego Cg. Kierując się metodyką opisaną wcześniej, wyniki przedstawiono na rys. 1 i w tab. 17.

Na podstawie wykresu można ustalić optymalne wartości wskaźnika EP dla poszczególnych wariantów. Najniższe wskaźniki kosztu skumulowanego osiągnięto dla standardu NF40. W aspekcie źródeł najlepszym rozwiązaniem jest ekogroszek. Wartość graniczna wskaźnika EP dla budynku jednorodzinnego powinna wynosić ok. 110 kWh/(m² rok), a wymagania szczegółowe – odpowiadać standardowi NF40. W świetle uzyskanych wyników zarówno wymagania WT 2014, jak i WT 2020 trudno nazwać optymalnymi kosztowo. Wymagania podane w Warunkach Technicznych dla budynków jednorodzinnych nie uwzględniają faktycznego zużycia wynikającego z wymagań szczegółowych.

Natomiast jeśli jako kryteria optymalizacji przyjmiemy:

• minimum skumulowanego kosztu życia budynku,

• minimum emisji do atmosfery takich substancji, jak: dwutlenek węgla (CO₂), tlenek węgla (CO), pył całkowity (TSP, pył), tlenki azotu (NO_X), dwutlenek siarki (SO₂), benzo(a)piren (BAP),

to najlepszym budynkiem będzie obiekt w standardzie NF15 ogrzewany przez system z kotłem gazowym.

Wnioski

Przedstawione analizy pokazują, że optymalnym rozwiązaniem kosztowym (z uwzględnieniem kosztów zewnętrznych i bez) okazał się wariant budynku modelowego wzniesionego  według standardu NF40 i wyposażonego w system grzewczy z kotłem na węgiel.

Jednak gdy uwzględnimy dodatkowe kryterium optymalizacji, jakim jest minimum emisji zanieczyszczeń gazowych do powietrza, optymalnym wariantem przy równorzędnym traktowaniu obu kryteriów okazuje się obiekt w standardzie NF15 ogrzewany przez system grzewczy z kotłem gazowym.

Biorąc pod uwagę fakt, że Polska ma olbrzymi problem z jakością powietrza (szczególnie w miastach) spowodowany niską emisją ze spalania paliw stałych, rekomenduje się wariant budynku w standardzie NF15 ogrzewanego przez system z kotłem gazowym.

Podane w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [8], wymagania dotyczące wartości wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EPCO+W nie są optymalne kosztowo. Oprócz kryterium kosztu optymalnego powinno się zastosować inne istotne z punktu widzenia zrównoważonego rozwoju kraju kryteria wyznaczania tej wartości.

Literatura

1. EN 15459 Energy performance of buildings – Economic evaluation procedure for energy systems in buildings, November 2007.

2. Kurnitski K., How to calculate cost optimal nZEB energy performance?, REHVA, 2011.

3. PN-EN ISO 13790:2009 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia.

4. 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).

5. 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, z późn. zm.).

6. Ekspertyza KAPE S.A. dla Saint-Gobain, praca niepublikowana, Węglarz A. (kier.), Warszawa 2012.

7. Kubica K., Kubica R., Przygotowanie założeń i bazy danych wskaźników umożliwiających opracowanie kalkulatora emisji zanieczyszczeń z kotłów małej mocy na paliwa stałe, Zabrze 2015.

8. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).