Projektowa charakterystyka energetyczna w świetle nowej metodyki obliczeń

Uchwalenie i wejście w życie nowych przepisów regulujących graniczną, obliczeniową ilość energii, jaką może zużywać budynek, budzi wiele kontrowersji w środowisku branżowym.

Znowelizowane w 2013 r. warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [6], precyzują, że w procesie rozbudowy lub projektowania nowego obiektu należy wykazać spełnienie dwóch kryteriów oceny budynku pod względem oszczędności energii (poza głównymi warunkami wprowadzono wymagania uzupełniające, m.in. ograniczające powierzchnię przegród szklanych).

Pierwszym z nich jest nieprzekroczenie granicznej wartości wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP, określanego w zależności od typu budynku oraz jego przewidywanego wyposażenia w systemy techniczne. Drugim, równorzędnym – nieprzekroczenie granicznych wartości współczynnika przenikania ciepła przegród stanowiących obudowę termiczną obiektu.

Oba wymagania podlegają zaostrzeniu z początkiem 2017 i 2021 roku (dla budynków zajmowanych przez władze publiczne drugi próg będzie obowiązywał już od 2019 r.). Jest to wypełnienie zapisów znowelizowanej dyrektywy w sprawie charakterystyki energetycznej budynków EPBD [1].

W obu progach nowych wymagań przewidziano redukcję dopuszczalnej wartości granicznej wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP – od 31% w odniesieniu do stanu aktualnego (tj. 2014 r.) w przypadku budynków użyteczności publicznej nieprzeznaczonych na funkcję opieki zdrowotnej, do 52% w obiektach opieki zdrowotnej. W grupie obiektów mieszkalnych wielkości te wynoszą odpowiednio 42 i 38% w odniesieniu do budynków jedno- i wielorodzinnych.

W przypadku przegród obudowy termicznej budynku nowelizacja warunków technicznych z 2013 r. [6] zaostrzyła wymagania cieplne, które do roku 2021 będą dalej korygowane od 20 do 31%. Zmiany przewidziano tylko w odniesieniu do przegród zewnętrznych, tj. ścian – 20%, stropodachów – 25% czy stolarki otworowej – od 26 do 31% w przypadku okien i 24% w odniesieniu do drzwi zewnętrznych.

Warunki techniczne w aktualnym ich brzmieniu [6] nie przewidują natomiast zmiany poziomu wymagań termicznych dla przegród wewnętrznych oraz zewnętrznych zamykających przestrzeń o temperaturze wewnętrznej wynoszącej do 16°C.

Wymóg dostosowania polskiego prawa do standardów unijnych w zakresie implementacji znowelizowanej dyrektywy EPBD [1] zaowocował uchwaleniem i wprowadzeniem w życie nowej metodyki obliczania charakterystyki energetycznej budynków [5].

Obie nowelizacje – warunków technicznych [6] oraz metodyki obliczeń charakterystyki energetycznej [5] – wywołały spore zamieszanie na rynku projektowym z uwagi na konieczność zmiany podejścia do procesu projektowego oraz znaczną liczbę głosów krytycznych [m.in. 9,10], podnoszących kwestie wprowadzenia w życie zasad nie w pełni przeanalizowanych w zakresie ich oddziaływania na rynek budowlany.

Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że wprowadzone zmiany stanowią obowiązujące prawo, dlatego warto szczegółowo opisać sytuację, z którą borykają się projektanci. Na przykładzie modelu budynku z założonymi pięcioma zróżnicowanymi funkcjami użytkowymi przedstawione zostaną aktualne problemy w zakresie osiągnięcia wymogów oszczędności energii.

Model obliczeniowy

Do analiz przyjęto pięć prostopadłościennych modeli budynku opisanych na rzucie prostokąta. Kształt rzutu analizowanego modelu przyjęto na podstawie analiz zawartych w [7] dotyczących kształtowania przestrzeni budynku z uwagi na ograniczenie ilości energii dostarczanej do oświetlenia pomieszczeń światłem sztucznym.

W pracach poświęconych zagadnieniom energooszczędności budynków, poza ograniczaniem potrzeb związanych z ogrzewaniem, coraz częściej wskazuje się bowiem na konieczność redukcji zużycia energii elektrycznej do oświetlenia pomieszczeń.

Założono wymiary zewnętrzne podstawowego segmentu: 10,8×18,3×3,8 m. Podstawowy obiekt jest parterowy, cztery następne warianty utworzono przez rozbudowę w pionie o segmenty tworzące kolejne kondygnacje. Przyjęto:

• całkowitą szerokość przegród obudowy termicznej (z wyłączeniem stolarki otworowej) oraz stropów międzykondygnacyjnych w układach wielokondygnacyjnych równą 0,4 m,
• udział powierzchni rzutu ścian wewnętrznych do 15% powierzchni rzutu podstawowego,
• powierzchnię okien wynikającą z warunku ograniczenia powierzchni okien, przegród szklanych i przeźroczystych (zgodnie z Załącznikiem nr 2 do warunków technicznych [6]) oraz proporcjonalny do powierzchni ścian zewnętrznych podział okien na elewacjach,
• udział powierzchni przeźroczystych do całkowitego pola powierzchni okien równy 70% oraz 62% przepuszczalności całkowitego promieniowania słonecznego szyby zespolonej,
• wentylację grawitacyjną pomieszczeń,
• krotność wymiany powietrza n₅₀ oraz współczynnik przenikania ciepła przegród budowlanych jako aktualnie obowiązujące wartości graniczne wg warunków technicznych [6],
• 10-proc. udział mostków termicznych w wartości współczynnika wymiany ciepła przez przegrody budowlane,
• orientację budynku na osi wschód–zachód,
• zacienienie budynku przez otoczenie (kąt zacienienia wynoszący 10°, utworzony między poziomą prostą wyprowadzoną ze środka środkiem płaszczyzny okna a krawędzią elementu zacieniającego, zgodnie z PN-EN ISO 13790).

Wyjściowa charakterystyka energetyczna budynku

Analizie poddano zmianę wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji EU_H oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej EU_W, a także cząstkowy wskaźnik zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP_H+W, w zależności od założonej funkcji budynku, tj.:

• mieszkalnej jednorodzinnej,
• mieszkalnej wielorodzinnej,
• biurowej,
• usługowej,
• na potrzeby opieki zdrowotnej,
• przyjmując wyjściowe parametry – izolacyjność termiczną oraz wynik badania szczelności powietrznej budynku – równe dopuszczalnym wartościom granicznym [6]. W tabeli 1 zestawiono charakterystyczne dla wybranych funkcji dane szczegółowe, przyjęte zgodnie z aktualnie obowiązującą metodyką wykonywania świadectw charakterystyki energetycznej [5]. Model zlokalizowano w ośmiu miejscowościach na terenie kraju: (Ł – Łeba, NS – Nowy Sącz, P – Poznań, S – Suwałki, Sz – Szczecin, Wa – Warszawa, Wr – Wrocław, Z – Zakopane, ZG – Zielona Góra). Wyboru lokalizacji obiektu w Łebie, Nowym Sączu oraz Suwałkach dokonano na podstawie wyników badań zawartych w RI nr 7–8/2014 [3]. W systemach technicznych modelu założono wykorzystanie gazu ziemnego oraz całkowite średnie sezonowe sprawności wynoszące: 0,803 w przypadku systemu grzewczego i 0,434 w odniesieniu do systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Na rys. 1 i 2 przedstawiono uzyskane wyniki zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną do celów ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody dla budynków mieszkalnych wielorodzinnych oraz biurowych.

Charakterystycznym, znanym zjawiskiem jest spadek zapotrzebowania na energię wraz ze zmniejszeniem współczynnika kształtu budynku podczas zmiany jego skali (rozbudowy) [2]. Najbardziej efektywne energetycznie są modele największe, najmniej – parterowe, przy czym zależność ta nie jest prostoliniowa.

W przypadku wszystkich budynków poza pełniącymi funkcję opieki zdrowotnej założenie projektowe granicznych współczynników przenikania ciepła przegród U_max nie pozwala na spełnienie kryterium nieprzekroczenia wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną.

W przypadku budynków mieszkalnych przekroczenie to (tabela 2) waha się w granicach od 10,3 do 84,6% (analizy budynku jednorodzinnego 3–5-kondygnacyjnego, przy założonych danych wejściowych, są rozważaniem czysto teoretycznym w celu wskazania na trendy zmian szacowanego zużycia energii), dla budynków mieszkalnych wielorodzinnych od 33,58 do 120,45%, w budynkach biurowych od 24,65 do 162,94%, w usługowych od 39,75 do 176,60%.

W przypadku budynków opieki zdrowotnej niedotrzymanie warunku projektowego związanego z ilością wymaganej do funkcjonowania budynku nieodnawialnej energii pierwotnej ma miejsce w budynkach parterowych. Zwiększenie gabarytów budynku w większości przypadków pozwoliło na ograniczenie wymaganej ilości energii pierwotnej, poza budynkami zlokalizowanymi w Suwałkach (rys. 3).

Z analizy wyników zestawionych w tabeli 2 wynika, że najlepszą z rozpatrywanych lokalizacji budynku jest Nowy Sącz, a największe zapotrzebowanie na energię w analizowanych modelach każdorazowo uzyskuje się przy ich lokalizacji w Suwałkach. Na rys. 4 zestawiono wskaźnik zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną wszystkich rozpatrywanych funkcji budynków przy ich lokalizacji w Nowym Sączu i Suwałkach.

Z zestawienia danych w tabeli 1 oraz 2 widać wyraźną zależność pomiędzy analizowaną funkcją budynku a uzyskanym wskaźnikiem zapotrzebowania na energię. W przypadku budynków opieki zdrowotnej o wielkości zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP_H+W decyduje głównie składowa związana z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej.

W analizowanych budynkach udział przygotowania ciepłej wody we wskaźniku zapotrzebowania na energię użytkową wynosi od 57,92 do 66,72% dla budynków jednokondygnacyjnych w zależności od lokalizacji i rośnie do zakresu od 75,03 do 81,09% w przypadku budynków pięciokondygnacyjnych.

Sytuacja ta wynika z uzależniania w obowiązującej metodyce obliczeń charakterystyki energetycznej [5] średniej ilości zużycia ciepłej wody od powierzchni użytkowej obiektu. Obliczeniowe zapotrzebowanie na energię do celów przygotowania ciepłej wody użytkowej można jednak zredukować, stosując dane określone na podstawie dokumentacji technicznej [5].

Wnioski

Z przeprowadzonych analiz można wyciągnąć następujące wnioski:

1. Zróżnicowanie funkcji budynku istotnie wpływa na uzyskaną charakterystykę energetyczną. Zagadnienie to należy szczególnie uwzględnić podczas projektowania zmiany sposobu użytkowania przestrzeni, zarówno w odniesieniu do budynków nowych, jak i istniejących.
2. W projektowaniu budynków nowych, zaopatrywanych z konwencjonalnych, nieodnawialnych źródeł energii, wartości graniczne współczynnika przenikania ciepła przegród zewnętrznych budynku U_max, określone w warunkach technicznych [6], nie odgrywają roli i mogą jedynie stanowić bazę wyjściową do modelowania energetycznych potrzeb budynku. Izolacyjność termiczna musi zostać skorygowana w celu zredukowania wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną do poziomu nieprzekraczającego wartości granicznej EP_H+W
3. W przypadku budynków opieki zdrowotnej, o ile roczne zapotrzebowanie na energię do przygotowania ciepłej wody użytkowej nie przekracza wartości wskaźnikowej opisanej w metodyce obliczeń charakterystyki energetycznej [5], możliwe jest osiągnięcie wymaganego poziomu energooszczędności budynku o zwartej bryle oraz dogodnych warunkach środowiska zewnętrznego.
4. Z uwagi na sposób postawienia w przepisach techniczno-budowlanych wymagań dotyczących oszczędności energii i izolacyjności termicznej (§ 328 i 329 warunków technicznych) graniczne wartości współczynnika przenikania ciepła przegród budowlanych są istotne podczas projektowania przebudowy budynku [6] oraz termomodernizacji przegród budowlanych [8].
5. Poprawa izolacyjności termicznej przegród budowlanych oraz doszczelnienie obudowy wpływa na ograniczenie zapotrzebowania na energię, jednak może nie zagwarantować uzyskania granicznego poziomu wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną. Dalsze ograniczenie wymaganej ilości nieodnawialnej energii pierwotnej możliwe jest przez zmianę systemu zaopatrzenia budynku w energię i wprowadzenie odnawialnych źródeł energii.
6. Na etapie projektowania budynków istotne jest zintegrowanie prac pomiędzy poszczególnymi branżami. Koncepcja projektowa powinna uwzględniać zaopatrzenie budynku w energię oraz rozwiązania sprzyjające osiągnięciu jak najwyższego standardu energetycznego. Przyjęta koncepcja powinna zostać potwierdzona wstępnymi bilansami potrzeb budynku i ostatecznie projektową charakterystyką energetyczną obiektu, uwzględniającą wszystkie przyjęte rozwiązania projektowe.

Literatura

1. Dyrektywa 2010/31/UE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z 19.05.2010 r. w sprawie cha­rakterystyki energetycznej budynków.
2. Hegger M., Fuchs M., Stark T., Zuemer M., Energy Manual. Sustainable Architecture, Birkhäuser Verlag AG, Basel – Boston – Berlin 2008.
3. Kurtz-Orecka K., Najder M., Lokalizacja i orientacja budynku niskoenergetycznego a zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i wentylacji, „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2014.
4. PN-EN ISO 13790:2009 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia.
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 3 czerwca 2014 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 2014, poz. 888).
6. 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).
7. Ryńska E.D., Bioklimatyka a forma architektoniczna, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2001.
8. Ustawa z dnia 29 sierpnia 2014 r. o charakterystyce energetycznej budynków (DzU 2014, poz. 1200).
9. Węglarz A., Żurawski J., Projektowanie w nowych warunkach, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2014.
10. Żurawski J., Wymagania w zakresie EP a izolacyjność termiczna przegród, „Izolacje” nr 1/2014.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!