Prefabrykacja jako sposób na zrównoważoną renowację budynków w Polsce i UE

Produkcja elementów prefabrykowanych do składania domów modułowych osiągnęła już w Polsce stosunkowo dużą skalę. Z elementów tych powstały dziesiątki tysięcy domów jednorodzinnych według typowych projektów spełniających najwyższe wymagania rynku europejskiego, jednak większość trafia na eksport. Według prognoz firmy badawczej MarketsandMarkets [1] globalny rynek budownictwa modułowego w 2022 roku wart był 91 mld dol. (wzrost o 20% w ciągu roku), a do 2027 roku ma wzrosnąć do 120 mld dol. Firmy uczestniczące w badaniu potwierdzają, że 70% czynności budowlanych przeprowadzanych jest poza placem budowy, co pozwala zwiększyć produktywność pracy o 60% i skrócić czas o 30% w porównaniu do budów tradycyjnych.

Projekty domów jednorodzinnych i budynków użyteczności publicznej z wykorzystaniem elementów prefabrykowanych spełniają z reguły wymagania dotyczące domów energooszczędnych. W 2023 roku Instytut Techniki Budowlanej przeprowadził badanie [2], którego autorzy (dr inż. Dobrosława Kaczorek – kierownik, zespół badawczy: dr hab. inż. Michał Piasecki prof. ITB, mgr inż. Filip Poznański) zajęli się kryteriami i metodyką oceny prefabrykowanych rozwiązań modułowych w kontekście zrównoważonego rozwoju. Przeprowadzili badania modułowego budynku przedszkola wybudowanego w standardzie pasywnym, w ramach których skupili się na ocenie czterech głównych czynników jakości środowiska wewnętrznego: komfortu termicznego, jakości powietrza wewnętrznego, komfortu akustycznego i jakości oświetlenia naturalnego. Autorzy jednoznacznie stwierdzili, że technologie modułowe mogą być konkurencyjne dla technologii tradycyjnych w kontekście zrównoważonego rozwoju i jednocześnie służyć jako optymalne kosztowo rozwiązanie w procesie dekarbonizacji zasobów budowlanych [3].

Tło prawne i rynkowe

Długoterminowa strategia renowacji budynków (DSRB) przyjęta przez Rząd RP w lutym 2022 r. [4] szacuje skalę niezbędnej termomodernizacji budynków mieszkalnych na min. 30% istniejącego zasobu. Nowelizacja dyrektywy o charakterystyce energetycznej budynków (EPBD) dokładniej precyzuje cele ilościowe i jakościowe renowacji budynków, stawiając coraz większe wyzwania sektorowi budowlanemu w kontekście oszczędzania zasobów naturalnych i ludzkich wykorzystywanych w budownictwie oraz poprawy jakości życia przy jednoczesnym zmniejszeniu zapotrzebowania na energię.

Autorzy Mapy Drogowej podnoszenia kwalifikacji pracowników w sektorze budowlanym [5] szacują niedobór kadr w Polsce na ok. 400 tys. nowych pracowników w perspektywie 2050 roku, o ile nie zostaną wprowadzone działania korygujące. Poza cyfryzacją, zwiększeniem udziału kobiet i osób niepełnosprawnych oraz przekwalifikowaniem pracowników z zawodów górniczych wskazywanym działaniem jest wprowadzenie innowacji polegającej na wykorzystaniu elementów prefabrykowanych jako elementu szybkiej, zasobooszczędnej i efektywnej energetycznie renowacji budynków. Elementy prefabrykowane są obecnie w Polsce produkowane masowo na potrzeby budowy jednorodzinnych domów modułowych głównie na zachodzie Europy, rzadko domów mieszkalnych i użyteczności publicznej w kraju, a do renowacji budynków w ogóle nie są stosowane.

Renowacja budynków z wykorzystaniem elementów prefabrykowanych w Europie

Termomodernizacja budynków z wykorzystaniem elementów prefabrykowanych przeszła w ostatnich 20 latach z fazy prototypowej do etapu wdrożeń na coraz szerszą skalę. W latach 2006–2011 w ramach działającego pod egidą Międzynarodowej Agencji Energetycznej programu ECBCS (Energy Conservation for Building and Community Systems) realizowano projekt badawczy pn. „Prefabrykowane systemy w niskoenergetycznej renowacji budynków mieszkalnych” [6]. Jego rezultatem są m.in. przewodniki do tworzenia strategii renowacyjnych i projektowania modułowej renowacji budynków oraz opis sześciu studiów przypadków realizacji w Austrii, Holandii i Szwajcarii.

Innym przykładem zastosowania elementów prefabrykowanych do renowacji budynków wielorodzinnych jest projekt przeprowadzony w 2013 roku w Grazu [7]. W budynku ze 137 mieszkaniami, o powierzchni ok. 10 000 m², zainstalowano 9831 m² fasady (w tym 2725 m² dociepleń konwencjonalnych na obudowach dźwigów, cokołach itd.) z oknami zamykającymi loggie. Seryjnym elementem był moduł o wysokości 3 m i długości 7 m z wbudowanymi oknami i lokalnymi rekuperatorami. Zastosowano w nim opatentowaną przez austriacką firmę GAP-Solution [8] technologię fasady słonecznej akumulującej ciepło w strukturze plastrowej wbudowanej w szkielet drewniany.

W pozostałych modułach zainstalowano panele PV. Dzięki zastosowaniu tej technologii zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną na ciepło dla c.o. i c.w.u. zmniejszyło się o 94% – ze 135 do 8 kWh/(m² · rok). Modernizacja kosztowała wówczas ok. 1000 euro w przeliczeniu na 1 m² powierzchni użytkowej i została sfinansowana w połowie ze środków zebranych przez wspólnotę mieszkaniową w ciągu 10 lat w ramach własnego funduszu remontowego, w 25% z dotacji z programu B&R, a w 25% kredytem zaciągniętym przez wspólnotę na kolejne 10 lat.

W projektach pilotażowych prowadzonych w innych krajach testowane są różnorodne podejścia do technologii. Na przykład we Francji stosuje się proste elementy fasadowe bez dodatkowych instalacji i okien (fot. 3). W Holandii głównym odbiorcą technologii modułowej są właściciele domów jednorodzinnych (fot. 4) [10]. Z kolei w Estonii rozwijany jest standard renowacji modułowej przeznaczony dla typowych bloków wykonanych z wielkiej płyty, wykorzystujący fasady do poprowadzenia nowych przewodów wentylacji dla poszczególnych lokali, umożliwiających centralny odzysk ciepła [11].

Potencjał rynku renowacji

Obszerna analiza europejskiego rynku oraz działań na rzecz rozwoju tzw. seryjnej renowacji w Niemczech przeprowadzona została w 2022 roku na zlecenie niemieckiego Ministerstwa Gospodarki i Klimatu [12]. Oceniono, że w 10–15% niemieckich budynków mieszkalnych wielorodzinnych o niskim standardzie energetycznym i niezbyt skomplikowanych kształtach można efektywnie wykorzystać tę technologię. Podkreślono, że jej upowszechnienie wymaga sprowadzenia kosztu do poziomu akceptowalnego przez mieszkańców. Koszty renowacji z wykorzystaniem elementów prefabrykowanych sięgają w Niemczech 1700–2000 euro/m² powierzchni mieszkalnej, przy założeniu że budynek po renowacji osiągnie niemiecki standard EH40 EE (40% całkowitego zapotrzebowania na energię pierwotną [prąd i ciepło] obliczonego dla budynku referencyjnego). W krajach będących przedmiotem analizy rynku poza Niemcami (Holandia, Francja, Wielka Brytania, Włochy, Estonia) koszt renowacji seryjnej do standardu budynku niemal zeroenergetycznego wynosi ok. 1000 euro/m² powierzchni mieszkalnej, a wynika to ze wsparcia rynku środkami publicznymi i zwrócenia dzięki temu uwagi dostawców materiałów i usług na możliwy wzrost popytu.

Równolegle realizowany był projekt finansowany ze środków programu UE Intelligent Energy for Europe pod nazwą Renew School [13], którego skutkiem było wykorzystanie elementów prefabrykowanych wraz z nowoczesnymi technologiami energetycznymi i wentylacyjnymi w budynkach edukacyjnych w 19 miejscach w Europie.

W 2016 roku Buildings Performance Institute Europe (BPIE) opublikował raport z badań [14] zleconych przez i24c [15], stanowiący istotny wkład do dyskusji o roli Europy w wykorzystaniu innowacji w budownictwie na rzecz przyspieszonej i głębokiej dekarbonizacji gospodarki światowej. W raporcie skupiono się na czterech aspektach:

• systemy prefabrykowane dla głębokiej renowacji budynków wielorodzinnych,
• innowacyjne materiały izolacyjne do fasad budynków,
• integracja budynków ze źródłami energii,
• automatyka budynkowa i techniki sterowania.

W kolejnych latach w ramach programu UE Horyzont 2020 przeprowadzono cztery komplementarne projekty badawczo-wdrożeniowe dotyczące wykorzystania prefabrykatów w renowacji budynków:

1. MORE-CONNECT – wielofunkcyjne fasady jako element modułowej renowacji budynków,
2. P2Endure – rozwiązania „plug and play” dla głębokiej renowacji budynków w Europie,
3. 4RinEU – solidne i niezawodne koncepcje technologiczne i biznesowe do wywołania głębokiej renowacji budynków w UE,
4. Bertim – moduły prefabrykowane z drewna i metody całościowe w procesie renowacji budynków.

Kwestie ekonomiczne, czyli koszty

Efekty kilku projektów B&R sfinansowanych przez Komisję Europejską zostały podsumowane przez BPIE i opublikowane we wrześniu 2019 roku w formie raportu [16] skupiającego się na odpowiedziach na pięć pytań. Najważniejsze z nich dotyczy potencjału obniżenia kosztów renowacji dzięki zastosowaniu prefabrykacji, gdyż wysoki koszt początkowy zraża uczestników rynku do jej wykorzystywania. Zwrócono uwagę na fakt, że zastosowanie prefabrykowanych i całościowych rozwiązań skutkuje skróceniem czasu renowacji i zmniejszeniem jej uciążliwości dla użytkowników budynków, zapewniając jednocześnie wysoki poziom efektywności energetycznej.

Znaczne oszczędności kosztów osiągane są dzięki skróceniu czasu budowy:

• szacuje się, że prefabrykacja zachodząca w wytwórni prefabrykatów może skrócić czas renowacji o 18% w porównaniu z najnowocześniejszymi praktykami termoizolacji; montaż jednego prefabrykowanego modułu o powierzchni 20 m2 zajmuje trzem pracownikom średnio jedną godzinę (MORE-CONNECT),
• istnieje możliwość skrócenia czasu renowacji na miejscu w przypadku domu jednorodzinnego (o powierzchni elewacji 380 m2) o 52% dzięki zastosowaniu wielofunkcyjnego prefabrykowanego systemu fasadowego składającego się ze zintegrowanych komponentów PV i HVAC (4RInEU),
• podejście prefabrykacyjne skraca czas trwania całego procesu renowacji o 25–44% (P2Endure).

Ponadto dzięki zastosowaniu gotowych elementów zmniejsza się liczba błędów wykonawczych na miejscu, co pozwala zaoszczędzić ok. 5–10% kosztów (P2Endure). Standaryzacja łańcucha wartości renowacji poprzez cyfryzację i optymalizację procesów może obniżyć koszty do 25% w porównaniu z konwencjonalną metodą renowacji (P2Endure). Dzięki zastosowaniu prefabrykowanych komponentów mieszkańcy nie muszą opuszczać budynku w trakcie prac instalacyjnych, natomiast użytkownicy budynków niemieszkalnych (szpitale, urzędy, szkoły itp.) są w mniejszym stopniu narażeni na niedogodności związane z pracami budowlano-instalacyjnymi.

Projekt 4RinEU ma na celu ułatwienie industrializacji szeregu „modułów koncentratorów energii”, nazywanych też „plug & play” centrami energii. Moduły te, oparte na pompie ciepła lub energii słonecznej, mogą zarządzać wydajnym ogrzewaniem i chłodzeniem lub zaopatrzeniem w ciepłą wodę użytkową, a jednocześnie są łatwe w instalacji i obsłudze. Zastosowanie tego rozwiązania na dużą skalę mogłoby drastycznie obniżyć koszty usług. Z kolei cyfryzacja i optymalizacja procesów pozwalają obniżyć koszty renowacji o 25%.

Na podstawie przeprowadzonych analiz można stwierdzić, że prefabrykowane projekty renowacyjne wymagają mniej energii wbudowanej. Prefabrykowane systemy elewacyjne mogą wydłużyć żywotność budynku, ponieważ elementy są łatwiejsze do wymiany i naprawy, łatwiej także diagnozować ich trwałość.

Wysokie nakłady początkowe zastosowania tej technologii mogą się stopniowo obniżać dzięki ekonomii skali. Wskazują na to dane z rynku holenderskiego i brytyjskiego, gdzie dzięki inicjatywie Energiesprong, wspieranej ze środków publicznych, rejestruje się spadek jednostkowych kosztów o 50% w okresie od projektów pilotażowych do powszechnego wykorzystania [17].

Kwestie techniczne i organizacyjne

W procesie rozwoju wykorzystania technologii modułowej warto ocenić główne czynniki oddziałujące na rynek [18].

1. Czynniki ograniczające wykorzystanie technologii:

• koszty głębokiej renowacji można przyrównać do kosztów wyburzenia i nowej budowy,
• moduły o seryjnych wymiarach nie wystarczą do pełnego pokrycia elewacji dachów,
• mogą wystąpić niezgodności w oprogramowaniu wykorzystywanym przez projektantów i wykonawców elementów prefabrykowanych.

2. Czynniki pobudzające rozwój technologii:

• rosnące ilościowo i jakościowo cele polityczne renowacji budynków,
• dostosowanie uciążliwości wykorzystania technologii renowacji do oczekiwań użytkowników budynków,
• postęp w wykorzystaniu w budownictwie technologii informacyjno-komunikacyjnych i automatyzacji, w tym:

– dostosowywanie elementów seryjnych do konkretnych projektów,

– robotyzacja, skany i symulacje 3D w celu precyzyjnego zaprojektowania poszczególnych elementów.

Warunkiem powodzenia jest tworzenie nowych modeli biznesu wspieranych przez stronę publiczną i rozwój nowych kompetencji w budownictwie, łączących zdolności projektantów, wykonawców elementów i firm budowlano-montażowych na rzecz użytkowników budynków.

Doświadczenia polskie

Nieliczne udokumentowane przypadki wykorzystania elementów prefabrykowanych do renowacji (Warszawa, Gdynia) [19, 20] bądź budowy (Siemianowice Śląskie) [21] dotyczą obiektów użyteczności publicznej. Analizy energetyczne przeprowadzane w fazie przedprojektowej bezsprzecznie potwierdzają możliwość osiągnięcia niemal zeroenergetycznego standardu w każdym z tych budynków, z gwarantowanym właściwym wykorzystaniem systemów zarządzania energią. W przypadku prywatnego przedszkola w Siemianowicach Śląskich inwestor postawił zadanie wybudowania obiektu „pod klucz” w terminie pięciu miesięcy. Na zamówienie złożono tylko jedną ofertę, uzależniającą dotrzymanie terminu od zgody inwestora na zastosowanie w konstrukcji obiektu prefabrykatów stosowanych do składania domów jednorodzinnych.

Podsumowanie i rekomendacje

Według BPIE [14], wskaźnik renowacji budynków w UE wynosi obecnie ok. 1% rocznie. Zwiększenie go do 3% rocznie w perspektywie do 2050 roku przyniosłoby zmniejszenie zapotrzebowania na energię o 80% w porównaniu do poziomu z 2005 roku. Potencjalne przychody dla całego sektora budowlanego szacowane są na ok. 1200–1400 mld euro rocznie, co oznacza wzrost o ok. 700–800 mld euro rocznie. Jeśli renowacja modułowa stanowiłaby wartościowo 25% europejskiego rynku, oznaczałoby to dla niego wartość dodaną w wysokości ok. 200 mld euro rocznie, do podziału między dostawców modułów i firmy instalacyjne.

Rynek tej wielkości powinien być interesujący dla polskiej branży budownictwa domów gotowych, dobrze zorganizowanej np. w ramach Stowarzyszenia Energooszczędnych Domów Gotowych, zrzeszającego 39 producentów modułów i kilkadziesiąt firm dostarczających materiały dla tego sektora. Projektanci i dostawcy materiałów izolacyjnych i instalacji wentylacyjnych, odnawialnych źródeł energii i innych są w stanie zaspokoić potrzeby wykonawców modułów w zakresie ich dostosowania do wymaganych standardów zużycia energii w poszczególnych rodzajach budynków.

Zarówno publiczni, jak i niepubliczni zarządcy wielorodzinnych nieruchomości mieszkaniowych są bardzo zainteresowani stosowaniem metod termomodernizacji ograniczających czas realizacji oraz uciążliwości dla mieszkańców. Mamy też duże doświadczenie z wykorzystywaniem środków publicznych i prywatnych do wsparcia termomodernizacji budynków wielorodzinnych.

W celu zwiększenia wykorzystania technologii modułowej renowacji budynków niezbędne jest opracowanie analizy rynku zastosowania prefabrykatów do renowacji budynków, składającej się z:

1. identyfikacji uczestników rynku,
2. określenia łańcucha wartości i analizy udziału w nim poszczególnych uczestników rynku,
3. oceny stanu przygotowania technicznego sektora wytwórczego, montażowego i wykończeniowego do stosowania technologii modułowej renowacji,
4. analizy kosztów inwestycji wykorzystującej technologie modułowe do renowacji,
5. identyfikacji czynników sprzyjających i hamujących rozwój rynku,
6. opracowania propozycji działań otwierających rynek w Polsce, w tym zmian regulacyjnych i systemów wsparcia na każdym etapie inwestycji.

W proces tworzenia analizy rynku kierowany przez odpowiednią jednostkę naukowo-badawczą niezbędne jest włączenie przedstawicieli interesariuszy, takich jak: architekci i projektanci, doradcy energetyczni, ministerstwa, publiczne i niepubliczne instytucje finansowe, zarządcy nieruchomości budynkowych publicznych i niepublicznych, sektor budowlany – dostawcy gotowych rozwiązań, firmy montażowe i wykończeniowe oraz zagraniczni eksperci. Dzięki wymianie doświadczeń i poglądów w ramach tej grupy możliwe będzie stosunkowo szybkie i sprawne przygotowanie gotowych rozwiązań organizacyjnych i finansowych, poradników itd. oraz wybranie i przeprowadzanie projektów pilotażowych służących rynkowi jako dobre wzory.

Artykuł opracowany w ramach projektu

BULID UP Skills II Poland, https://bups.kape.gov.pl

Projekt dofinansowany przez Komisję Europejską w ramach programu LIFE-2021-CET-BUILSKILLS. Umowa nr 101076976.

Literatura

1. https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/modular-construction-market-11812894.html?gad_source=1

2. https://biblioteka.itb.pl/F?func=full-set-set&set_number=000171&set_entry=000001&format=999

3. Kaczorek Dobrosława, Piasecki Michał, Ocena jakości środowiska wewnętrznego oraz komfortu użytkowania w modułowym budynku przedszkola wybudowanego w standardzie pasywnym, „Przegląd Budowlany” 11–12/2023

4. https://www.gov.pl/web/rozwoj-technologia/Dlugoterminowa-strategia-renowacji-budynkow

5. https://bups.kape.gov.pl/mapa-drogowa/

6. https://www.iea-ebc.org/Data/publications/EBC_PSR_Annex50.pdf

7. Projekt pilotażowy Projectcontrol, http://www.projektcontrol.at/main/referenzen/gross-projekte/graz-lhs-ba-01/

8. https://gap-solutions.at/unsere-sanierungsloesung/

9. https://www.energiesprong.fr/projet/les-noirettes-renovation-988-logements-collectifs-vaulx-en-velin/

10. https://www.linkedin.com/pulse/voorbeelden-biobased-bouw-marjet-rutten-ouqie/

11. https://estnor.ee/en/renovation/

12. https://www.bmwk.de/Redaktion/DE/Publikationen/Studien/bafa-serielle-sanierung-gesamtbericht.pdf?__blob=publicationFile&v=6

13. https://www.renew-school.eu/en/best-practices-database/

14. https://www.bpie.eu/publication/construction-value-chain/

15. i24c – Industrial Innovation for Competitiveness, https://europeanclimate.org/wp-content/uploads/2019/11 /2015ar-industrial-innovation-for-competitiveness.pdf

16. https://www.bpie.eu/publication/innovation-brief -deep-renovation-using-prefabricated-components/

17. https://epb.bibl.th-koeln.de/frontdoor/deliver/index/docId/1551/file/Beckmann_Energiesprong_200527.pdf

18. https://bpie.eu/wp-content/uploads/2016/02/Deep-dive-1-Prefab-systems.pdf

19. https://www.p2endure-project.eu/en/demonstration/warsaw-poland

20. https://www.p2endure-project.eu/en/demonstration/gdynia-poland

21. https://www.renew-school.eu/en/best-practice-of-school-renovation-16-siemianowice-kindergarten/