Charakterystyka energetyczna budynków mieszkalnych wielorodzinnych w perspektywie wymagań 2017-2021

Od wprowadzenia systemu oceny energetycznej budynków minęło osiem lat, w których trakcie nastąpiło wiele istotnych zmian.

Obecnie obowiązki związane z wydawaniem i przekazywaniem świadectw charakterystyki energetycznej budynków oraz przeprowadzaniem okresowych kontroli systemów ogrzewania i systemów klimatyzacji w budynkach reguluje ustawa o charakterystyce energetycznej budynków z 2014 r. [15].

Przyjęty w kolejnym roku „Krajowy plan mający na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii” [14] określa kierunki działań zapewniające i promujące energooszczędność oraz zwiększenie pozyskania energii ze źródeł odnawialnych.

Przez „budynek o niskim zużyciu energii” należy rozumieć budynek spełniający wymagania związane z oszczędnością energii i izolacyjnością cieplną zawarte w przepisach techniczno-budowlanych [3] obowiązujące od 1 stycznia 2021 r., a dla budynków zajmowanych przez władze publiczne oraz będących ich własnością od 1 stycznia 2019 r. [14].

Zgodnie z przyjętym harmonogramem etapem pośrednim są zmiany w zakresie wymagań minimalnych obowiązujące od 1 stycznia 2017.

Od 2015 r. obowiązuje nowe rozporządzenie w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej [10]. Reguluje ono sposób wyznaczania tej charakterystyki, także metodą opartą na faktycznie zużytej ilości energii, obliczeniach dotyczących wielkości emisji CO₂ oraz udziale OZE w rocznym zapotrzebowaniu na energię końcową.

Rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego [11] nakłada w nowelizacji rozszerzony obowiązek wzięcia pod uwagę przed rozpoczęciem budowy (o ile są dostępne) technicznych, środowiskowych i ekonomicznych możliwości realizacji wysokoefektywnych systemów alternatywnych z wykorzystaniem energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych, w tym z pomp ciepła.

Należy również mieć na uwadze zmieniające rynek urządzeń rozporządzenia Komisji Europejskiej wydawane na podstawie przepisów dyrektywy 2009/125/WE [1] ustanawiającej ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią. Obowiązujące przepisy wykonawcze dotyczą m.in. ogrzewaczy pomieszczeń i ogrzewaczy wielofunkcyjnych, podgrzewaczy wody i zasobników ciepłej wody, pomp, systemów wentylacyjnych, klimatyzatorów i wentylatorów.

Przykładowym efektem wprowadzonych wymagań w zakresie efektywności energetycznej jest praktyczne wycofanie z obrotu kotłów niekondensacyjnych na paliwa ciekłe i gazowe o znamionowej mocy cieplnej do 400 kW.

Analiza charakterystyki energetycznej wielorodzinnego budynku mieszkalnego została przeprowadzona przez autorkę w początkowej fazie wdrażania systemu oceny energetycznej budynków [16].

Dynamiczne zmiany w regulacjach prawnych spowodowały konieczność ponownego spojrzenia na to zagadnienie. Ocena możliwości spełnienia zaostrzonych wymagań w zakresie wskaźnika EP budynku jednorodzinnego przeprowadzona w pracy [2] wskazała na znaczenie wyboru wysokosprawnego źródła ciepła, wykorzystania odnawialnych źródeł energii, a także odpowiedniego ukształtowania bryły budynku.

W odniesieniu do budynku mieszkalnego wielorodzinnego zwrócono ponadto uwagę na konieczność poniesienia znaczących kosztów inwestycyjnych związanych z wprowadzanymi usprawnieniami oraz prawdopodobne zmniejszenie powierzchni użytkowej [2,12].

Wykazano, że zastosowanie alternatywnych źró­deł energii może być korzystniejsze od rozwiązań konwencjonalnych, zarówno pod względem wysokości nakładów inwestycyjnych, jak i kosztów w cyklu życia. Konieczność zastosowania źródeł odnawialnych, w tym w zakresie energii elektrycznej (systemy PV) do zasilania urządzeń pomocniczych w systemach technicznych, podkreślono również w pracy [17].

Celem opracowania jest analiza charakterystyki energetycznej przykładowego budynku mieszkalnego wielorodzinnego przeprowadzona w perspektywie wymagań 2017–2021. Wskazano w niej elementy mające wpływ na zapotrzebowanie budynku na energię użytkową, końcową i nieodnawialną energię pierwotną (wskaźnik EP). Zidentyfikowano jednocześnie możliwe problemy ze spełnieniem wymagań określonych w przepisach techniczno-budowlanych oraz wskazano ścieżki prowadzące do osiągnięcia założonego celu, jakim jest „budynek o niskim zużyciu energii”.

Założenia i metodyka obliczeń

• Zgodnie z przepisami techniczno-budowlanymi maksymalna wartość wskaźnika EP [kWh/(m² · rok)] określającego roczne obliczeniowe zapotrzebowanie budynku na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia jest wyznaczana następująco:

EP = EPH+W + ΔEPC + ΔEPL   (1)

gdzie:

EP_H+W – cząstkowa maksymalna wartość wskaźnika EP na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej,

ΔE_PC – cząstkowa maksymalna wartość wskaźnika EP na potrzeby chłodzenia,

ΔE_PL – cząstkowa maksymalna wartość wskaźnika EP na potrzeby oświetlenia.

• W rozważanym przypadku ∆EP_C = 0 (budynek bez instalacji chłodzenia) oraz ∆EP_L = 0 (nie dotyczy budynków mieszkalnych), a zatem EP = EP_H+W.
• Cząstkowe maksymalne wartości wskaźnika EP_H+W na potrzeby ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej zgodne z warunkami technicznymi [3] podano w tab. 1.

• Standardy ochrony cieplnej wprowadzane w kolejnych latach oznaczono odpowiednio: WT2014, WT2017, WT2021.
• Stopniowe zaostrzanie wymagań przewiduje obniżenie wartości granicznej EP_H+W o 19% w 2017 roku i 38% w 2021 roku względem wartości obowiązującej w latach 2014–2016.
• Zmiany przewidywane w dość krótkiej jak na procesy inwestycyjne, bo kilkuletniej perspektywie można uznać za radykalne.

• W przypadku budynków zajmowanych przez władze publiczne oraz będących ich własnością perspektywa ta jest jeszcze krótsza (2019).

W dalszej części pracy przyjęto oznaczenie wymaganych przepisami maksymalnych wartości wskaźnika EPmax = EPH+W,max.

Wymagania minimalne określone rozporządzeniem [3] obejmują także izolacyjność cieplną przegród budowlanych wyrażoną współczynnikiem przenikania ciepła U_C(max) [W/(m² · K)]. Wybrane maksymalne wartości tego współczynnika podano w tab. 2. Wartości te przyjęto w obliczeniach uwzględniających standard ochrony cieplnej analizowanego budynku.

Przedmiotem analizy jest podpiwniczony budynek mieszkalny wielorodzinny zlokalizowany w Gdańsku.

• Bryła budynku ma uproszczoną architekturę przedstawioną na widoku elewacji (rys. 1).
• Ogólną charakterystykę budynku podano w tab. 3.
• Współczynnik kształtu wyrażony przez stosunek powierzchni obudowy do kubatury mierzonej po obrysie zewnętrznym wynosi 0,383.
• W budynku znajduje się 20 lokali mieszkalnych zamieszkiwanych łącznie przez 50 osób (2,5 osoby na mieszkanie).

• Średnia temperatura stref ogrzewanych w budynku wynosi 20°C.
• Dane klimatyczne sporządzone dla typowych lat meteorologicznych przyjęto zgodnie z informacjami udostępnionymi przez Ministerstwo Infrastruktury i Budownictwa [13].
• Obliczenia wskaźników rocznego zapotrzebowania budynku na energię użytkową (EU), energię końcową (EK) oraz nieodnawialną energię pierwotną (EP) wykonano zgodnie z procedurą opisaną w rozporządzeniu w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej [10].
• Współczynniki przenikania ciepła przegród budowlanych wyznaczono zgodnie z normą PN-EN ISO 6946 [7], przy czym zapewniono taki dobór materiałów, aby uzyskać wartości maksymalne wymagane przepisami budowlanymi [3] i podane w tab. 2.
  Przy wyznaczaniu współczynników przenoszenia ciepła ze strefy ogrzewanej H_tr [W/K] zastosowano procedurę normy PN-EN 12831 [6].
  Założono brak liniowych mostków cieplnych.
• Przy obliczaniu współczynnika przenikania ciepła przez wentylację H_ve [W/K] wykorzystano uśrednione w czasie strumienie powietrza wentylacyjnego, uwzględniając podstawowy strumień powietrza zewnętrznego oraz strumień dodatkowy zależny od rodzaju wentylacji i szczelności budynku.
• Przy określaniu poszczególnych strumieni powietrza wykorzystano wskazówki rozporządzenia [10] oraz norm PN-EN ISO 13790 [9] i PN-EN ISO 13789 [8].

Przy wentylacji grawitacyjnej lub mechanicznej wywiewnej ciągłej podstawowy strumień wentylacji według rozporządzenia [10] wynosi 0,32 · 10–3 m³/(s · m²). Na każde mieszkanie przypada zatem strumień powietrza wynoszący ok. 80 m³/h, co odpowiada sumie normatywnych strumieni powietrza dla łazienki (50 m³/h) oraz kuchni z kuchenką elektryczną w mieszkaniach zamieszkiwanych przez maksymalnie trzy osoby (30 m³/h) [5]. Ponadto zapewnia każdemu użytkownikowi 32 m³/h powietrza świeżego.

Minimalna wartość wymagana przepisami techniczno-budowlanymi [3] wynosi 20 m³/h na osobę przewidywaną na pobyt stały w projekcie budowlanym.

• Przy wentylacji mechanicznej z osłabieniem w nocy uśredniony w czasie strumień podstawowy dla lokali mieszkalnych wynosi 0,28 · 10^–3 m³/(s · m²) [10]. Odpowiada on ograniczeniu strumienia powietrza wywiewanego w ciągu ośmiu godzin nocnych do 60% wartości zapewnianej w ruchu ciągłym.
• W wariancie podstawowym założono, że w budynku nie przeprowadzono próby szczelności. W takim przypadku krotność wymiany powietrza w budynku przy różnicy ciśnienia 50 Pa wynosi n₅₀ = 4 h^–1 [10].
• W całkowitych zyskach ciepła uwzględniono zyski od nasłonecznienia i zyski wewnętrzne. Przy wyznaczaniu zysków od nasłonecznienia założono montaż okien podwójnie szklonych z powłoką selektywną o współczynniku przepuszczalności energii promieniowania słonecznego g_gl = 0,67 dla wymagań WT2014 i WT2017 oraz okien potrójnie szklonych z powłoką niskoemisyjną g_gl = 0,50 dla wymagań WT2021 [3, 9].
• Przyjęto obciążenie cieplne pomieszczeń wewnętrznymi zyskami ciepła wynoszące 7,1 W/m² [10].
• Współczynniki wykorzystania zysków ciepła w strefie ogrzewanej w poszczególnych miesiącach roku wyznaczano zgodnie z PN-EN ISO 13790 [9].

O rocznym zapotrzebowaniu na energię użytkową do przygotowania ciepłej wody użytkowej decyduje przede wszystkim objętość wody zużywanej przez użytkowników w ciągu doby. Zgodnie z metodologią wyznaczania charakterystyki energetycznej [10] jednostkowe dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę wynosi 1,6 dm3/(m2 · d). W rozważanym budynku odpowiada to zużyciu 41 dm3 /(j.o. · d) wody o temperaturze 55°C.

Rozpatrywano sześć prostych systemów technicznych (wykorzystujących jeden rodzaj źródła energii, zasilanych jednym rodzajem nośnika energii lub energii) oraz dwa złożone systemy techniczne (wykorzystujące więcej niż jeden rodzaj źródła energii).

Wyszczególnienie analizowanych wariantów źródeł ciepła podano w tab. 4.

• Poszczególne źródła zasilane są nieodnawialnymi paliwami kopalnymi (węgiel, gaz ziemny), ciepłem sieciowym z kogeneracji, paliwami odnawialnymi (biomasa, biogaz), energią słoneczną lub energią elektryczną w przypadku sprężarkowej pompy ciepła glikol/woda z gruntowym wymiennikiem jako dolnym źródłem ciepła.

Instalacja centralnego ogrzewania wodnego w budynku wyposażona jest w grzejniki płytowe oraz regulację centralną i miejscową z zaworami termostatycznymi.

Lokalne źródła ciepła są zainstalowane w przestrzeni ogrzewanej, podobnie jak zaizolowane przewody, armatura i urządzenia. Zasobnik ciepła (bufor) zastosowano jedynie w układzie z pompą ciepła. Średnią sezonową sprawność całkowitą systemu ogrzewania h_H,tot wyznaczono jako iloczyn sprawności cząstkowych, przyjętych w oparciu o dane zamieszczone w rozporządzeniu [10]. Wyznaczone sprawności całkowite systemu ogrzewania podano w tab. 5.

Budynek jest wyposażony w instalację centralnego przygotowania ciepłej wody użytkowej z obiegiem cyrkulacyjnym oraz zaizolowanymi pionami i przewodami rozprowadzającymi.

• Układ pojemnościowy (zasobnik) przewidziano we wszystkich systemach technicznych poza węzłem ciepłowniczym, zgodnie z typowymi rozwiązaniami przyjmowanymi w takich źródłach.
• Średnią sezonową sprawność całkowitą systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej h_W,tot wyznaczono jako iloczyn sprawności cząstkowych, przyjętych w oparciu o dane zamieszczone w rozporządzeniu [10].
• Wyznaczone sprawności całkowite systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej podano w tab. 5.

Wartości współczynników nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii dla systemów technicznych w_i (tab. 5) przyjęto zgodnie z rozporządzeniem [10]. Sieć elektroenergetyczna systemowa stanowi źródło zasilania w energię elektryczną systemów technicznych w budynku.

W obliczeniach uwzględniono roczne zapotrzebowanie na energię pomocniczą końcową dostarczoną do poszczególnych systemów technicznych budynku.

• Zapotrzebowanie na moc elektryczną do napędu urządzeń przyjęto częściowo w oparciu o dane rozporządzenia [10] oraz kierując się doświadczeniem projektowym autorki.
• Czas trwania sezonu grzewczego wyznaczono zgodnie z normą PN-EN ISO 13790 [9].
• Czas pracy urządzeń działających okresowo określono stosownie do przyjętego sposobu ich pracy.

Dla każdego standardu ochrony cieplnej oraz wariantu źródła ciepła wymienionego w tab. 4 rozważano warianty w zakresie wentylacji, szczelności budynku oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej wyszczególnione w tab. 6.

Dyskusja wyników

• Wartości wskaźnika EP_H+W określającego roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej wyznaczone dla rozważanego budynku mieszkalnego wielorodzinnego pokazano na rys. 2.
• Objaśnienie skrótów literowych poszczególnych wariantów źródeł ciepła podano w tab. 4.
• Dla każdego systemu technicznego określono wartości wskaźnika EP reprezentujące różne standardy ochrony cieplnej wymagane przepisami techniczno-budowlanymi [3], wprowadzane sukcesywnie w kolejnych latach i oznaczone odpowiednio WT2014, WT2017, WT2021 (patrz: tab. 2).

• Wykres sporządzono przy założeniu wentylacji grawitacyjnej w budynku.

Linie ciągłe reprezentują graniczne wartości wskaźnika EP obowiązujące w kolejnych latach (patrz: tab. 1). Pomiędzy poszczególnymi wariantami źródeł ciepła widoczne są istotne różnice.

Wskaźnik EP budynku z systemem zasilanym z kotłowni opalanej drewnem (KD) jest niższy o 76% w stosunku do systemu zasilanego z kotłowni węglowej (KW). Ten ostatni system jest dla analizowanego budynku jedynym, który nie spełnił wymagań WT2014.

W późniejszym okresie, w związku z zaostrzeniem wymagań w zakresie oszczędności energii pierwotnej, dają się zauważyć możliwe problemy ze spełnieniem warunków WT2017 w przypadku kotłowni gazowej kondensacyjnej obsługującej system ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej (KGK).

Wartości wymagane od 2021 roku (WT2021) mogą już być trudne do spełnienia dla sprężarkowej pompy ciepła (PC) jako jedynego źródła zasilającego oba systemy techniczne.

Zastosowanie kogeneracji (ciepła sieciowego) oraz odnawialnych źródeł energii – samodzielnie lub we współpracy ze źródłem zasilanym energią/paliwami konwencjonalnymi – stwarza warunki umożliwiające spełnienie wymagań określonych przepisami [3].

Wyniki uzyskiwane przy różnych źródłach ciepła zależą od relacji między współczynnikiem nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej w_i a sprawnością całkowitą danego systemu technicznego h_tot. W systemach złożonych relacje te są bardziej skomplikowane i zależne od udziału poszczególnych układów w pokryciu rocznego zapotrzebowania na energię.

Znaczący może być także udział energii pomocniczej z uwagi na wysoki współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej wynoszący 3,0 przy zasilaniu z sieci elektroenergetycznej systemowej.

Uszeregowanie źródeł ciepła według wskaźników zapotrzebowania na energię końcową EK różni się od uszeregowania według wskaźników zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP, co pokazano na rys. 3 na przykładzie obliczeń odpowiadających wymaganiom WT2017.

Wielkość rocznego zapotrzebowania na energię użytkową EU jest jednakowa dla wszystkich układów i wynosi 56,2 kWh/(m² · rok).

Wskaźnik EK jest najniższy w instalacjach wyposażonych w pompę ciepła (PC), a najwyższy w przypadku kotłowni na paliwa stałe, zarówno kopalne (KW), jak i odnawialne (KD). Systemy te charakteryzują się odpowiednio najwyższą i najniższą średnią sezonową sprawnością całkowitą na ogrzewanie i przygotowanie ciepłej wody użytkowej.

Współczynniki nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej odwracają tę sytuację: sprężarkowa pompa ciepła zasilana energią elektryczną (w_el = 3,0) wyraźnie traci swoją pozycję na rzecz kotłowni na biomasę drzewną (w_i = 0,2).

Dążąc do opracowania takiej konfiguracji systemów technicznych, która pozwoli na spełnienie wymagań minimalnych określonych w warunkach technicznych [3], warto przyjrzeć się poszczególnym składnikom wskaźnika EP = EPH+W.

Jak wynika z rys. 4, zarówno ogrzewanie i wentylacja (składowa EP_H), jak i przygotowanie ciepłej wody użytkowej (składowa EP_W) mogą wpływać istotnie na całkowite roczne zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną wielorodzinnego budynku mieszkalnego. W warunkach wymagań WT2017 udział składowej EP_H waha się od 40 do 56% (rys. 4).

Zmiana wentylacji grawitacyjnej na mechaniczną wywiewną z osłabieniem nocnym powoduje zmniejszenie udziału tego składnika do 32–53%, podobnie jak zwiększenie standardu ochrony cieplnej budynku stosownie do wymagań WT2021 (37–53%).

Zastosowanie kolektorów słonecznych w systemie przygotowania ciepłej wody użytkowej zwiększa udział składowej EP_H w bilansie.

Wpływ standardu ochrony cieplnej budynku na roczne zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną prezentują wykresy na rys. 2 i rys. 5, przedstawiające odpowiednio wskaźnik EP_H+W oraz składową EP_H.

Oba wykresy wykonano przy założeniu, że budynek ma wentylację grawitacyjną.

W porównaniu do warunków WT2014 zwiększenie izolacyjności cieplnej przegród budowlanych w 2017 r. skutkuje obniżeniem zapotrzebowania na energię do ogrzewania i wentylacji o 7–9%.

Zmiana wprowadzona w 2021 r. powoduje obniżenie EP_H o kolejne 8–12%.

Różnice w skumulowanym wskaźniku EP_H+W są mniejsze i wynoszą odpowiednio 3–5 oraz 4–6%. Porównanie to wskazuje na drugorzędną rolę zwiększania standardu ochrony cieplnej w kształtowaniu wskaźnika EP analizowanego budynku w porównaniu z rodzajem źródła ciepła/nośnika energii, szczególnie w świetle obniżenia wymaganej maksymalnej wartości tego wskaźnika (rys. 2).

Współczynniki przenikania ciepła przegród budowlanych mogą zyskać na znaczeniu w przypadku takiej konfiguracji wyposażenia technicznego, która lokuje obliczeniowy wskaźnik EP blisko wartości granicznej.

Wpływ sposobu wentylacji na zapotrzebowanie na energię rozważanego wielorodzinnego budynku mieszkalnego zbadano dla systemów wentylacyjnych wyszczególnionych w tab. 7.

Zmiana wentylacji grawitacyjnej na kontrolowaną wentylację mechaniczną powoduje zmianę struktury bilansu ciepła przenoszonego ze stref ogrzewanych budynku do otoczenia.

W odniesieniu do wymagań WT2017 udział wentylacyjnej straty ciepła obniża się z 62% przy wentylacji grawitacyjnej do 49% przy wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła.

• W rozważanym przypadku średnioroczna sprawność temperaturowa odzysku ciepła wynosi 50%, co odpowiada minimalnej wartości wymaganej rozporządzeniem [3].
• Udział ciepła przenoszonego ze strefy ogrzewanej przez wentylację rośnie o 6–7% wraz ze wzrostem izolacyjności termicznej przegród budowlanych od warunków WT2014 do WT2021.

Zmiana systemu wentylacyjnego powoduje także zmianę w strukturze całkowitego zapotrzebowania na energię użytkową budynku E_U = EU_H+W, uwzględniającego ogrzewanie i wentylację (EU_H) oraz przygotowanie ciepłej wody użytkowej.

Przy wentylacji grawitacyjnej około połowę wskaźnika EU zajmuje składowa EU_H, natomiast przy zastosowaniu wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła dominują potrzeby związane z przygotowaniem ciepłej wody, sięgające 68–78% całkowitego zapotrzebowania budynku. Odpowiednie zestawienie pokazano w tab. 8.

Wpływ sposobu wentylacji na osiągane wartości wskaźnika EP_H zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania i wentylacji pokazano na rys. 6.

Objaśnienia symboli opisujących systemy wentylacji budynku podano w tab. 7.

Przedstawione wyniki odpowiadają standardowi ochrony cieplnej WT2017.

W przypadku źródeł ciepła zasilanych paliwami konwencjonalnymi (KW, KGK), energią elektryczną (PC) lub ciepłem sieciowym (WC) wskaźnik EP_H uzyskuje najwyższe wartości w budynku wyposażonym w wentylację grawitacyjną (WGr); przy zastosowaniu wentylacji mechanicznej wywiewnej ciągłej (WW) jest mniejszy o 7–17%, a przy wentylacji mechanicznej wywiewnej z osłabieniem nocnym (WWlim) – mniejszy o 23–31%.

Redukcja zapotrzebowania na energię pierwotną przy zastosowaniu wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła (WNW_OC) zależy od sprawności odzysku ciepła oraz dodatkowej energii pomocniczej związanej z napędem wentylatorów.

Przy średniorocznej sprawności odzysku ciepła z wentylacji wynoszącej 50% wskaźnik EP_H obniżył się o 13–31% względem przypadku z wentylacją grawitacyjną, a przy sprawności 70% był niższy o 29–47%.

Szczególnie korzystnie kształtują się zatem rozwiązania z wentylacją mechaniczną wywiewną z nocnym ograniczeniem strumienia powietrza oraz wentylacją nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła. W przypadku źródeł ciepła zasilanych paliwami odnawialnymi (KB, KD) charakteryzujących się niskimi współczynnikami nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej wentylacja mechaniczna zasilana energią elektryczną może wpływać niekorzystnie na wartość wskaźnika EP_H.

Sposób wentylacji budynku wpływa na całkowity wskaźnik EP_H+W zależnie od struktury zapotrzebowania na energię pierwotną (udziału składowych EP_H i EP_W).

Na rys. 7a i rys. 7b przedstawiono porównanie obliczeniowych i dopuszczalnych wartości wskaźnika EP budynku wyposażonego w różne systemy wentylacji, przy różnych standardach ochrony cieplnej odpowiadającym wymaganiom WT2017 i WT2021.

Wskaźniki wyznaczone dla wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła odpowiadają średniorocznej sprawności temperaturowej wynoszącej 50%.

W porównaniu z wentylacją grawitacyjną (WGr) wskaźniki EP_H+W przy wentylacji mechanicznej wywiewnej (WW) są dla większości źródeł ciepła (od KW do PC+KS) niższe o 3–8%, przy wentylacji mechanicznej wywiewnej z osłabieniem nocnym (WW_lim) – niższe o 9–17%, a przy wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła (WNW_OC) – niższe o 5–15%.

Znaczący udział przygotowania ciepłej wody użytkowej w zapotrzebowaniu na energię pierwotną budynku redukuje wpływ działań oszczędnościowych w zakresie wentylacji na skumulowany wskaźnik EP_H+W.

W rozważanym wielorodzinnym budynku mieszkalnym zmiana sposobu wentylacji przyczyniła się do poprawy wskaźnika EP_H+W na tyle, że przy zastosowaniu kotłowni gazowej kondensacyjnej (KGK) obliczeniowe wartości EP zbliżyły się do wymagań rozporządzenia WT2017.

Przy wentylacji mechanicznej wywiewnej z osłabieniem nocnym deficyt wyniósł ok. 4%.

Warunki WT2021 zostały spełnione przy zastosowaniu wentylacji mechanicznej w przypadku kotłowni gazowej kondensacyjnej wspomaganej kolektorami słonecznymi do przygotowania ciepłej wody użytkowej (KGK+KS).

Zapewnienie większej skuteczności odzysku ciepła w systemie wentylacji nawiewno-wywiewnej może się przyczynić do spełnienia wymagań rozporządzenia [3].

Jak pokazano na rys. 8, przy średniej sezonowej sprawności odzysku ciepła wynoszącej 70% zapewniono spełnienie wymagań WT2017 budynku zasilanego z kotłowni gazowej kondensacyjnej (KGK) oraz zbliżono się do wartości granicznej WT2021 w przypadku pompy ciepła (PC) (deficyt wynosi 8%).

Dalszą poprawę można uzyskać przez zastosowanie wstępnego podgrzania powietrza w gruntowym wymienniku ciepła, a także przy nocnym ograniczeniu strumienia powietrza.

W dotychczasowych rozważaniach zakładano, że w budynku nie przeprowadzono próby szczelności, a krotność wymian przy różnicy ciśnienia 50 Pa wynosiła n₅₀ = 4 h^–1 (wartość równoważna obliczeniowej krotności wymiany powietrza w budynku spowodowanej infiltracją powietrza przez nieszczelności obudowy budynku w warunkach eksploatacyjnych n = 0,2 [10]).

Zapewnienie wysokiej szczelności budynku potwierdzonej przeprowadzoną próbą szczelności z wynikiem n₅₀ = 1,5 h^–1 spowodowało poprawę wskaźnika EP_H+W w zakresie 1–10%.

W systemach zasilanych przez kotłownię gazową kondensacyjną (KGK) spełnienie wymagań WT2017 można wówczas osiągnąć z zastosowaniem wentylacji mechanicznej wywiewnej z osłabieniem nocnym (WW_lim) lub wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła (WNW_OC) o średniorocznej skuteczności 50% (rys. 9a).

Podobną poprawę EP uzyskano w odniesieniu do WT2021 (rys. 9b), przy czym spełnienie wymagań budynku o niskim zużyciu energii gwarantuje dopiero zastosowanie źródeł ciepła przynajmniej częściowo wspomaganych odnawialnymi źródłami energii lub opartych na kogeneracji, niezależnie od rodzaju zastosowanej wentylacji mechanicznej.

Dla systemów zasilanych sprężarkową pompą ciepła deficyt wyniósł ok. 8% przy układach wentylacyjnych WW_lim/WNW_OC.

Jak wykazano powyżej, system przygotowania ciepłej wody użytkowej odgrywa znaczącą rolę w kształtowaniu wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną budynku EP_H+W.

Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową o określonej temperaturze obliczeniowej jest zdeterminowane funkcją budynku. Możliwych oszczędności można poszukiwać jedynie na poziomie energii końcowej i energii pierwotnej.

W kształtowaniu wskaźnika cząstkowego EP_W decydującą funkcję pełni rodzaj źródła ciepła i nośnika energii.

Różnice między skrajnymi wartościami tego wskaźnika pokazanymi na rys. 10 (od kotłowni na węgiel KW do kotłowni na drewno KD) wynoszą 79%.

Najkorzystniejsze wyniki uzyskano przy zastosowaniu odnawialnych źródeł energii (kolektory słoneczne, biomasa, biogaz) i kogeneracji (ciepło sieciowe).

Wśród czynników mających wpływ na średnią całkowitą sprawność systemu przygotowania ciepłej wody zwraca uwagę sprawność dystrybucji związana z przesyłem ciepła z jego źródła do punktów czerpalnych.

Jeżeli w obliczeniach szczegółowych udałoby się potwierdzić wyższą sprawność dystrybucji – sięgającą np. 85% – to można uzyskać poprawę wskaźnika EP_W o 15–17% w stosunku do sprawności 70% stanowiącej wartość wyjściową do obliczeń (rys. 10).

Podane na rys. 2 wartości skumulowanego wskaźnika EP_H+W uległyby poprawie o 7–11%, przyczyniając się do zmniejszenia deficytu lub osiągnięcia wartości maksymalnych wymaganych przepisami [3]. Pokazano je na rys. 11 przy sprawności dystrybucji wynoszącej 85%.

Na koniec warto wspomnieć o czynnikach mających wpływ na spełnienie wymagań w zakresie wskaźnika EP budynku, lecz niemożliwych do kształtowania przez projektanta. Należy do nich: lokalizacja budynku na terenie Polski i związane z nią warunki meteorologiczne.

Budynki położone w rejonach charakteryzujących się statystycznie niższymi temperaturami zewnętrznymi osiągają w ciągu roku mniej korzystne wyniki, stąd spełnienie wymagań przepisów techniczno-budowlanych może być dla nich większym wyzwaniem.

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonej analizy można stwierdzić, że rodzaj źródła ciepła i nośnika energii zasilającego systemy techniczne ma decydujący wpływ na roczne zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania i wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej w budynku mieszkalnym wielorodzinnym. Istotna jest przy tym relacja współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej do średniej całkowitej sprawności systemu.

• W związku z zaostrzeniem wymagań w odniesieniu do wskaźnika EP w 2017 r. zarysował się problem z kotłownią gazową kondensacyjną jako jedynym źródłem ciepła w budynku, a w perspektywie 2021 (lub 2019 w budynkach zajmowanych przez władze publiczne) podobny problem może dotyczyć sprężarkowej pompy ciepła zasilanej z systemowej sieci elektroenergetycznej.
• Zarówno zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i wentylacji, jak i przygotowania ciepłej wody użytkowej mają istotny wpływ na kształtowanie wskaźnika EP budynku mieszkalnego wielorodzinnego. Jednocześnie większe możliwości poprawy kryją się w systemie ogrzewania i wentylacji.
• Sposób wentylacji budynku zmienia znacząco zapotrzebowanie na energię użytkową, a także energię pierwotną do ogrzewania i wentylacji. Korzystnie kształtują się systemy wentylacji mechanicznej z ograniczaniem strumienia powietrza i odzyskiem ciepła o wysokiej skuteczności.
  Wpływ sposobu wentylacji na całkowity wskaźnik EP budynku zależy od struktury bilansu energii pierwotnej.
  Znaczący udział potrzeb związanych z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej redukuje wpływ działań oszczędnościowych w zakresie wentylacji.
  Daje się także zauważyć negatywny wpływ dodatkowej energii pomocniczej związanej z napędem wentylatorów.
• Pozostałe rozważane warianty ukierunkowane na podniesienie standardu ochrony cieplnej czy zapewnienie wysokiej szczelności budynku mają pozytywny, ale mniej wyraźny wpływ na wskaźnik EP budynku.
• W systemie przygotowania ciepłej wody użytkowej, poza kluczowym wyborem rodzaju źródła ciepła i nośnika energii, warto zapewnić wysoką sprawność przesyłu ciepła ze źródła do punktów czerpalnych oraz akumulacji ciepła w układach pojemnościowych.

W perspektywie 2017 roku efektywne może się okazać łączenie różnych działań dających kilkuprocentowe oszczędności, a skumulowany zysk pozwoli zredukować zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną do wartości wymaganej przepisami techniczno-budowlanymi.

Przyszłe wymagania w zakresie wskaźnika EP, obowiązujące od 2021 roku, mogą zostać spełnione przy znaczącym udziale lub wyłącznym wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii oraz kogeneracji, zgodnie ze standardem „budynku o niskim zużyciu energii”. Natomiast zgodnie z aktualnymi trendami wybór optymalnego rozwiązania powinien uwzględniać ocenę ekonomiczną przedsięwzięcia w całym cyklu życia.

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r. ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią (Dz.Urz. UE L 285/10 z 31.10.2009, z późn. zm.).
2. Jadwiszczak P., Trząski A., Wentylacja i ogrzewanie w nowych przepisach. Warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki – stan na 2017 i 2021 r., Grupa Medium, Warszawa 2016.
3. Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2015, poz. 1422).
4. PN-B-02403:1982 Ogrzewnictwo. Temperatury obliczeniowe zewnętrzne.
5. PN-B-03430:1983/Az3:2000 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
6. PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.
7. PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.
8. PN-EN ISO 13789:2008 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynniki wymiany ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania.
9. PN-EN ISO 13790:2009 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia.
10. 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).
11. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (DzU 2012, poz. 462, z późn. zm.).
12. Trząski A., Wymagania dla budynków po 2020 r. a rozwiązania konwencjonalne i OZE, „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2015, s. 20–26.
13. Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków, http://mib.gov.pl/2-Wskazniki_emisji_wartosci_opalowe_paliwa.htm (12.12.2016).
14. Uchwala nr 91 Rady Ministrów z dnia 22 czerwca 2015 r. w sprawie przyjęcia „Krajowego planu mającego na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii” (M.P. 2015, poz. 614).
15. Ustawa z dnia 29 sierpnia 2014 r. o charakterystyce energetycznej budynków (DzU 2014, poz. 1200, z późn. zm.).
16. Zaborowska E., Analiza wpływu parametrów budynku i źródeł energii na zapotrzebowanie na energię pierwotną budynku mieszkalnego wielorodzinnego, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 3/2010, s. 92–97.
17. Życzyńska A., Dyś G., Wpływ OZE na wskaźnik energii pierwotnej w budynkach mieszkalnych, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2016, s. 68–71.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!