Budownictwo: Zużycie energii. Teraźniejszość i przyszłość (cz. II)

Pojęcie "budynek energooszczędny", lub "budynek o niskim zużyciu energii do ogrzewania" nie zostało zdefiniowane w polskich przepisach budowlanych, wskutek czego nie jest jednoznaczne. W Danii do budynków energooszczędnych klasy 2 zalicza się budynki, w których zużycie energii jest mniejsze niż 75% dopuszczalnego zużycia energii wg obowiązujących wymagań, a do budynków energooszczędnych klasy 1, jeśli to zużycie nie przekracza 50% wartości dopuszczalnej.

Zużycie energii w sektorze budowlanym - teraźniejszość i przyszłość cz. I >>

5. Perspektywy ograniczenia zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków
5.1. Budynki energooszczędne i pasywne
W Polsce jako energooszczędne budowane są przeważnie budynki mieszkalne jednorodzinne, w odniesieniu do których przepisy budowlane nie wymagają obliczania wskaźnika zapotrzebowania na ciepło. W związku z tym, zwyczajowo jako energooszczędny określa się taki budynek, w którym zastosowano rozwiązania techniczne pozwalające w większym stopniu zmniejszyć zużycie ciepła niż w budynkach typowych, takie jak: ściany i okna charakteryzujące się niskimi wartościami współczynnika przenikania ciepła, rekuperatory ciepła z usuwanego powietrza wentylacyjnego, wysokosprawne kotły, urządzenia do automatycznej regulacji działania instalacji ogrzewczych, itp. Taki sposób definiowania budynku energooszczędnego dopuszcza subiektywną interpretację tego pojęcia, np. niektórzy projektanci budynków jednorodzinnych określają je jako energooszczędne tylko na podstawie niskiej wartości współczynnika przenikania ciepła ścian zewnętrznych, obliczanego bez uwzględnienia mostków cieplnych. 
Kryterium oparte na granicznym wskaźniku zapotrzebowania na ciepło lub energię również nie jest całkowicie jednoznaczne, ponieważ wartość takiego wskaźnika obliczana dla konkretnego budynku zależy nie tylko od zastosowanych w nim rozwiązań technicznych pozwalających zmniejszyć zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania, ale również od jego lokalizacji w określonej strefie klimatycznej - taki sam budynek zlokalizowany np. w południowych Niemczech będzie charakteryzował się mniejszą wartością En niż w północno-wschodniej Polsce. W związku z tym w 1985 r. w Swedish Council for Building Research zaproponowano przyjęcie jako wielkości kryterialnej wskaźnik zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania wynoszący 0,02 kWh/(m².Kd). Reprezentatywną wartością dla Polski jest 4000 stopniodni w roku, w związku z tym graniczna wartość wskaźnika zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania dla budynków energooszczędnych jest równa 80 kWh/(m²a).
Z badań wykonanych w Zakładzie Fizyki Cieplnej ITB wynika, że zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania na poziomie nie przekraczającym 80 kWh/(m²a) można zapewnić w budynku jednorodzinnym dzięki dobrej izolacyjności cieplnej przegród obudowy budynku - stosując jedynie przegrody zewnętrzne charakteryzujące się dobrą izolacyjnością cieplną, np. współczynnik przenikania ciepła ścian na poziomie 0,2 W/(m²K).
  Koncepcja budynków pasywnych (passive houses PH) powstała w drugiej połowie lat 80. ubiegłego wieku w Niemczech. Budynki takie, charakteryzujące się zapotrzebowaniem energii netto do ogrzewania na poziomie 15 kWh/(m²a), stanowią bardzo interesującą propozycję dla inwestorów, nie tylko ze względów energetycznych, lecz także ze względu na koszt inwestycyjny ich wykonania, porównywalny z kosztem wykonania budynku o wskaźnikowym zapotrzebowaniu na energię 60 kWh/(m²a) (rys. 3). Tak korzystną charakterystykę energetyczną osiąga się dzięki maksymalnemu wykorzystaniu pasywnych zysków ciepła. Zyski te stanowią około 40% strat ciepła budynku. Stosując takie rozwiązania techniczne jak: energooszczędne okna z szybą dwukomorową z powłokami niskoemisyjnymi, dobre ocieplenie mostków cieplnych, odzysk ciepła z usuwanego powietrza i wstępne podgrzewanie powietrza wentylacyjnego w wymienniku gruntowym, w budynku pasywnym  zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania jest na tyle niskie, że komfort cieplny w pomieszczeniach można zapewnić bez zastosowania klasycznej instalacji ogrzewczej. Tym należy tłumaczyć fakt, że koszty inwestycyjne w budynkach pasywnych są mniejsze niż w bardziej energochłonnych ultra budynkach. Należy jednak zaznaczyć, że budynki pasywne wybudowane w ramach programu CEPHEUS w pięciu krajach: Niemczech, Austrii, Szwecji i Szwajcarii zlokalizowane zostały w miejscowościach o dość łagodnym klimacie, nawet w Szwecji (Goeteborg) [15].

Koszty inwestycyjne w EURO 

Wskaźnik charakterystyki energetycznej kWh/(m2.a)

Rys.3. Zależność między wskaźnikiem zapotrzebowania na energię netto do ogrzewania a kosztami inwestycyjnymi elementów energooszczędnego wyposażenia budynku [8].
W budynkach energooszczędnych i pasywnych podstawową pozycją bilansu energetycznego staje się zapotrzebowanie ciepła na podgrzewanie wody. W tablicy 7 pokazano strukturę takiego bilansu, ograniczonego zgodnie z wymaganiami dyrektywy 2002/91/WE do energii zużywanej w instalacjach ogrzewczej, wentylacyjnej i podgrzewania wody, w budynku zaliczanym do budynków energooszczędnych klasy 1.

Tablica 7. Struktura bilansu energetycznego sporządzonego w odniesieniu do energii pierwotnej dla jednorodzinnego energooszczędnego budynku mieszkalnego klasy 1.

Wskaźnik   zapotrzebowania   na   ciepło   do   ogrzewania  tego  budynku  wynosi  8,6 kWh/(m2.rok), a wskaźnik zapotrzebowania na energię pierwotną do ogrzewania i podgrzewania wody 31,6 kWh/(m².rok).

5.2. Ocena możliwości budowy budynków o niskim zużyciu energii do ogrzewania w Polsce
Jako budynek modelowy do analizy wpływu rozwiązań materiałowo-instalacyjnych na  eksploatacyjne zużycie ciepła do ogrzewania wybrano wolno stojący parterowy budynek jednorodzinny, którego rzut parteru i widoki elewacji budynku pokazano na rys. 4. Założono, że budynek wykonany jest w technologii tradycyjnej z przegrodami zewnętrznymi ocieplonymi od zewnątrz. Obliczenia wykonano w odniesieniu do zestawionych w tablicy 8, wariantowych rozwiązań ocieplenia obudowy budynku i instalacji ogrzewczo-wentylacyjnej, wykorzystujących stosowane w Polsce technologie, materiały i wyroby budowlane.

Rys. 4. Rzut parteru i widoki elewacji budynku modelowego
"Dobra izolacja" oznacza, że grubość warstwy ocieplającej na ścianach zewnętrznych stropodachu i podłodze nad piwnicą jest równa odpowiednio: 15, 20 i 10 cm, w przypadku "bardzo dobrej izolacji" grubości te kształtują się w sposób następujący: 20, 25 i 15 cm.  

Tablica 8. Zestawienie wariantów obliczeniowych zapotrzebowania na ciepło  do ogrzewania modelowego budynku jednorodzinnego

Założono dwa rodzaje wentylacji: grawitacyjną, najczęściej stosowaną w budynkach mieszkalnych w Polsce i energooszczędną wentylację nawiewno-wywiewną z rekuperatorem ciepła z powietrza usuwanego z budynku (warianty H i K). Przeanalizowano dwa przypadki działania wentylacji grawitacyjnej: zapewniającej strumienie powietrza odpowiadające wymaganiom PN-83/B03430 oraz strumienie obniżone o 60% w stosunku do wartości normowych, co oznacza, że w czasie obecności mieszkańców w budynku intensywność wentylacji jest wyższa - odpowiadająca wymaganiom, a w czasie ich nieobecności niższa. Dalsze obniżenie intensywności wentylacji uznano za niemożliwe ze względu na konieczność zapewnienia na minimalnym poziomie warunków sanitarno-higienicznych w pomieszczeniach.
 Termin "wymagane temperatury" oznacza, że w pomieszczeniach mieszkania przyjęto wartości temperatury wewnętrznej podane w przepisach budowlanych, czyli 24 °C, w przypadku łazienki i 20 °C, w przypadku pozostałych pomieszczeń mieszkalnych. Obniżenie tych wartości oznacza przyjęcie w obliczeniach 20 °C w łazience i 18 °C w pozostałych pomieszczeniach. Są to zakładane wartości średnie miesięczne osiągane dzięki obniżaniu temperatury wewnętrznej w okresie nieobecności mieszkańców w budynku i w nocy.
W analizie przyjęto następujące warianty instalacji centralnego ogrzewania:
- z kotłem gazowym i grzejnikami stalowymi płytowymi instalowanymi pod oknami,
- z pompą ciepła i kotłem gazowym szczytowym w układzie biwalentnym z grzejnikami jw.
- z pompą ciepła i ogrzewaniem podłogowym.
We wszystkich wariantach obliczeniowych przyjęto taką samą izolacyjność cieplną okien: U = 1,6 W/(m²K) i drzwi wejściowych do budynku: U = 2,6 W/(m²K), a wartości współczynników przenikania ciepła przegród pełnych zestawiono w tablicy 9.

Tablica 9. Zestawienie wartości współczynnika przenikania ciepła przegród  budynku modelowego

*) Bez uwzględnienia mostków cieplnych.
**) Z uwzględnieniem mostków cieplnych przy przyjęciu do obliczeń zewnętrznych wymiarów przegród.

Z danych zamieszczonych w tablicy 9 wynika, że w obliczeniach cieplnych, przynajmniej w odniesieniu do ścian zewnętrznych, konieczne jest uwzględnianie wpływu mostków cieplnych na wartość współczynnika przenikania ciepła, a pomijanie tego wpływu, co jest często stosowanym uproszczeniem przyjmowanym w obliczeniach sezonowego zapotrzebowania na ciepło, skutkuje znacznym zaniżeniem wyników obliczeń.
Wyniki obliczeń wskaźników sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania: netto, dostarczanego do budynku i wyrażonego w energii pierwotnej pokazano na rysunku 5.

Rys.5. Wartości wskaźników zapotrzebowania na energię do ogrzewania En, Ed i Ep w odniesieniu do rozpatrywanych wariantów obliczeniowych

 W Polsce obecnie projektowane są energooszczędne jednorodzinne budynki mieszkalne, w których wskaźnik zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania kształtuje się na poziomie 20 - 65 kWh/(m².rok), a wskaźnik zapotrzebowania na energię pierwotną w granicach 40 - 170 kWh/(m².rok). Zaprojektowanych zostało również kilka domów pasywnych, w których ww. wskaźniki kształtują się na poziomie 12 - 14 kWh/(m².rok) oraz 58 - 62 kWh/(m².rok). Z porównania tych wartości wynika, że w warunkach polskich obniżanie wskaźnika zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania poniżej 20 kWh/(m2.rok) nie jest opłacalne ani energetycznie, ani ekonomicznie, ponieważ osiągane jest przy większym zapotrzebowaniu na energię pierwotną.
 Dalsze zmniejszenie zapotrzebowania na energię budynków, a nawet stworzenie budynków, będących źródłami energii wiąże się z wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych. Według prognoz francuskich budynki mieszkalne o zerowym zapotrzebowaniu na energię powstaną w połowie XXI wieku.
 
6. Podsumowanie
Strukturę zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych w Polsce, obejmującą również jego prognozę, opracowaną przy uwzględnieniu istniejących aktualnie rozwiązań technicznych pokazano na rysunku 6. Wielkość tego zapotrzebowania zależy przede wszystkim od wieku budynku i od przeprowadzonych w nim działań termomodernizacyjnych, a w nowoczesnych budynkach energooszczędnych może być nawet dwudziestokrotnie mniejsza niż w budynkach wzniesionych zaledwie 25 lat temu. Największe potencjalne możliwości oszczędności energii stwarza termomodernizacja istniejących zasobów. Według oszacowań termomodernizacja całych istniejących zasobów budynków mieszkalnych pozwoliłaby zaoszczędzić rocznie około 10 mln ton węgla. Należy jednak zaznaczyć, że wartości podane na rysunku 6 uzyskane zostały metodą obliczeniową i nie były zweryfikowane doświadczalnie. Monitoring energetyczny wykonany do tej pory zaledwie w kilku budynkach ujawnił dość duże rozbieżności między wynikami obliczeń zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku i rzeczywistym jego zużyciem. W takiej sytuacji pożądane byłoby objęcie monitoringiem energetycznym większej liczby budynków i przeprowadzenie szczegółowych analiz ich wyników, w wyniku których skorygowane zostałyby dane przyjmowane do obliczeń cieplnych budynku. Wskazane byłoby zbudowanie budynków doświadczalnych, w których testowane byłyby rozwiązania architektoniczno-techniczno-materiałowe służące do zmniejszeniu eksploatacyjnej energochłonnosci budynków.
W celu uwzględnienia zaleceń dyrektywy 2002/91/WE, dotyczących przedstawiania charakterystyki energetycznej budynku, konieczna będzie zmiana sposobu przedstawiania zapotrzebowania na energię polegająca na zastąpieniu wskaźnika zapotrzebowania  na ciepło wskaźnikiem zapotrzebowania na energię pierwotną.

Piśmiennictwo
1. STAWICKA-WAŁKOWSKA M.: Procesy wdrażania zrównoważonego rozwoju w budownictwie. ITB. Warszawa 2001
1. Dyrektywa Europejska 2002/91/WE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków
2. Zielona Księga o efektywności energetycznej lub jak osiągnąć więcej zużywając mniejBruksela, 22 czerwca 2005 r.
3. Proposals for a Directive of the European Parliament and of the Council on the energy performance of buildings. Brussels, 11.5.2001 COM(2001) 226 final
4. POGORZELSKI J.A., KASPERKIEWICZ K., GERYŁO R.: Budynki wielkopłytowe - wymagania podstawowe. Zeszyt 11 - Oszczędność energii i izolacyjność cieplna przegród. Stan istniejący budynków wielkopłytowych. ITB. Warszawa 2003
5. PN-B/82-02020 Ochrona cieplna budynków. Wymagania i obliczenia
6. PN-B/91-02020 Ochrona cieplna budynków. Wymagania i obliczenia
7. Dokument interpretacyjny Wymaganie podstawowe no 6 "Oszczędność energii i ochrona cieplna. Officiel Journal of the European Communities No C62/148
8.  Energy Performance of Buildings - Calculation procedures used in European countries. ENPER - TEBUC. SAVE
9. Rozporządzenie Ministra Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie - tekst jednolity Dz. U. nr 15/99, poz. 140
10. PN-B-02025 Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego
11. PN-EN 832 Właściwości cieplne budynków. Obliczanie zapotrzebowania na energię do ogrzewania. budynki mieszkalne
12. Rose J., Svendsen S.: Classification of Low Energy Houses in Danish Building Regulation
13. Narodowy Spis Powszechny Ludności i Mieszkań 2002 r.
14. ROBAKIEWICZ M.: Termomodernizacja budynków i systemów grzewczych. Poradnik. Fundacja Poszanowania Energii. Warszawa 2002
15. KRAPMEIER H., DRÖSSLER E.: CEPHEUS - Living comfort without heating. Springer. Wien - New York