Optymalizacja w procesie projektowania i głębokiej termomodernizacji

Autorzy:

dr inż. Arkadiusz Węglarz

mgr inż. Jerzy Żurawski – Główny Inżynier Adenergo Sp. z o.o.

Budownictwo optymalne.

W ostatnich latach jak „grzyby po deszczu” pojawiały się różne idee i koncepcje energetyczne dla budowania budynków energooszczędnych. Proponowane są idee budowania w oparciu o zasady zrównoważonego rozwoju z wykorzystaniem LCA. Budynki są oceniane za pomocą różnych metod wielokryterialnej oceny i uzyskują certyfikaty:  Leed, Breeam … Jak się okazało pozytywne oceny uzyskują również budynki o niezadowalającej charakterystyce energetycznej, czyli te które nie zostałyby uznane za energooszczędne. W krajach UE w najbliższym czasie powinniśmy budować tylko  budynki zerenergetyczne lub niemal zeroenergetyczne. Istnieje też możliwość, że korzystania z analiz ekonomicznych w cyklu życia budynku lub elementów, rozwijając koncepcję budowy budynków optymalnych pod względem ekonomicznym i technicznym.

Optymalizacja – przymus czy przywilej?

Wprowadzono w 2013 roku nowe wymagania w zakresie jakości energetycznej budynków [1]. W tabeli poniżej zamieszczono wymagania, które będą obowiązywać od 2019  roku dla budynków użyteczności publicznej oraz od 2021 dla wszystkich budynków. Przyjęte graniczne wartości EP powinny być wyznaczone w oparciu o analizy opłacalności ekonomicznej. Jak pokazuje praktyka, zaproponowane rozwiązania w większości przypadków nie odpowiadają wartością optymalnym.

Tabela 1. Wartości graniczne EP wg WT2013 [1] obowiązujące od 2019 (2021)

Rodzaj budynku	EPH+W	DEPC	DEPL		Σ EP
	kWh/m2rok	kWh/m2rok	kWh/m2rok		kWh/m2rok
			od	do	od	do
Jednorodzinne	70	25			95
Wielorodzinne	65	25			90
Zamieszkania zbiorowego	75	25	25	50	125	150
Użyteczności publicznej	45	25	25	50	95	120
Opieki zdrowotnej	190	25	25	50	240	265
Magazynowe, produkcyjne, gospodarcze	70	25	25	50	120	145

Wśród inwestorów zdecydowanie największym zainteresowaniem cieszą cię budynki optymalne, to znaczy takie, których koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne są odpowiednio zrównoważone o najkrótszym czasie zwrotu poniesionych nakładów. Poziom optymalny pod względem kosztów oznacza taki poziom charakterystyki energetycznej, który skutkuje najniższym kosztem w trakcie szacunkowego ekonomicznego cyklu życia budynku lub elementu, przy czym najniższy koszt jest określany z uwzględnieniem wszystkich kosztów występujących w procesie budowy:

• koszty realizacji inwestycji,
• koszty eksploatacyjne w tym: utrzymania i niezbędnych serwisów,
• w stosownych przypadkach koszty demontażu, rozbiórki i utylizacji.

Poziom optymalny pod względem kosztów oznacza charakterystykę energetyczną, dla której analiza kosztów i korzyści przeprowadzona dla szacunkowego ekonomicznego cyklu życia daje najkorzystniejszy pod względem ekonomicznym wynik oceny. Przykładem może być analiza optymalizacji rozwiązań mających wpływ na jakość energetyczną wykonana w programie Optima wykonana dla domu jednorodzinnego o powierzchni użytkowej – 128 m2 zasilanego ciepłe z oleju opałowego. Celem analizy było wskazanie najkorzystniejszych pod względem ekonomicznym i technicznym rozwiązań. Wyniki analiz zamieszczono poniżej.

Globalne koszty budynków i elementów budynków są obliczane przez zsumowanie różnego rodzaju kosztów i stosowana jest stopa dyskontowa, w celu odniesienia ich do roku początkowego, następnie

dodawane są koszty inwestycyjne, zgodnie z zależnością poniżej [4]:

gdzie:

C_g(τ) koszt globalny (odniesiony do roku początkowego roku τ0)

C_I początkowe koszty inwestycji na działania lub pakietów działań j

C_a,i(j) roczne koszty eksploatacji w roku i na działania lub pakiet działań j

R_d (i) stopa dyskonta w roku I

V_f,τ(j) wartość końcowa działania lub zestawu działań j na koniec okresu obliczeniowego (w odniesieniu do roku rozpoczęcia τ₀), które zostaną określone przez prostą amortyzację inwestycji do końca okresu obliczeniowego, w okresie rozliczeniowym.

Powyższy wzór nie uwzględnia wpływu wzrostu cen nośników energii na koszt globalny, co przy zazwyczaj długim czasie korzystania z efektów ma wpływ na określenie rozwiązań optymalnych. W dalszej analizie uwzględnione będzie również i ten czynnik. W związku z tym istotną informacją jest czas korzystania z efektów. Najczęściej odnosi się on do okresu po którym przewiduje się kapitalny remont budynku lub wymianę elementu budynku mającego wpływ na jego efektywność energetyczną.

Tabela 2. Analiza opłacalności dla budynku jednorodzinnego w odniesieniu do minimalnych wymagań prawnych [4]

Rodzaj	Parametr	jednostka	Stan początkowy umożliwiający spełnienie wymagań WT2013	Wymagania wg WT2013	Parametry optymalne
Ściana	U	W/m2K	0,182	0,250	0,141
Dach	U	W/m2K	0,168	0,200	0,198
Podłoga na gruncie	U	W/m2K	0,249	0,300	0,249
Okna	U	W/m2K	1,15	1,30	1,1/1,3**
	g		0,63/0,35*	0,63	0,63/0,19**
Drzwi	U	W/m2K	1,50	1,70	1,30
Wentylacja	h		rekuperator 75%	min. 50%	rekuperator 75%
Kotłownia	h		olejowa kondensacyjna		pompa ciepła
ciepła woda			olejowa kondensacyjna		pompa ciepła
EP			124,30	125,00	99,50
Całkowite koszty inwestycji		zł/rok	372 000,0		387 510,0
Całkowite koszty energii		zł/rok	3797		2056
Koszty energii		zł/m2rok	2,91		1,58
Zwiększone koszty inwestycji		zł			15 510,00
Zwiększone koszty inwestycji		zł/m2			143,61
Dynamiczny czas zwrotu	DPBT	lata			8,20

*okna w pomieszczeniach ogrzewanych i chłodzonych o g=0,35 usytuowane na: wschód południe i zachód

**Okna w pomieszczeniach ogrzewanych i chłodzonych wyposażone w osłony przeciwsłoneczne sterowane automatycznie o fc=0,19 usytuowane na wschód, południe i zachód.

Szacunkowy ekonomiczny cykl życia można odnosić się do trwałości poszczególnych elementów budynku lub przewidywanego czasu, po którym wymagany będzie kapitalny remont budynku.

Niezbędne staje się określanie optymalnych parametrów energetycznych budynku, które pozwalają wskazać  najkorzystniejsze pod względem ekonomicznym oraz technicznym rozwiązania uwzględniając:

• lokalizację budynku,
• sposób użytkowania,
• trwałość przyjętych rozwiązań określający przez ekonomiczny cykl życia,
• koszty inwestycyjne eksploatacyjne: użytkowania, serwisu, rozbiórki i utylizacji,
• prognozowaną utratę wartości pieniądza oraz wzrost cen nośników energii.

Przy uwzględnieniu wszystkich lokalnych uwarunkowań należy liczyć się z tym, że parametry optymalne mogą być różne dla: różnych sposobów użytkowania, zasalania w energię zastosowanych materiałów i ich trwałości oraz lokalizacji.

Tabela 3. Wpływ lokalizacji na optymalne wartości współczynnika przenikania ciepła [4].

Optymalna wartość współczynnika przenikania ciepła:	jednostka	WT2013	Legnica	Warszawa	Suwałki
U ścian	W/m2K	0,25	0,131	0,126	0,116
U dachu	W/m2K	0,2	0,129	0,124	0,112
U okien	W/m2K	1,3	1,2	1,2	1
U drzwi	W/m2K	1,7	1,4	1,4	1,2

Z powyższych analiz wynika, że wyznaczenie parametrach energetycznych elementów przegród powinno być wykonywane indywidualnie.

Analizy energetyczne i ekonomiczne we wczesnym etapie projektowania.

Na etapie koncepcji niezbędne jest wstępne określenie podstawowych parametrów energetycznych oraz możliwości wykorzystania OZE. Na tym etapie bardzo często prowadzone są najważniejsze uzgodnienia dotyczące zakresu projektu budowlanego i jeżeli jest to możliwe również uzgodnienia w zakresie kosztów eksploatacji. Dla inwestora najważniejsza jest relacja pomiędzy kosztami inwestycji a kosztami eksploatacji. Poszukiwanie rozwiązań uzasadnionych ekonomicznie staje istotnym elementem procesu projektowego, choć nadal niedocenianym przez inwestorów.

Przykłady optymalizacji w procesie głębokiej termomodernizacji

Podejmowanie decyzji w oparciu o wyłamania opisane w Prawie budowlanym mogą odbiegać od rozwiązań optymalnych. Omówmy przypadek budynku który został podany głębokeij termomodernizacji. Budynek poddany głębokiej termomodernizacji to budynek użytkowane przez Dolnośląskie Organizacje Ekologiczne – EkoCetrum. Budynek zlokalizowany we Wrocławiu o łącznej powierzchni użytkowej 382 m2 i kubaturze 1016 m3. Budynek wykonany po II wojnie światowej w technologii tradycyjnej. Ogrzewany za pomocą kotła na węgiel. Ciepła woda przygotowywany za pomocą elektrycznych podgrzewaczy pojemnościowych. Zadaniem wstępnej analizy było określenie optymalnych pod względem koszów inwestycyjnych i eksploatacyjnych oraz wskazanie rozwiązań optymalnych.

Budynek w stanie początkowym charakteryzował się niezadowalającą jakością energetyczną. Szczegóły dotyczące stanu początkowego, wariantu spełniającego aktualne minimalne wymagania prawne oraz wariantu dla którego wyznaczono rozwiązania optymalne zamieszczono w tabeli poniżej.

Tabela 4.  Parametry techniczne budynku Ekocentrum przez termomodernizacyjną mające wpływ na jakość energetyczną budynku [4].

Rodzaj	Parametr	jednostka	Stan początkowy Ekocentrum
Ściana	U	W/m2K	1,167
Dach	U	W/m2K	0,845
Podłoga na gruncie	U	W/m2K	0,867
Okna	U	W/m2K	3
	g		0,75
Drzwi	U	W/m2K	3,6
Wentylacja	h		naturalna
Kotłownia	h		kotł. węglowa h=60%
Sterowanie			ręczne
ciepła woda			podgrzewacze ele.

Ostatecznie istniejący budynek charakteryzował się następującymi wskaźnikami energetycznymi.

Tabela 5. Jakość energetyczna budynku Ekocentrum przed termomodernizacją [4].

Wskaźnik zapotrzebowania na energię	jednostka	Stan początkowy
EP na ogrzewanie i wentylację	kWh/m2rok	586,3
EP na ciepłą wodę użytkową	kWh/m2rok	11,9
EP na oświetlenie	kWh/m2rok	114,75
EP	kWh/m2rok	712,95

Wybór optymalnych rozwiązań w przypadku głębokiej termomodernizacji.

Na potrzeby koncepcji a następnie projektu głębokiej termomodernizacji wykonano optymalizację rozwiązań w zakresie efektywności energetycznej wykorzystując następujące wskaźniki analizy ekonomicznej:

• wartość bieżącą netto – NPV uwzględniając stały wzrost cen nośników energii oraz utratę pieniądza w czasie,
• statyczny i dynamiczny czas zwrotu – SPBT i DPBT uwzględniając stały wzrost cen nośników energii oraz utratę pieniądza w czasie,

Do optymalizacji przyjęto następujące założenia:

• trwałość przyjętych rozwiązań odpowiednio: pompa ciepła – 20 lat, przegrody budowlane – 30 lat, dla oświetlenia LED przyjęto trwałość 50 000 h (25 lat)
• stopa dyskonta 3%/rok
• wzrost cen nośników energii 5%/rok
• w stanie początkowym ogrzewanie realizowane z kotła węglowego przy cenach węgla 850 zł/t i cenach energii elektrycznej 55 gr/kWh

Zestawienie parametrów optymalnych oraz spełniających minimalne wymagania prawne zamieszczono poniżej:

Tabela 6. Porównanie parametrów energetycznych Ekcentrum w stanie istniejącym i poddanym optymalizacji [4].

Rodzaj	Parametr	jednostka	Stan początkowy Ekocentrum	Termomodernizacja spełniające wym. WT2013 [1]	Głęboka termomodernizacja oparta o parametry optymalne
Ściana	U	W/m2K	1,167	0,249	0,126
Dach	U	W/m2K	0,845	0,198	0,124
Podłoga na gruncie	U	W/m2K	0,867	0,296	0,254
Okna	U	W/m2K	3	1,3	1,2
	g		0,75	0,6	0,63
Drzwi	U	W/m2K	3,6	1,5	1,4
Wentylacja	h		naturalna	rekuperator 50%	rekuperator 85%
Kotłownia	h		kotł. węglowa h=60%	pompa ciepła COP=3,8	pompa ciepła COP=3,8
Sterowanie			ręczne	automatyczne	automatyczne
ciepła woda			podgrzewacze ele.	pompa ciepła	pompa ciepła

Podsumowanie wyników optymalizacji w procesie głębokiej termomodernizacji.

Optymalne wartości współczynników przenikania ciepła charakteryzują się znacznie niższymi wartościami do aktualnych wymagań prawnych. Optymalne wartość U dla ściany wynosi U=0,126 W/m2k, dla dachu U = 0,124 W/m2K i są zdecydowanie niższe niż określone w WT2013. Dla podłogi na gruncie optymalna wartość U jest niewiele lepsza niż określona w WT2013 i wynosi U=0,254 W/m2K. Optymalne parametry dla okien nie odbiegają znacząco od minimalnych wymagań prawnych. Ostatecznie budynek o optymalnej charakterystyce energetycznej charakteryzuje się następującymi wartościami wskaźników nieodnawialnej energii pierwotnej EP:

Tabela 7. Jakość energetyczna budynku Ekocentrum przed termomodernizacją i po optymalizacji [4].

Wskaźnik zapotrzebowania na energię	jednostka	Stan początkowy	Termomodernizacja spełniające wym. WT2013 [1]	Głęboka termomodernizacja oparta o parametry optymalne
EP na ogrzewanie i wentylację	kWh/m2rok	586,3	71,2	44,2
EP na ciepłą wodę użytkową	kWh/m2rok	11,9	7,3	7,3
EP na oświetlenie	kWh/m2rok	114,75	76,5	61,2
Razem EP	kWh/m2rok	712,95	155	112,7
EP wg WT2013	kWh/m2rok	178,5

W budynku o optymalnej charakterystyce energetycznej zmniejszono zużycie energii nieodnawialnej pierwotnej o 84,2% a w budynku spełniającym minimalne wymagania prawne o 78,3%.  Dynamiczny czas zwrotu inwestycji dla budynku spełniającego minimalne wymagania prawne wynosi DPBT = 15,3 lat, dla budynku optymalnego DPBT = 12,5 lat. Wybór rozwiązań w oparciu o optymalizację jest ze względu na efektywność energetyczną i ekonomiczną działaniem korzystniejszym i

Tabela 8. Analiza ekonomiczna błędnikiem termomodernizacji [4]

Rodzaj danych		jednostka	Stan początkowy	Termomodernizacja spełniające wym. WT2013 [1]	Głęboka termomodernizacja oparta o parametry optymalne
EP		kWh/m2rok	712,95	155	112,7
Całkowite koszty energii		zł/rok	27 934	9163	6423
Całkowite koszty energii		zł/m2rok	8,31	2,73	1,91
Oszczędności eksploatacyjne		zł/rok		18770,84	21510,87
Zwiększone koszty inwestycji		zł		167440	312876
Zwiększone koszty inwestycji		zł/m2rok			1117
Dynamiczny czas zwrotu	DPBT	lata		15,3	12,5

Optymalizacja stolarki budowlanej oraz przegród budowlanych budynkach ogrzewanych i chłodzonych.

W procesie optymalizacji budynku szczególne znaczenie nabiera poszukiwanie rozwiązań optymalnych dla nowych budynków ogrzewanych i chłodzonych o dużej powierzchni przegród przeźroczystych. Jest to działanie niezwykle skomplikowane zwłaszcza na wstępnym etapie projektowania. Budynki spełniające aktualne wymagania prawne charakteryzują się niewielką zdolnością rozpraszania energii latem. Błędnie przyjęte rozwiązania mogą przynieść nieprzewidziane konsekwencje, zwłaszcza, że charakterystykę energetyczną wykonuje się zazwyczaj na końcu projektu. W najgorszym przypadku trzeba będzie przeprojektować budynek. Analizy wykonano dla nowego budynku biurowego przy założeniach:

• lokalizacja: Warszawa,
• powierzchnia użytkowa 3780 m2
• powierzchnia przegród przeźroczystych stanowi 30% powierzchni użytkowej budynku,
• ogrzewanie z  kotła gazowego kondensacyjnego,
• chłodzenie powietrzem z agregatu chłodniczego,
• trwałość przyjętych rozwiązań odpowiednio: pompa ciepła – 20 lat, przegrody budowlane – 30 lat,
• stopa dyskonta 3%/rok
• wzrost cen nośników energii 5%/rok

Tabela 9. Wyniki optymalizacji stolarki budowlanej dla okien zlokalizowanych w kierunkach: N, E, W, S w pomieszczeniach ogrzewanych oraz ogrzewanych i chłodzonych [4].

Typ pomieszczeń	Położenie	Wymagania wg. WT 2014		Optymalne  okna bez osłon przeciwsłonecznych			Optymalne okna z  osłonami przeciwsłonecznymi sterowanymi automatycznie
		Umax	g	U opt.	g	DPBT	U opt.	g-zima /g-lato	DPBT
		W/m2K		W/m2K		lata	W/m2K		lata
ogrzewane	N	1,3	0,63	1,13	0,63	16,6	1,13	0,63/0,19	16,6
ogrzewane i chłodzone		1,3	0,63	0,85	0,33	14	1,3	0,63/0,19	6,8
ogrzewane	E	1,3	0,35	1,13	0,63	16,6	1,13	0,63/0,19	16,6
ogrzewane i chłodzone		1,3	0,35	0,85	0,33	12,5	1,3	0,63/0,19	5,8
ogrzewane	W	1,3	0,35	1,13	0,63	16,6	1,13	0,63/0,19	16,6
ogrzewane i chłodzone		1,3	0,35	0,85	0,33	13	1,3	0,63/0,19	6,1
ogrzewane	S	1,3	0,35	1,13	0,63	16,6	1,13	0,63/0,19	16,6
ogrzewane i chłodzone		1,3	0,35	0,85	0,33	13,8	1,3	0,63/0,19	5,7
Wpływ efektywności energetycznej okien na jakość energetyczną budynku –  EP	kWh/m2rok	194		186,6		14,2	186,8		9,9

Optymalizacja źródła energii z wykorzystaniem OZE.

Optymalizacja parametrów energetycznych wszystkich elementów budynku zależy od sprawności systemu, ilości energii pomocniczej oraz ceny ciepła w stanie przed oraz od sprawności systemu, ilości energii pomocniczej oraz ceny ciepła dla analizowanego źródła ciepła. Zupełnie inne parametry zostaną wyznaczone jako optymalne gdy kosztach ciepła są wysokich a inne gdy niskich.

Tabela 10. Zależność kosztów ciepła i parametrów optymalnych izolacyjności termicznej przegród budowlanych [4].

Źródło energii	Af	EU H+W	EPH	EPC.W.U.	Σ EP	U optymalne dla ściany
	m2	kWh/m2rok	kWh/m2rok	kWh/m2rok	kWh/m2rok	W/m2K
Węgiel + energia elektryczna na c.w.u. przy cenie ciepła 44 zł/GJ	108,8	51,2	76,9	80,2	157,1	0,130
Elektrociepłownia, przy cenie ciepła 50 zł/GJ	108,8	51,2	49,2	29,3	78,5	0,119
Kotłownia na biomasę + en. elektryczna na c.w.u. przy cenie ciepła 38 zł/GJ	108,8	51,2	35,6	60,2	95,8	0,182
Kotłownia na propan przy cenie ciepła 88 zł/GJ	108,8	51,2	61,4	43	104,4	0,092
Kotłownia na propan + powietrzna pompa ciepła na c.o. i c.w.u. przy cenie ciepła 79 zł/GJ	108,8	51,2	61,7	48,5	110,2	0,1
Kotłownia na gruntową pompę ciepła przy cenie ciepła 45 zł/GJ	108,8	51,2	50,7	39,1	89,8	0,129

Wykonane analizy potwierdziły istotny sprawności źródła ciepłą oraz kosztów ciepła na ocenę energetyczną oraz parametry optymalne poszczególnych elementów budynku. Przy wysokiej cenie ciepła wartości optymalne współczynnik przenikania ciepłą ściany są zdecydowanie niższe.

Budynek optymalny energetycznie-podsumowanie

Wykonane analizy ekonomiczno-techniczne wykazały, że zarówno przy realizacji głębokiej termomodernizacji jak i przy projektowaniu nowych budynków wyznaczenie optymalnych parametrów energetycznych budynku jest pożądane pod każdym względem:

• optymalizacja pozwala określić ekonomicznie uzasadnione parametry energetyczne istniejących budynku poddawanych głębokiej termomodernizacji oraz wyznaczyć optymalną wartość EP,
• podejmowanie decyzji i wybór rozwiązań powinien być oparty o analizy ekonomiczno-techniczne w oparciu o uwzględniające utratę wartości pieniądza, wzrost cen nośników energii, trwałość rozwiązań, koszty eksploatacyjne, koszty serwisu i naprawa, koszty inwestycyjne oraz rozbiórki i utylizacji,
• wartości sugerowane w Prawie budowlanym w większości przypadków nie odpowiadają obliczonym wartościom optymalnym,
• do wyznaczenia optymalnych wartości poszczególnych elementów budynku niezbędna jest znajomość: trwałość, koszty serwisu, koszty rozbiórki i utylizacji,
• na etapie projektowania koncepcji nowego jak i termomodernizowanego budynku niezbędne jest wyznaczanie wartości optymalnych elementów mających wpływ na jakość energetyczną budynku.

Literatura:

[1]    Warunki techniczne

[2]    Prawo budowlane

[3] Strategia modernizacji budynków: mapa drogowa 2050, praca zbiorowa, styczeń 2015

[4]    Metodologia kosztów optymalnych– co nam szykuje Unia? Aleksander Panek, Energia i Budynke

[5]    Do analiz wykorzystano program komputerowy Optima 4, autorzy Łukasz Dobrzański, Jerzy Żurawski