Termomodernizacja budynków. Ocena efektów energetycznych - ebook

1 Wprowadzenie

Oszczędzanie energii w dzisiejszych czasach staje się coraz większą koniecznością. Wynika to przede wszystkim z faktu, że jeszcze ciągle zdecydowana większość energii zużywanej w gospodarce światowej jest wytwarzana ze źródeł nieodnawialnych, takich jak: ropa naftowa, gaz i węgiel. Wyczerpywanie się łatwo dostępnych zasobów paliw kopalnych powoduje, że koszty ich wydobycia rosną, pociągając za sobą wzrost ich cen, a w konsekwencji również cen towarów i usług, do wytworzenia których energia jest niezbędna. Gwałtowne zmiany ceny ropy naftowej w krótkim okresie, spowodowane najczęściej ograniczeniem dostaw tego surowca na skutek wystąpienia sytuacji nadzwyczajnych w rejonie największego wydobycia, tzn. na Bliskim Wschodzie, były przyczyną kryzysów energetycznych, zapoczątkowanych spektakularnym kryzysem z 1973 r., którego skutki były tak dotkliwe, że w najbardziej uprzemysłowionych krajach czasowo wprowadzono ograniczenia w sprzedaży benzyny .

Emisja do atmosfery produktów spalania paliw kopalnych powoduje zanieczyszczenie powietrza, a także została uznana za główną przyczynę ocieplania się klimatu, co jest postrzegane jako poważne zagrożenie dla rozwoju, a nawet przetrwania naszej cywilizacji. Konsekwencje globalnego ocieplenia dotyczyć będą wszystkich regionów i krajów, ponieważ obszary mniej dotknięte destrukcyjnymi skutkami wzrostu temperatury atmosfery, takimi jak np.: podniesienie się poziomu wód w morzach lub pustynnienie obszarów upraw rolnych, staną się celem masowej migracji ludności z terenów dotkniętych takimi kataklizmami. Oprócz zmian mających charakter trwały, skutkiem ocieplenia klimatu jest zwiększenie częstotliwości występowania anomalii pogodowych, takich jak: gwałtowne śnieżyce lub ulewy, silne wiatry i burze. Przez analogię do kryzysów energetycznych zjawiska te można by nazwać „kryzysami klimatycznymi”, chociaż ich zasięg jest lokalny, a czas trwania krótszy. Ze względu na to, że ocieplenie klimatu jest zjawiskiem globalnym, działania zmierzające do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych są prowadzone pod egidą ONZ. Dotychczas jedynym wymiernym ich efektem było zawarcie traktatu międzynarodowego podpisanego w Kioto w 1997 r., zobowiązującego do ograniczenia ogólnej emisji gazów cieplarnianych do 2012 r. o 5,2% w stosunku do poziomu z 1990 r. Poziom tej redukcji w poszczególnych krajach został ustalony indywidualnie, a przyjęty przez kraje Unii Europejskiej wynosi 8% .

Negatywne skutki spalania paliw kopalnych można całkowicie wyeliminować stosując wyłącznie energię pochodzącą z odnawialnych źródeł, a częściowo ograniczyć zwiększając efektywność wykorzystania energii w procesach jej użytkowania. Obydwa te działania są elementami koncepcji zrównoważonego rozwoju, zgodnie z którą działalność człowieka powinna odbywać się w warunkach poszanowania środowiska naturalnego i jego zasobów, w celu zachowania tych dóbr dla przyszłych pokoleń . Zastępowanie energii pochodzącej ze źródeł nieodnawialnych, energią ze źródeł odnawialnych jest możliwe w tych krajach, które posiadają duże zasoby tej energii. W 2014 r. tylko w trzech krajach europejskich: Islandii, Norwegii i Szwecji udział energii odnawialnej w krajowym bilansie energetycznym przekroczył 50%, przy czym w dwu pierwszych z nich był rzeczywiście znaczący i wyniósł odpowiednio blisko 80 i 70%. Należy zaznaczyć, że w obydwu tych krajach już w 2005 r. 60% zużywanej energii pochodziło ze źródeł odnawialnych . W większości krajów UE, w najbliższej perspektywie, energia odnawialna nie stanie się podstawowym składnikiem bilansu energetycznego, a zatem źródłem zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych w tych krajach może być poprawa efektywności energetycznej wykorzystania energii.

Priorytetami polityki energetycznej Unii Europejskiej są przeciwdziałanie zmianom klimatycznym przez redukcję emisji gazów cieplarnianych oraz ograniczenie uzależnienia od importu surowców energetycznych. Ten drugi cel jest także niezwykle istotny, ponieważ w pierwszej dekadzie XXI wieku zależność UE od dostaw energii i surowców energetycznych spoza jej obszaru wzrosła o około 10% i w jej końcowym okresie przekroczyła poziom 50% . Bez poprawy efektywności wykorzystania energii, uzależnienie UE od importu surowców energetycznych może już niebawem wzrosnąć do 70%, co może doprowadzić do wystąpienia sytuacji kryzysowych stanowiących zagrożenie dla bezpieczeństwa energetycznego nie tylko poszczególnych krajów członkowskich, lecz całego regionu .

Oczekiwania w zakresie wdrażania rozwiązań przyjaznych dla środowiska i efektywnych energetycznie są w Unii Europejskiej coraz większe, o czym świadczy przyjęcie w 2008 r. pakietu klimatycznego-energetycznego. Cele tego pakietu są bardziej ambitne niż te zawarte w protokole z Kioto, ponieważ zakładają, że do 2020 r. Unia Europejska:

– dokona redukcji o 20% emisji gazów cieplarnianych w stosunku do poziomu emisji z 1990 r.,

– zwiększy udział zużycia energii pochodzącej z odnawialnych źródeł energii (OZE) do 20%, dla Polski ustalono 15%,

– zwiększy o 20% efektywność energetyczną w stosunku do prognoz na 2020 r.

Dwa pierwsze cele są oczywiste, natomiast trzeci sprowadza się do ograniczenia zużycia energii w 2020 roku poniżej wartości określonej jako 80% prognozowanego zużycia na ten rok. Wymaganie to odnosi się do energii pierwotnej, zawartej w nieodnawialnych i odnawialnych surowcach energetycznych przed ich przetworzeniem oraz energii końcowej dostarczanej do bezpośrednich użytkowników. Różnicę między ilością energii pierwotnej i końcowej zużywanej w danym kraju stanowią straty w procesie przetwarzania energii pierwotnej na energie pochodne, takie jak: energia elektryczna i ciepło oraz ich przesył do użytkowników końcowych. Poprawa efektywności energetycznej zużycia energii pierwotnej polega na zwiększeniu sprawności przetwarzania jej na energie pochodne i zmniejszeniu strat przesyłu, natomiast w odniesieniu do energii końcowej osiągana jest dzięki ograniczeniu jej zużycia u odbiorców.

Według danych Eurostatu Polska dotychczas dobrze realizuje cele określone w pakiecie klimatyczno-energetycznym . W 2014 roku redukcja emisji gazów cieplarnianych wyniosła 19,3%, udział energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto został osiągnięty w 76% celu wyznaczonego dla Polski. Zużycie energii pierwotnej było niższe niż poziom wyznaczony na rok 2020 o 2,6%, a energii końcowej aż o 14%. Na podstawie tych danych można by wyciągnąć wniosek, że realizacja pakietu klimatyczno-energetycznego w Polsce przebiega lepiej niż w UE, gdzie udział energii ze źródeł odnawialnych w bilansie wzrósł tylko do 16%, zużycie energii pierwotnej było wyższe niż założone w pakiecie klimatycznym o 1,6%, a energii końcowej mniejsze tylko o 2,3%. Jedynie ograniczenie emisji gazów cieplarnianych w UE o 22,9%, było wyższe niż w Polsce.

Jednak biorąc pod uwagę trendy i prognozy sytuacji energetycznej w Polsce na najbliższe lata okazuje się, że sytuacja nie przedstawia się już tak korzystnie i osiągnięcie wszystkich celów pakietu klimatyczno-energetycznego może być zagrożone. Przede wszystkim wzrost udziału energii wytwarzanej z OZE w latach 2005–2014 był wolny i wyniósł jedynie 4,25%, przy czym w 2014 r. odnotowano przyrost jedynie o 0,15%. Według prognozy bilansu energetycznego opracowanej w trakcie prac nad projektem dokumentu Polityka Energetyczna Polski do roku 2030, zużycie energii pierwotnej w 2030 r. będzie większe niż wyznaczone w pakiecie klimatyczno-energetycznym o 5,8%, a energii końcowej o 2% . Symptomem potwierdzającym możliwość wystąpienia takiego scenariusza było niewielkie, wynoszące 2,3%, zwiększenie zużycia energii pierwotnej w Polsce w 2014 r. w stosunku do 2005 r., podczas gdy w 25 krajach członkowskich uległo ono zmniejszeniu, średnio dla całej UE o 23%. Jeżeli taki scenariusz się sprawdzi, to żaden z celów wytyczonych w pakiecie klimatyczno-energetycznym nie zostanie przez Polskę spełniony, ponieważ przy małym wzroście udziału OZE w krajowym bilansie energetycznym wzrost wytwarzanej energii generowany będzie przez spalanie paliw kopalnych, co w następnych latach przyczyni się do wzrostu emisji gazów cieplarnianych, a zatem dobry wskaźnik redukcji emisji osiągnięty w 2014 r. ulegnie pogorszeniu.

Do celów statystycznych podziału energii pierwotnej dokonuje się ze względu na surowce energetyczne, z których jest ona wytwarzana. Natomiast podział energii końcowej przeprowadza się według obszarów gospodarki, w których następuje jej zużycie. Szacuje się, że w krajach rozwiniętych w budynkach zużywane jest około 40% energii końcowej, a udział pozostałych sektorów gospodarki tj. transportu i przemysłu wynosi po około 30% tej energii . W krajach UE do sektora budynków zalicza się budynki mieszkalne i usługi. Wynika to z faktu, że usługi są świadczone w budynkach i zwykle energia zużywana bezpośrednio do realizacji usługi, np. sprzedaży towarów, jest dużo mniejsza niż ilość energii zużywanej w celu zapewnienia warunków użytkowania w budynkach, w których usługi są świadczone, tzn. ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, podgrzewania wody i oświetlenia. Zatem struktura zużycia energii w budynkach usługowych i mieszkalnych jest podobna, a dyrektywa EPBD nałożyła na państwa członkowskie obowiązek ustanowienia wymagań energetycznych również dla budynków niemieszkalnych .

W Polsce w okresie po przemianach ustrojowych, które rozpoczęły się w 1989 r., nastąpiła znaczna zmiana struktury zużycia energii końcowej w poszczególnych sektorach. W 2014 r. w przemyśle konsumpcja energii końcowej była niższa o 40%, zaś w transporcie wyższa o 120% w porównaniu z 1990 r. Mniejsze zmiany miały miejsce w sektorze budynków, chociaż tutaj także nastąpił wzrost zużycia energii końcowej o ponad 15%. Z porównania zmian struktury zużycia energii końcowej w Polsce, Unii Europejskiej i Niemczech, kraju o klimacie najbardziej zbliżonym do polskiego, wynika, że tam również występowały podobne zjawiska, chociaż ich skala była mniejsza (rys. 1.1, 1.2 i 1.3).

W Polsce nastąpił również znaczny wzrost uzależnienia gospodarki od importu surowców energetycznych, chociaż nadal jest on mniejszy niż w Unii Europejskiej. W 2014 r. udział importu netto w całkowitym zużyciu energii pierwotnej wynosił 28,8%, a przed transformacją ustrojową w 1990 r. był on równy zaledwie 0,8%.

W prognozach dotyczących rozwoju gospodarki polskiej przewiduje się wzrost zużycia energii w sektorach przemysłu, transportu i usług . W związku z tym, realna możliwość obniżenia energochłonności polskiej gospodarki istnieje jedynie w sektorze budynków (przede wszystkim mieszkalnych).

Rys. 1.1. Porównanie zmniejszenia zużycia energii końcowej w przemyśle w Unii Europejskiej, Polsce i Niemczech, odniesione do 1990 r., oprac. K. Kasperkiewicz na podstawie danych Eurostatu

Rys. 1.2. Porównanie wzrostu zużycia energii końcowej w transporcie w Unii Europejskiej, Polsce i Niemczech, odniesione do 1990 r., oprac. K. Kasperkiewicz na podstawie danych Eurostatu

Rys. 1.3. Porównanie ilości energii końcowej zużywanej w budynkach w Unii Europejskiej, Polsce i Niemczech, odniesione do 1990 r., oprac. K. Kasperkiewicz na podstawie danych Eurostatu

W analizach statystycznych przyjmuje się, że energia dostarczana do budynków mieszkalnych jest zużywana na następujące cele:

– ogrzewanie pomieszczeń,

– ogrzewanie wody,

– gotowanie posiłków,

– oświetlenie,

– zasilanie urządzeń elektrycznych.

Największy udział w strukturze tego zużycia, wynoszący w 2012 r. 68,8%, ma ogrzewanie pomieszczeń. Zapotrzebowanie na energię zużywaną w instalacjach grzewczych zależy w znacznej mierze od rozwiązań technicznych zastosowanych w budynku, w związku z tym dzięki zastosowaniu nowoczesnych energooszczędnych rozwiązań technicznych, np. przegród zewnętrznych charakteryzujących się dużą izolacyjnością cieplną, wysokosprawnych źródeł ciepła lub efektywnych układów regulacji dostawy ciepła do ogrzewanych pomieszczeń, zapotrzebowanie to może być znacznie zmniejszone. Rozwiązania takie są stosowane przede wszystkim w budynkach nowo wznoszonych, które powinny odpowiadać wysokiemu standardowi energetycznemu określonemu w aktualnych przepisach budowlanych. Jednak wziąwszy pod uwagę fakt, że w okresie po przemianach ustrojowych w Polsce wybudowane zostało około 20% istniejących zasobów budowlanych, główny potencjał oszczędności energii w budynkach może stanowić modernizacja budynków wzniesionych wcześniej. Nie istnieją istotne ograniczenia natury technicznej w modernizacji starych zasobów budowlanych, ponieważ większość rozwiązań technicznych stosowanych obecnie można wykorzystać również w budynkach wcześniej wzniesionych. W Polsce proces modernizacji energetycznej budynków, głównie mieszkalnych, trwa już blisko 30 lat, w ciągu których opracowane zostały technologie poprawy jakości cieplnej elementów budynków, w związku z czym należałoby oczekiwać, że przyniósł już on znaczące efekty. Tymczasem z zagranicznych danych statystycznych wynika, że w Polsce dopiero w połowie drugiej dekady XXI wieku nastąpiło względne zmniejszenie zużycia energii końcowej w budynkach mieszkalnych w stosunku do 2000 r. Było ono jednak znacznie mniejsze nie tylko niż w Niemczech, ale również w całej Unii Europejskiej (rys. 1.4).

Rys. 1.4. Porównanie zmian zużycia energii końcowej w budynkach mieszkalnych w Polsce, Unii Europejskiej i Niemczech w XXI wieku, odniesione do poziomu z 2000 r., oprac. K. Kasperkiewicz na podstawie danych Eurostatu

Dane Eurostatu znajdują potwierdzenie w statystykach polskich, według których w latach 2005 – 2015 średnie zużycie energii na ogrzewanie w budynkach mieszkalnych jednorodzinnych i wielolokalowych, kształtowało się na poziomie, w przeliczeniu na kilowatogodziny, 140–190 kWh/m² (rys. 1.5) .

W 2009 r. nastąpiło kolejne zaostrzenie przepisów budowlanych w dziedzinie oszczędności energii i izolacyjności cieplnej , które jednak nie przyniosło znaczących efektów. Nowe budynki, odpowiadające tym wymaganiom, powinny charakteryzować się mniejszym wskaźnikiem zużycia energii na ogrzewanie niż budynki wzniesione wcześniej. Z kolei, przynajmniej w części budynków wzniesionych przed przemianami ustrojowymi, na skutek przeprowadzonej termomodernizacji, powinno również zmniejszyć się zużycie energii na ogrzewanie. Zatem wartość średniego wskaźnika zużycia energii na ogrzewanie w kolejnych latach powinna mieć wyraźną tendencję spadkową. Przytoczone wyżej dane statystyczne jednak tego nie potwierdzają, co świadczy o tym, że ani zaostrzanie wymagań energetycznych w odniesieniu do budynków nowo wznoszonych, ani wspieranie termomodernizacji budynków wcześniej wzniesionych nie przyniosło w Polsce do 2013 r. znaczących efektów w skali makroenergetycznej. Ograniczenie zużycia energii końcowej w budynkach jest jednak możliwe, o czym świadczą dane statystyczne dla Niemiec pokazane na rysunku 1.4. Skala tego zjawiska – obniżenie zużycia energii końcowej w 2014 r. aż o 21% w stosunku do 2000 r. – świadczy o tym, że w znacznej mierze jest ono wynikiem termomodernizacji budynków wzniesionych przed 2000 r. Zatem rezultaty poprawy jakości energetycznej budynków mogą być znacznie większe niż miało to miejsce w Polsce w ostatnich latach.

Rys. 1.5. Zużycie energii końcowej w gospodarstwach domowych w Polsce

W Polsce można znaleźć wiele publikacji w literaturze technicznej, przeznaczonych dla szerokiego grona odbiorców, dotyczących problematyki wykonawstwa robót termomodernizacyjnych, na przykład docieplenia ścian, czy dachów skośnych w poddaszach adaptowanych na pomieszczenia użytkowe. Jednak zdaniem autora pożytek dla właściciela czy zarządcy budynku z tego typu publikacji jest stosunkowo niewielki, ponieważ większość prac termomodernizacyjnych jest wykonywana przez wykwalifikowanych pracowników firm budowlanych lub rzemieślników, którzy na pewno mają większą wiedzę o tym jak należy wykonać poszczególne prace budowlane, niż osoba po lekturze artykułu w popularnych czasopismach poradnikowych. Natomiast osoba decydująca o przeprowadzeniu termomodernizacji w budynku powinna wiedzieć: jakie działania modernizacyjne przyniosą oczekiwany efekt w postaci ograniczenia zużycia energii w budynku, a tym samym obniżenie kosztów jego eksploatacji, bez obniżenia standardu użytkowania pomieszczeń oraz w jakiej kolejności działania te powinny być wykonane. Niniejsza książka jest poświęcona ocenie efektów energetycznych zabiegów termomodernizacyjnych przeprowadzanych w użytkowanych budynkach, przy czym skoncentrowano się głównie na ocenie możliwości ograniczenia zużycia ciepła do ogrzewania budynku. Podjęto w niej próbę wyjaśnienia przyczyn niewielkich efektów energetycznych tych działań w skali globalnej, jakie przyniosła dotychczasowa termomodernizacja budynków w Polsce oraz wskazania działań, które należy podjąć aby efekty te zwiększyć. Książka adresowana jest do specjalistów, którzy zajmują się projektowaniem przedsięwzięć termomodernizacyjnych, audytorów energetycznych i studentów wyższych uczelni technicznych, ale może okazać się pomocna także dla zarządców i właścicieli budynków, którzy zamierzają takie działania podjąć lub kontynuować. Znaczna część przeprowadzonych w niniejszej publikacji analiz może zostać również wykorzystana do oceny energetycznej budynków nowo wznoszonych.2 Terminologia

W niniejszej książce zastosowano terminy, które są podawane w normach PN, PN-EN i PN-EN ISO, polskich przepisach budowlanych oraz w literaturze technicznej.

Należy jednak zaznaczyć, że podstawowe pojęcie wykorzystywane w obliczeniach przepływu ciepła z ogrzewanej przestrzeni budynku do otoczenia, jakim jest strata ciepła nie zostało w tych dokumentach określone w sposób jednoznaczny. Pojęcie to powinno być stosowane w odniesieniu do ilości ciepła przepływającego różnymi drogami z przestrzeni ogrzewanej do środowiska zewnętrznego w określonym przedziale czasowym, na przykład miesiąc lub rok. Jednak w technice instalacyjnej od czasu, kiedy w budynkach zaczęto stosować instalacje centralnego ogrzewania, a więc od ponad stu lat, stratą ciepła nazywany jest strumień ciepła przepływającego z przestrzeni ogrzewanej do jej otoczenia, chociaż zgodnie z sensem fizycznym zjawiska wymiany ciepła powinno być stosowane w tym przypadku określenie strata mocy cieplnej pomieszczenia. Podejmowane próby wprowadzenia tego określenia, straty mocy cieplnej , nie powiodły się i nadal w dokumentach europejskich pojęcie strata ciepła stosowane jest nadal w odniesieniu do strumienia ciepła. Zapewne w celu wyeliminowania tej niejednoznaczności terminologicznej w normie PN-EN ISO 13790 wprowadzone zostało nowe pojęcie na określenie ilości ciepła przepływającego z budynku do otoczenia w określonym przedziale czasowym – ilość przenoszonego ciepła.

W związku z tym w niniejszej publikacji będą stosowane następujące określenia:

– ciepło przenoszone: w odniesieniu do ilości ciepła przepływającego z przestrzeni budynku do otoczenia, lub przyległej przestrzeni o niższej temperaturze wewnętrznej w określonym czasie; jednostką ciepła przenoszonego są kWh/miesiąc (kWh/rok),

– strata ciepła: w odniesieniu do strumienia ciepła przepływającego z przestrzeni budynku do otoczenia, lub przyległej przestrzeni o niższej temperaturze wewnętrznej w określonym czasie; jednostką strat ciepła jest: wat, W – stosowany w przypadku ogrzewanych pomieszczeń lub jego wielokrotność kilowat, kW – w odniesieniu do przestrzeni ogrzewanych lub całego budynku.

Jednak niejednoznaczności terminologicznych do końca nie da się uniknąć. Na przykład stosowane w rozporządzeniu w sprawie obliczania charakterystyki energetycznej budynku pojęcia sezonowych strat ciepła w systemie grzewczym odnoszą się do ilości, a nie do strumienia ciepła .

Do oceny energetycznej budynku są stosowane trzy wskaźniki rocznego zapotrzebowania na energię :

– użytkową:

, kWh/(m² · rok)

(2.1)

– końcową:

, kWh/(m² · rok)

(2.2)

– nieodnawialną energię pierwotną:

, kWh/(m² · rok)

(2.3)

gdzie:

Q_(u) – roczne zapotrzebowanie na energię użytkową w budynku, kWh/rok,

Q_(k) – roczne zapotrzebowanie na energię końcową dostarczaną do instalacji budynku, kWh/rok,

Q_(p) – roczne zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną, kWh/rok,

A_(f) – powierzchnia pomieszczeń o regulowanej temperaturze powietrza, m².

Energia użytkowa jest określana z bilansu energetycznego strefy ogrzewanej budynku. Energia końcowa dostarczana jest do instalacji grzewczej i podgrzewania wody w postaci nośników energii, takich jak gaz, olej opałowy lub węgiel oraz ciepła z sieci ciepłowniczych i energii elektrycznej. Nieodnawialna energia pierwotna jest równa energii końcowej uzyskiwanej z kopalnych surowców energetycznych powiększonej o dodatkowe nakłady tej energii potrzebne do wydobycia tych surowców i dostarczenia ich do budynku. Wielkość zapotrzebowania na tę energię oblicza się mnożąc zapotrzebowanie na energię końcową przez arbitralnie przyjęty w rozporządzeniu współczynnik nakładu nieodwracalnej energii pierwotnej.

Zatem używanie określenia zapotrzebowanie budynku na energię dość często stosowane w publikacjach technicznych, bez sprecyzowania o zapotrzebowanie na jaki rodzaj energii chodzi, jest również niejednoznaczne i prowadzić może do wyciągnięcia mylnych wniosków, jeśli na przykład porównuje się zapotrzebowanie na energię końcową w jednym kraju z zapotrzebowaniem na energię użytkową w drugim. Wnioski wyciągane na podstawie takiego porównania będą oczywiście fałszywe. W tej książce jest przestrzegane precyzowanie rozpatrywanego rodzaju energii.