Zmiany obciążeń cieplnych budynków niemal zero – energetycznych i ich wpływ na topologię układów grzewczych

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA

Zakład Ogrzewnictwa, Klimatyzacji i Ochrony Powietrza

mgr inż. Lidia GRZEGORCZYK

Zmiany obciążeń cieplnych budynków niemal zero – energetycznych i ich wpływ

na topologię układów grzewczych

Praca doktorska

Promotor: Prof. dr hab. Inż. Edward SZCZECHOWIAK Promotor pomocniczy: dr inż. Katarzyna RATAJCZAK

Poznań, 2019

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 2 z 118

Podziękowania

Pragnę złożyć serdeczne podziękowania Panu Profesorowi dr hab. inż. Edwardowi Szczechowiakowi za nieocenioną pomoc udzieloną w trakcie przygotowywania pracy doktorskiej, cierpliwość i wyrozumiałość oraz motywację do krytycznego spojrzenia na problematykę badawczą. Szczególne podziękowania pragnę złożyć Panu Profesorowi za pomoc w jasnym formułowaniu myśli naukowej oraz inspirację do zgłębiania zagadnień naukowych.

Podziękowania dla Veolia Energia Poznań S.A. za udostępnienie danych, które były podstawą analiz w pracy.

Szczególne podziękowania mojej Rodzinie oraz Przyjaciołom.

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 3 z 118

Streszczenie

W rozprawie przedstawiono dotychczasowe sposoby wyznaczania zapotrzebowania ciepła na cele grzewcze i podgrzewania ciepłej wody użytkowej w budynkach wielorodzinnych, znajdujących się w przestrzeni miejskiej, których źródłem zasilania może być węzeł cieplny podłączony do miejskiej sieci cieplnej lub kocioł.

Rozporządzenie Ministra ds. Budownictwa z dnia 2013r. [70] wprowadziło wymagania w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.

Wymagania te dotyczą budynków, które od 2021 roku muszą spełniać standardy budynków o niemal zerowym zużyciu energii. Zaproponowane zmiany w Rozporządzeniu [70] wymagają wprowadzenia zmian nie tylko dot. parametrów charakterystyki energetycznej budynku, ale przede wszystkim zmiany w sposobie projektowania instalacji grzewczych oraz jego źródle.

W dotychczasowym opisie stanu techniki, znaczna większość budynków wielorodzinnych w miastach oparta jest na systemach centralnych, w których często instalacje grzewcze oraz c.w.u., generują znaczące straty ciepła. Dotyczy to szczególnie instalacji znajdującej się poza osłoną izolacyjną budynku. Generowane straty są duże zwłaszcza w instalacjach c.w.u., co widoczne jest w budynkach o coraz mniejszym zapotrzebowaniu na ciepło na cele c.o.

W rozprawie przeprowadzono walidację modelu obliczeniowego wykorzystywanego do obliczania charakterystyki energetycznej, który uwzględnia zjawiska zachodzące w układach grzewczych wewnątrz i na zewnątrz osłony izolacyjnej, oparte o normę PN-EN ISO 52016-1 [57]. Wykorzystano dane dla rzeczywistych budynków znajdujących się w Poznaniu, pochodzących od dystrybutora i producenta energii Veolia Energia Poznań SA. Walidacja obliczeń wykazała, że zastosowany model w przedziałach miesięcznych jest niewystarczający do kontrolowania strat pochodzących od instalacji c.o. oraz c.w.u. Dlatego, przeprowadzono symulacje, które uwzględniają szczegółowe obliczenia.

Do przeprowadzenia symulacji dla budynków nowej generacji wykorzystano metodę godzinową, która pozwala dokładniej wyznaczyć zapotrzebowanie na ciepło budynku, uwzględniając jednocześnie straty pochodzące od instalacji grzewczych oraz c.w.u.

znajdujących się wewnątrz oraz na zewnątrz osłony izolacyjnej budynku. Uzyskane wyniki

pokazują, że w przypadku stosowania tradycyjnego podejścia do projektowania instalacji dla

budynków w układach centralnych, straty ciepła instalacji c.w.u. niekiedy przewyższają

zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania. Analiza doświadczeń w niniejszej pracy pokazuje,

że stosowanie tego samego rozwiązania dla budynków nowej generacji od 2021 roku

powoduje, że straty wynikające z instalacji c.w.u. znacząco przewyższają zapotrzebowanie na

ciepło na cele c.o. oraz powodują przegrzewanie budynków. W związku z tym, istnieje

konieczność zmiany topologii układu instalacji z centralnego na zdecentralizowany. Powoduje

to konieczność zmiany sposobu zasilania budynku w ciepło na cele c.o. i c.w.u., szczególnie

w budynkach nowej generacji o małych stratach ciepła przez przenikanie. Zastosowanie

układu zdecentralizowanego w budynkach powoduje zmniejszenie strat pochodzących od

instalacji c.o., c.w.u. oraz wentylacji, a jednocześnie wpływa na poprawę efektywności

energetycznej budynków.

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 4 z 118

Summary

Topic: Changes in thermal loads of nearly zero energy buildings and their impact on topology of heating systems

The dissertation presents the current ways of determining the heat demand for heating purposes in multi-family buildings that are located in urban space, the power source of which is a thermal center connected to the municipal heating network.

The ordinance of the Minister of Construction of July 5, 2013 [70] introduced requirements on technical conditions that should be met by buildings and their location. These requirements apply to buildings that have to meet building standards with almost zero energy consumption since 2021. The proposed changes in the Regulation require changes not only to the parameters of the energy performance of the building, but above all changes in the design of heating installations and its source.

As shown in the prior art description, the vast majority of multi-family buildings in cities are based on central systems, in which often heating installations generate significant heat losses, especially that part of the installation outside the thermal shield of the building. The generated losses are especially high in hot-water systems, which is visible in buildings with a lower demand for heat for c.o.

The dissertation validated the calculation model used to calculate the energy performance, which takes into account the phenomena occurring in heating systems inside and outside the balance shield based on PN-EN ISO 52016-1 [57]. Data were used for real buildings located in Poznań, coming from the distributor and producer of energy Veolia Energia Poznań SA. Validation of calculations showed that the model in monthly intervals is insufficient to control installation losses. In connection with the above, simulations have been carried out that include detailed calculations.

In order to carry out the simulation for new-generation buildings, the hourly method was used, which allows to more accurately determine the heat demand of the building, taking into account also losses from heating and hot water systems. inside and outside the building's insulation cover. The obtained results show that in the case of traditional approaches to the design of installations for buildings in central systems, heat losses of hot-water systems.

sometimes they exceed the heating demand for heating. The analysis of the experiments in

this work shows that the use of the same solution for new generation buildings from 2021

causes losses resulting from the installation of hot and cold water. significantly exceed the heat

demand for c.o. At the same time, losses from the c.o. and c.w.u. they cause buildings to

overheat. Therefore, there is a need to change the layout of the installation from central to

decentralized. This makes it necessary to change the way the building is powered in the heat

for c.o. and hot-water, especially in new generation buildings with low heat losses by

penetration. The use of a decentralized system in buildings results in a reduction of losses

resulting from the installation of c.o., c.w.u. and ventilation, and at the same time it improves

the energy efficiency of buildings.

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 5 z 118

Spis treści

1. Wprowadzenie ... 8

2. Ewolucje potrzeb cieplnych budynków ...10

2.1 Zmiany w zakresie efektywności energetycznej w budownictwie ...10

2.2 Budynki nowej generacji ...18

2.3 Wyzwania technologiczne budynków nowej generacji ...21

3. Cel, zakres pracy, teza ...26

4. Przegląd wiedzy dotyczący modelowania budynków i instalacji grzewczych ...27

4.1 Zasady modelowania cieplnego budynków ...27

4.2 Analiza doświadczeń w zakresie symulacji ...32

4.3 Wybór metody modelowania ...37

5. Model obliczeniowy i walidacja doświadczalna ...40

5.1 Metoda miesięczna ...40

5.2 Metoda godzinowa...45

5.3 Zapotrzebowanie na ciepło do podgrzewania c.w.u. ...48

5.4 Zużycie ciepła w budynkach istniejących dla c.o. i c.w.u. ...50

5.5 Zapotrzebowanie na ciepło w budynkach niemal zero – energetycznych ...60

6. Modelowanie budynków niemal zero – energetycznych ...67

6.1 Analiza strat dystrybucji ciepła ...67

6.2 Analiza strat ciepła w modelu dla układu centralnego ...69

6.3 Analiza strat w modelu dla układu zdecentralizowanego...72

6.4 Wyniki analizy zapotrzebowania ciepła i strat ciepła ...74

6.6 Wnioski z analiz symulacji zapotrzebowania na ciepło c.o. oraz c.w.u. dla budynków nZEB ...89

7. Kierunki zmian dla źródeł ciepła dla instalacji grzewczych i źródeł ciepła ...90

7.1 Rekomendowane struktury instalacji grzewczych w systemach zdala czynne ...90

7.2 Rekomendowane struktury źródeł ciepła autonomicznych ...92

8. Wnioski ………95

9. Załączniki ...98

10. Literatura... 109

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 6 z 118

Symbole

A k powierzchnia przegród zewnętrznych [m ² ]

C m pojemność cieplna budynku [W]

c w ciepło właściwe wody [J/kgK]

D z średnica zewnętrzna przewodu [m]

f c współczynnik redukcji promieniowania ze względu na zastosowanie urządzenia przeciwsłonecznego

[-]

H tr współczynnik strat ciepła przez przenikanie [W/K]

H ve współczynnik straty ciepła przez wentylację [W/K]

I sol zyski ciepła od promieniowania słonecznego [kWh/m-c]

k t mnożnik korekcyjny dla temperatury c.w.u. innej niż 55 ^o C [-]

l i długość i – tego odcinka sieci ciepłej wody użytkowej [m]

L i liczba osób [os.]

Q (H+W)K energia końcowa na potrzeby przygotowania ciepłej wody

użytkowej oraz centralnego ogrzewania z uwzględnieniem zysków wewnętrznych od instalacji c.w.u.

[kWh/rok]

Q H,K(e) energia końcowa na potrzeby centralnego ogrzewania [kWh/rok]

Q H,K(i) energia końcowa na potrzeby centralnego ogrzewania z

uwzględnieniem zysków wewnętrznych od instalacji c.o.

[kWh/rok]

Q H,nd(e) energia użytkowa na potrzeby centralnego ogrzewania [kWh/rok]

Q H,nd(i) energia użytkowa na potrzeby centralnego ogrzewania z

uwzględnieniem zysków od instalacji centralnego ogrzewania

[kWh/rok]

q i_co(e) jednostkowe straty ciepła przewodów instalacji centralnego

ogrzewania znajdującej się poza osłoną bilansową budynku

[W/m]

q i_co(i) jednostkowe straty ciepła przewodów instalacji centralnego

ogrzewania znajdującej się w osłonie bilansowej budynku

[W/m]

q i_co+cwu(i) jednostkowe straty ciepła przewodów instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej znajdujących się w osłonie bilansowej budynku

[W/m]

qi _cwu(e) jednostkowe straty ciepła przewodów instalacji ciepłej wody użytkowej znajdującej się poza osłoną bilansową budynku

[W/m]

qi _cwu(i) jednostkowe straty ciepła przewodów instalacji ciepłej wody użytkowej znajdującej się w osłonie bilansowej budynku

[W/m]

q int zyski ciepła wewnętrzne [kWh/m-c]

Q K,i a prognozowane zapotrzebowanie na ciepło w ciągu roku na

potrzeby ogrzewania i przygotowania ciepłej wody w danym obiekcie budowlanym, ustalone na podstawie audytu

energetycznego, sporządzonego zgodnie z zasadami określonymi w ustawie z dnia 21 listopada 2008 r. o wspieraniu termomodernizacji i remontów,

[kWh/rok]

q li jednostkowe straty ciepła przewodów ciepłej wody użytkowej [W/m]

q s jednostkowe straty ciepła zasobnika ciepłej wody [W/dm ³ ]

Q W,K(e) energia końcowa na potrzeby przygotowania ciepłej wody

użytkowej

[kWh/rok]

Q W,K(i) energia końcowa na potrzeby przygotowania ciepłej wody

użytkowej z uwzględnieniem zysków wewnętrznych od instalacji c.w.u.

[kWh/rok]

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 7 z 118

Q W,nd(e) energia użytkowa na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej

[kWh/rok]

Q W,nd(i) energia użytkowa na potrzeby przygotowania ciepłej wody

użytkowej, z uwzględnieniem zysków od instalacji wody użytkowej

[kWh/rok]

t s czas trwania sezonu ogrzewania [h]

t cw czas działania układu ciepłej wody w ciągu roku [h]

t uz liczba dni użytkowania [doba/rok]

θ e temperatura zewnętrzna [ ^o C]

θ i temperatura wewnętrzna [ ^o C]

θ k temperatura na końcu odcinka [ ^o C]

θ o temperatura otoczenia odcinka [ ^o C]

θ p temperatura na początku odcinka [ ^o C]

θ cw temperatura ciepłej wody użytkowej na zaworze czerpalnym [ ^o C]

U współczynnik przenikania ciepła, [W/m ² K] [W/m ² K]

U dz współczynnik przenikania ciepła drzwi [W/m ² K]

U ok współczynnik przenikania ciepła okien [W/m ² K]

U s współczynnik przenikania ciepła stropodachu [W/m ² K]

U sp współczynnik przenikania ciepła stropu nad piwnicą [W/m ² K]

U sz współczynnik przenikania ciepła ściany zewnętrznej [W/m ² K]

V cw,i jednostkowe zapotrzebowanie dobowe na c.w.u. [dm ³ /doba os.]

V inf projektowany strumień powietrzna infiltracyjnego [m ³ /s]

V s pojemność zasobnika ciepłej wody [dm ³ ]

w ins współczynnik nakładu instalacji na pokrycie strat systemu ogrzewczego

[-]

ΔQ H,d sezonowe straty ciepła w instalacji przesyłu ciepła [kWh/rok]

ΔQ H,e sezonowe straty ciepła w systemie ogrzewania w wyniku niedoskonałej regulacji i przekazywania ciepła

[kWh/rok]

η W,d średnia sezonowa sprawność transportu (dystrybucji) ciepłej wody w obrębie budynku (osłony bilansowej lub poza nią)

[-]

η W,e średnia sezonowa sprawność wykorzystania [-]

η W,g średnia sezonowa sprawność wytworzenia nośnika ciepła z energii dostarczanej do granicy bilansowej budynku (energii końcowej)

[-]

η W,s średnia sezonowa sprawność akumulacji ciepłej wody w elementach pojemnościowych systemu ciepłej wody (w obrębie osłony bilansowej lub poza nią)

[-]

η W,tot sprawność całkowita systemu instalacji c.w.u. [-]

η W,tot sprawność całkowita systemu instalacji c.o. [-]

ρ w gęstość wody [kg/m ³ ]

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 8 z 118

1. Wprowadzenie

Do 2050 roku przewiduje się, że liczba mieszkańców, którzy będą zamieszkiwać tereny miejskie wzrośnie do ok. 75% ludności całkowitej [12]. W związku z tym wzrastać będzie zapotrzebowanie na energię, w obszarze którego ponad 40% zużywają miejskie budynki [29].

Wprowadzona w Europie Dyrektywa o Efektywności Energetycznej [51] ma na celu zmniejszenie zużycia energii do ok. 20% prze końcem 2020 roku. Unia Europejska wprowadza nowe normy dotyczące charakterystyki energetycznej budynków tak, aby zoptymalizować zapotrzebowanie na energię, m.in.: Dyrektywa Parlamentu Europejskiego z 2010r. [53].

W Polsce, na bazie ww. Dyrektywy Europejskiej, zostało ustanowione Rozporządzenie Ministra ds. Budownictwa z dnia 5 lipca 2013 r. [70] dla budynków, które od 2021 roku muszą spełniać standardy budynków o niemal zerowym zużyciu energii.

Budynki są znacznym konsumentem energii, a w czasie eksploatacji zużywają nadal około 35 – 45% całkowitego rocznego zużycia energii (zależnie od warunków klimatycznych i rozwoju gospodarczego), co w dalszej perspektywie może być przyczyną kryzysów i zahamowani dalszego rozwoju gospodarki opartej na energii. Jeszcze do niedawna budynki zużywały około 210 – 270 kWh/(m ² rok) energii końcowej. Obecnie te wartości dla budynków o małym zużyciu energii końcowej wynoszą 35 – 70 kWh/(m ² rok). Nowe rozwiązania w technice budowlanej pozwalają na wznoszenie budynków o małym zużyciu energii i tzw.

budynków pasywnych, które są prawie neutralne dla środowiska i zużywają około 15-17 kWh/(m ² rok) energii użytkowej.

Ewolucja potrzeb cieplnych budynków wskazuje, że potrzeby cieplne budynków stopniowo maleją. Planowane są kolejne obniżenia zapotrzebowania na ciepło dla budynków nowej generacji w przestrzeni miejskiej do poziomu poniżej 40 kWh/m ² rok. Aktualne i przyszłe wymagania dla budynków nowej generacji po 2020 roku (zgodnie z Rozporządzeniem [71]) powinny być budynkami o niemal zerowym zużyciu energii.

Biorąc pod uwagę coraz lepsze wskaźniki energii końcowej budynków można zaobserwować, że zapotrzebowanie na ciepło na cele centralnego ogrzewania stopniowo maleje, o tyle zapotrzebowanie na ciepło na cele podgrzewania ciepłej wody pozostaje na zbliżonym poziomie. Znaczna większość budynków wielorodzinnych oraz użytkowych w przestrzeni miejskiej jest projektowania w układzie centralnym. Stąd często systemy centralne, dotychczas projektowane nie uwzględniają strat pochodzących od instalacji c.o.

oraz c.w.u. Przeprowadzenie analiz ma wskazać, że straty wynikające z dystrybucji instalacji c.w.u. są znacząco większe niż zapotrzebowanie budynku na ciepło na cele centralnego ogrzewania, zwłaszcza w układach centralnych. W związku z powyższym, należy przyjrzeć się topologii instalacji grzewczych w budynku, w tym sprawności dystrybucji instalacji c.o. oraz c.w.u. jako osobne elementy wchodzące w skład obliczania sprawności całkowitej systemu grzewczego budynku. Każda z instalacji generuje inne straty w ciągu doby, które wpływają na różną sprawność systemu instalacji wewnątrz budynku. Powoduje to potrzebę zmian w sposobie projektowania instalacji budynków, a także szczegółowe rozpatrzenie strat generowanych od instalacji c.o. oraz c.w.u.

Najczęściej stosowanym źródłem ciepła w budynkach wielorodzinnych znajdujących się w przestrzeni miejskiej jest węzeł cieplny zasilany z miejskiej sieci ciepłowniczej lub kocioł gazowy. W dotychczasowych systemach centralnych straty pochodzące od instalacji c.w.u.

często przewyższają zapotrzebowanie na ciepło budynków, a wykorzystywana metoda

miesięczna do ich obliczeń (wg normy [57]) nie jest wystarczająca, aby dokładniej określić

straty ciepła pochodzące od instalacji.

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 9 z 118

Na podstawie przeprowadzonych symulacji wykazano, że niezbędna jest zmiana

topologii systemu grzewczego oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Taka zmiana

spowoduje usprawnienie systemu instalacji c.o. oraz c.w.u., a jednocześnie zmniejszy straty

pochodzące od instalacji c.o. i c.w.u. Kierunki działań są niezbędne z uwagi na nowe regulacje

dla budynków niemal zero – energetycznych, które będą obowiązywać w budownictwie od

2021 roku.

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 10 z 118

2. Ewolucje potrzeb cieplnych budynków

2.1 Zmiany w zakresie efektywności energetycznej w budownictwie

Tematyka budownictwa energooszczędnego stała się popularnym tematem, szczególnie w obszarze budynków pasywnych i niemal zero – energetycznych. Potocznie mówi się, że budownictwo pasywne nie wymaga ogrzewania, a ich efektywność energetyczna wpływa na zmiany w zakresie zużywania energii. Przy szybkim wzroście cen nośników energii poszukuje się rozwiązań, które zmniejszą zapotrzebowanie na energię, czyli koszty. Jest to jednocześnie jedną z przyczyn rosnącego zainteresowania inwestorów budownictwem energooszczędnym [40].

Kryzys energetyczny w latach 70. i 80. XX wieku, wyczerpywanie się zasobów energii pierwotnej i ogólnoświatowe dążenie do wdrożenia idei zrównoważonego rozwoju doprowadziły do rozwoju technologii prowadzących do budynków o małym zużyciu energii.

Pierwsze sformułowanie budynek „energooszczędny” pojawiło się w roku 1977 jako efekt kryzysu naftowego z 1974 roku. Pierwsze takie budynku powstały w Kopenhadze (1997), kolejne powstawały w Szwecji w latach 1975 – 1980 o wartości poniżej 70kWh/m ² rok.

Przeglądając historię, kolejne określenie budynek „pasywny” pojawiło się w roku 1988 również w Szwecji, natomiast pierwsza realizacja odbyła się w 1991 roku [17]. Pierwsza koncepcja realizacji budynku pasywnego została opracowana pod koniec 1990 roku przez dr W. Feista w Instytucie Mieszkalnictwa i Środowiska (IWU) w Darmstadt – Niemcy, a pierwszy pasywny budynek mieszkalny został wybudowany w 1991 roku w Darmstadt. Dodatkowo, wykorzystując odnawialne źródła energii, można jeszcze bardziej poprawić wskaźniki oceny opierając się na energii użytkowej lub pierwotnej, co prowadzi do budynku o standardzie niemal zero- energetycznym lub nawet plus energetycznym (nZEB, +ZEB). Rozwój tych budynków następuje od początku XXI wieku. Prekursorskim opracowaniem tak ujętych zagadnień racjonalnego projektowania obiektów budowlanych i ich skupisk jest monografia Olgyaya wydana w Nowym Jorku w 1963 roku. Natomiast termin „architechnologia” (architechnology) został prawdopodobnie użyty po raz pierwszy w roku 1984 przez McIntyre’go i Sterling’a na konferencji w Sztokholmie. W ostatnim dwudziestoleciu literatura naświetlająca fizykalne podstawy projektowania budynków energooszczędnych, zrównoważonych ze środowiskiem znacznie się poszerzyła i wzbogaciła o cenne opracowania oryginalne [17].

Zmiany w zakresie zapotrzebowania budynków w ciepło podlegały wielu modyfikacjom nie tylko na świecie, ale również w Polsce. W Rozporządzeniu Ministra ds. Budownictwa z dnia 14 grudnia 1994 roku WT’94 [61] – Warunki Techniczne w Dziale X zostały określone wymagania dotyczące oszczędności energii i izolacyjności cieplnej, jako alternatywne spełnienie minimalnych wymagań dotyczących wartości wskaźnika EK [kWh/m ² rok]. Wskaźnik ten określa obliczeniowe zapotrzebowanie energii końcowej do ogrzewania budynku w standardowym sezonie grzewczym oraz jest wyrażony w ilości energii przypadającej w ciągu roku na 1m ² powierzchni użytkowej ogrzewanej części budynku lub spełnienie minimalnych wartości izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych budynku. Sposób wyznaczania wskaźnika EK oraz wymagań cieplnych miał zostać określony na drodze odrębnego zarządzenia [40].

W kolejnych latach, pojawiały się nowe regulacje prawne, m.in. w Rozporządzeniu

Ministra Spraw Wewnętrznych z września 1997 roku [69] będącego nowelizacją WT’94 –

Warunki Techniczne zostały wprowadzone uszczegółowienia zapisów dotyczących

oszczędności energii i izolacyjności cieplnej. Od roku 1998 wymagania izolacyjności cieplnej

i inne wymagania związane z oszczędnością energii w budynkach zostały przeniesione

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 11 z 118

z normy PN-91/B-02020 do Rozporządzenia [66]. Metodologia obliczenia współczynnika przenikania ciepła U została zawarta w PN-EN ISO 6946: 1999 [61]. Zaostrzające się przepisy ochrony cieplnej [60] były impulsem do ulepszania parametrów materiałów oraz wprowadzania nowych, o lepszych właściwościach cieplnych. Na rynek wprowadzano również systemy technicznego wyposażenia budynków, charakteryzujące się większą sprawnością wytwarzania energii [62], aby zapewnić wyższą efektywność energetyczną budynków.

Metodologia obliczania wskaźnika E była zawarta w normie PN-B-02025:2001.

Wskaźnik E określał obliczeniowe zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania budynku w sezonie ogrzewczym odniesione do 1m ³ kubatury ogrzewanej budynku. Wskaźnik sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku obliczany był jako bilans strat ciepła przez przegrody nieprzeźroczyste, przeźroczyste, wentylację, ciepłą wodę użytkową oraz zysków słonecznych i bytowych. Nowelizacja WT’04 [67] nałożyła obligatoryjny obowiązek spełnienia obydwu wymagań, zarówno wskaźnika EU jak i minimalnych wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej przegród dla budynków mieszkalnych wielorodzinnych oraz zamieszkania zbiorowego [65]. Wprowadzano normy PN-EN 6946:2008 [62] będącą polską wersją normy międzynarodowej EN ISO 6946:1999 [61].

Nowelizacja Warunków Technicznych [WT’08] z dnia 6 listopada 2008r. [68], będąca implementacją Dyrektywy 2002/91/WE [51], wprowadziła do przepisów polskich po raz pierwszy wskaźnik EP [kWh/(m ² rok)], określający roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną na cele HVAC, ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia.

Ostatnim dokumentem, który został wprowadzony jest Rozporządzenie Ministra ds.

Budownictwa z dnia 5 lipca 2013r. Niniejsze rozporządzenie dokonuje w zakresie swojej regulacji wdrożenia nowelizacji dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010r. [53]. Od 2008 wprowadzono trzy punkty kontrolne zużycia energii, wyrażone wskaźnikami EU, EK oraz EP:

 Energię użytkową (EU), energia przenoszona z budynku lub części budynku do jego otoczenia przez przenikanie lub z powietrzem wentylacyjnym, pomniejszoną o zyski ciepła.

 Energię końcową (EK), energia dostarczana do budynku lub części budynku dla systemów technicznych.

 Nieodnawialną i odnawialną energię pierwotną (EP), nieodnawialna energia pierwotna to energia zawarta w kopalnych surowcach energetycznych, która nie została poddana procesowi konwersji lub transformacji. Odnawialna energia pierwotna energia uzyskana z odnawialnego źródła energii.

2.1.1 Energia użytkowa

Jednym ze wskaźników określających roczne zapotrzebowanie na energię jest wskaźnik zużycia energii użytkowej (EU), który określa ilość ciepła potrzebnego do utrzymania obliczeniowej temperatury powietrza w pomieszczeniach wewnętrznych (ogrzewanie oraz wentylacja), energię potrzebną do przygotowania ciepłej wody użytkowej, a także energię wykorzystywaną do chłodzenia (w przypadku klimatyzacji).

Potrzeby cieplne budynków na przestrzeni lat są wyznaczane na podstawie rocznego

zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji Q H,nd i na potrzeby

przygotowania ciepłej wody użytkowej Q W,nd.

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 12 z 118

Zapotrzebowanie na ciepło dla ogrzewania

Obecnie przy obliczaniu zapotrzebowania na ciepło budynku dla ogrzewania należy istotnie zwrócić uwagę na poszczególne składowe, które służą do obliczania zapotrzebowania na ciepło użytkowe. Roczne zapotrzebowanie na energię użytkową jest uzależnione od następujących zmiennych funkcji:

Q H,nd =f (Q tr , Q ve , Q sol , Q int, t) (2.1) Należy zwrócić uwagę na liczbę zysków oraz strat, które są niezbędne do policzenia sezonowego zapotrzebowania na ciepło. Na straty sezonowego zapotrzebowania na ciepło składają się straty ciepła przez przenikanie – Q tr . W procesie ewolucji na całkowitą ilość ciepła przenoszonego ze strefy ogrzewanej przez przenikanie Q tr miało wpływ wiele współczynników, m.in. współczynnik izolacyjności przegród zewnętrznych U C(max) [W/m ² K] (tabela 2.1).

Stopniowe zmieszanie się współczynnika izolacyjności przegród zewnętrznych wpływa na obniżenie zapotrzebowania na ciepło budynków na przestrzeni lat, aż do dziś. Pierwszy raz pojawiły się wówczas uregulowania dotyczące ochrony cieplnej budynków, w wyniku podyktowanego komfortu użytkowania pomieszczeń oraz występowania krytycznej wilgotności [40]. Od czasu wprowadzenia uregulowań normowych dotyczących ochrony cieplnej obudowy budynku, wymagania w tym zakresie ulegały transformacjom zapewniając coraz lepszą ochronę przed przenikaniem strumienia ciepła przez przegrody zewnętrzne, co wiązało się z zwiększaniem poziomu energooszczędności budynków i przekładało na mniejsze koszty eksploatacyjne.

Istotnym współczynnikiem przy obliczaniu zapotrzebowania na ciepło są straty ciepła przez wentylację – Q ve obliczone zgodnie według metodologii zawartym w Rozporządzeniu w sprawie metodologii oblizania charakterystyki energetycznej [71]. Na zyski przy obliczaniu sezonowego zapotrzebowania na ciepło składają się zyski wewnętrzne pochodzące od ludzi i urządzeń – Q int oraz zyski pochodzące od słońca – Q sol . Obok zysków pochodzących od ludzi i urządzeń elektrycznych, w pracy doktorskiej zwrócono uwagę również na zyski pochodzące od instalacji grzewczych w budynku. Obliczone w ten sposób zyski stanowią podstawę do prawidłowego obliczenia zapotrzebowania budynku na ciepło, uwzględniające zyski ciepła pochodzące od instalacji c.o. oraz c.w.u.

Przy obliczaniu zapotrzebowania na energię cieplną budynku – Q Hnd , istotną rolę odgrywa współczynnik wykorzystania zysków ciepła, tzw. bezwładność budynku, która w dużej mierze zleży od izolacyjność cieplnej ścian zewnętrznych oraz stropodachu budynków mieszkalnych i wielorodzinnych oraz jej wpływ na efektywność energetyczną. Na rysunku 2.2 oraz w tabeli 2.1 przedstawiono zmieniające się na przestrzeni lat wartości współczynnika U [W/(m ² K)] dla ścian zewnętrznych [40].

Tabela 2.1. Wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej ścian i stropodachów w Polsce na przestrzeni lat.

Rok Regulacje prawne Symbol U max [W/(m ² K)]

stropodach

U max [W/(m ² K)]

ściany zewn.

Do 1954 Brak brak brak Brak

1955 – 1965 PN/B-02405:53

PN/B-02405:57 U max

[W/(m ² K)]

U≤0,87 [kcal/m ² h ^o C]

U≤1,16 oraz U≤1,41 [kcal/m ² h ^o C]

1966 – 1975 PN-64/B-03404 U≤0,87

[kcal/m ² h ^o C] U≤1,16 [kcal/m ² h ^o C]

Symbol

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 13 z 118 cd. Tabela 2.1

Rok Regulacje prawne Symbol U max [W/(m ² K)]

stropodach U max [W/(m ² K)]

ściany zewn.

1976 – 1982 PN-74/B-03404 U max

[W/m ² K]

U≤0,70

[kcal/m ² h ^o C] U≤1,16 [kcal/m ² h ^o C]

1983 - 1991 PN-82/B-02020 U≤0,45 [W/m ² K] U≤0,75 [W/m ² K]

1992 – 1997 PN-91/B-02020 U≤0,30 [W/m ² K] U≤0,55 [W/m ² K]

1998 – 2004 PN-EN-ISO 6946:1999

[61] Metodologia obliczania współczynnika U [W/m ² K]

1997 – 2002

Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 30 września 1997r. [69]

U max

[W/m ² K] U≤0,30

U≤0,30 dla materiału o izolacyjności λ≤0,05 W/(mK) U≤0,50 pozostałe 2004 – 2008 PN-EN-ISO 6946:2004 Metodologia obliczania współczynnika U [W/m ² K]

2002 – 2008 Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002r. [65]

U k(max)

[W/m ² K] U k(max) ≤0,30

U k(max) ≤0,30 materiału o izolacyjności λ≤0,05 W/(mK) oraz U k(max) ≤0,50 2008 – 2016 PN-EN-ISO 6946:2008 Metodologia obliczania współczynnika U [W/m ² K]

2008 – 2013 Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008r. [68]

U (max)

[W/m ² K] U (max) ≤0,25 U (max) ≤0,30

2013 – 2016 Rozporządzenie Ministra ds. Budownictwa z dnia 5 lipca 2013r. [73]

U C(max)

[W/m ² K] U C(max) ≤0,20 U C(max) ≤0,25

2017 -2020

Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015r.

[56]

U C(max)

[W/m ² K] U C(max) ≤0,18 U C(max) ≤0,23

2021 j.w. U C(max)

[W/m ² K] U C(max) ≤0,15 U C(max) ≤0,20

Źródło: Opracowanie własne.

Z tabeli powyżej można zaobserwować, że współczynnik dotyczący izolacyjności cieplnej ścian na przestrzeni ponad 50 lat zmniejszył się prawie 4 – krotnie. Wynika to nie tylko z postępu technologicznego i materiałów o coraz lepszej izolacyjności, ale także o zwiększeniu świadomości o dbałość środowiska naturalnego. Wiąże się to z korzystania z materiałów, które są biodegradowalne (bezpieczne dla środowiska), a jednocześnie są w stanie zapewnić maksymalną izolacyjność ścian budynków.

Dla budynków, które zostaną wybudowane od 2021 roku można mówić o izolacjach

(materiałach) termicznych przyszłości, które ochronią dom przed stratami ciepła, będą też

ekologiczne, trwałe i przyjazne wykonawcom. Warto podkreślić, że sama izolacyjność ścian

nie jest wystarczająca, należy rozpatrzyć stropodachy oraz okna, które zapewnią dodatkową

ochronę przed stratami ciepła w budynku. Na rysunku 2.1 przedstawiono współczynniki

przenikania ciepła dla ścian zewnętrznych, zmieniających się na przestrzeni lat.

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 14 z 118 Rysunek 2.1. Zmieniające się na przestrzeni lat wartości współczynnika przenikania ciepła U

[W/(m ² K)] dla ścian zewnętrznych i stropodachów.

Źródło: Opracowanie własne na podstawie tabeli 2.1.

Warunki Techniczne, które obowiązują od 1 stycznia 2014 roku, określają również maksymalny współczynnik przewodzenia ciepła U, który mogą mieć okna w nowobudowanych domach. Dla okien, drzwi balkonowych i powierzchni przezroczystych nieotwieralnych współczynnik U zmniejszył się z 1,7-1,8 W/m ² K do 1,3 W/m ² K. Dla okien połaciowych natomiast z 1,8 W/m ² K do 1,5 W/m ² K (okna dachowe mogą mieć gorsze parametry z uwagi na inne położenie).

Należy podkreślić, że na wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na energię na cele ogrzewania (Q H,nd ) znaczący wpływ ma długość przewodów instalacji oraz izolacja termiczna przewodów, a także czas trwania sezonu grzewczego. Wszystkie wymienione elementy wpływają na roczne zapotrzebowanie na energię końcową EK dostarczaną do budynku.

Zapotrzebowanie na ciepło dla przygotowania ciepłej wody użytkowej

Obecnie przy obliczaniu zapotrzebowania na ciepło budynku dla przygotowania ciepłej wody użytkowej należy istotnie zwrócić uwagę na poszczególne składowe, które służą do obliczania zapotrzebowania na ciepło dla c.w.u. Roczne zapotrzebowanie na energię użytkową jest uzależnione od następujących zmiennych funkcji:

Q W,nd =f (ΔT, t, V cwu , L i ) (2.2)

Wyznaczanie rocznego zapotrzebowania na energię użytkową do przygotowania ciepłej wody użytkowej (Q W,nd ) jest zależne od obliczeniowej różnicy temperatur między ciepłą wodą użytkową w zaworze czerpalnym, a obliczeniową temperaturą wody przed podgrzaniem, jednostkowego dobowego zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową – V cwu , liczbą dni w roku – t, w których wykorzystywana jest ciepła woda użytkowa oraz liczbę użytkowników – L i

korzystających z ciepłej wody. Ponadto należy wskazać różnicę między temperaturą wody wodociągowej oraz temperaturą wody ciepłej.

2.1.2 Energia końcowa

Potrzeby cieplne budynków są wyznaczane na podstawie rocznego zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania i wentylacji Q H,K i na potrzeby przygotowania ciepłej wody

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

do 1 9 66 19 67 -1 9 85 19 86 -1 9 92 19 93 -1 9 97 19 98 -2 0 08 od 2 0 09 od 2 0 14 od 2 0 17 od 2 0 21 W sp ół cz yn ni k U [ W /m 2 K ]

Lata

Ściana zewnętrzna U [W/m2K] Stropodach [W/m2K]

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 15 z 118

użytkowej Q W,K. Biorąc pod uwagę ewolucję zmian w zapotrzebowaniu budynków na ciepło (szczególnie budynków nowej generacji po 2020 roku) należy zwrócić uwagę na straty instalacji znajdujących się wewnątrz i na zewnątrz osłony izolacyjnej budynku, które mają wpływ na końcowe zapotrzebowanie budynku na ciepło oraz na sprawności poszczególnych komponentów instalacji.

Zapotrzebowanie na ciepło końcowe dla ogrzewania

Wskaźnik energii końcowej (EK), podobnie jak wskaźnik energii użytkowej (EU), informuje o rocznym zapotrzebowaniu na energię do ogrzania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej, lecz dodatkowo uwzględnia przy tym sprawność instalacji grzewczej oraz możliwe straty ciepła pochodzące z układu. Wyznaczenie energii końcowej na potrzeby centralnego ogrzewania budynku jest zależy od współczynników rocznego zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji Q H,nd oraz średniej sezonowej sprawności całkowitej i-tego podsystemu w systemie ogrzewania według funkcji:

Q H,K = f(Q H,nd ; η H,tot,i ) (2.3) W analizach niniejszej pracy szczególną uwagę poświęcono analizom związanym ze sprawnością poszczególnych składowych systemu grzewczego, tj. średnia sezonowa sprawność przesyłu ciepła ze źródła ciepła do przestrzeni ogrzewanej – η H,d , średnia sezonowa sprawność akumulacji ciepła w elementach pojemnościowych systemu ogrzewania – η H,s , średnia sezonowa sprawność regulacji i wykorzystania ciepła w przestrzeni ogrzewanej – η H,e , średnia sezonowa sprawność wytwarzania ciepła z nośnika energii lub energii dostarczanych do źródła ciepła – η H,g . Analizy opierają się na wskazaniu wpływu strat ciepła przez instalacje grzewcze na sprawność systemu ogrzewania w budynku. Istotną rolę odgrywają w tym przypadku przewody instalacji znajdujące się w i poza osłoną bilansową budynku.

Zapotrzebowanie na ciepło końcowe dla przygotowania ciepłej wody użytkowej

W celu określenia całkowitej sprawności instalacji w budynku należy również wskazać roczne zapotrzebowanie na energię końcową dostarczaną do budynku lub części budynku dla systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej Q W,K, która podobnie jak w instalacji dla centralnego ogrzewania jest określona według funkcji:

Q W,K = f(Q W,nd ; η W,tot,i ) (2.4)

W niniejszej pracy szczególną uwagę poświęcono analizom związanym ze sprawnością

poszczególnych składowych systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej,

tj. średnia roczna sprawność przesyłu ciepła ze źródła ciepła do zaworów czerpalnych – η W,d ,

średnia roczna sprawność akumulacji ciepła w elementach pojemnościowych systemu

przygotowania ciepłej wody użytkowej – η W,s , średnia roczna sprawność wytwarzania ciepła

z nośnika energii lub energii dostarczanych do źródła ciepła – η W,g . Analizy opierają się na

wskazaniu wpływu strat ciepła przez instalacje przygotowania ciepłej wody użytkowej na

sprawność systemu c.w.u. w budynku. Istotną rolę odgrywają w tym przypadku przewody

instalacji znajdujące się w i poza osłoną bilansową budynku.

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 16 z 118

Stopniowe zaostrzanie wymagań prawnych dotyczących energochłonności budownictwa spowodowało poprawę efektywności energetycznej. Na podstawie własnych analiz z przeglądu norm oraz rozporządzeń (wg Tabeli 2.1) aktualnie budowane budynki spełniające wymagania prawne wg polskiego prawa charakteryzują się zapotrzebowaniem na energię końcową EK na c.o. i wentylację, wahającą się w przedziale od 75-149 kWh/m ² rok.

Energia do podgrzania ciepłej wodę zależy od przeznaczenia budynku i waha się w szerokich przedziałach. W budownictwie mieszkaniowym wielorodzinnym zapotrzebowanie na energię użytkowa na c.w.u. waha się w przedziale 15-40 kWh/m ² rok i zależy od gęstości zasiedlenia.

Rysunek 2.2 Klasyfikacja energetyczna budynków według zapotrzebowania na ciepło.

Źródło: Opracowanie własne na podstawie [49].

Na przestrzeni ostatnich 20 lat nastąpiło znaczne obniżenie wymagań dla budynków z uwagi na powstawanie budynków energooszczędnych oraz rosnących wymagań dot.

materiałów izolacyjnych w zakresie jakości i struktury systemów grzewczych. Dyrektywa Europejska 2010/31/UE [53] wprowadziła budynki o nowym standardzie i po 2020 roku wszystkie budynki muszą być niemal zero – energetyczne, co wymaga nowego podejścia do systemów projektowania, wykonawstwa i eksploatacji.

2.1.3 Energia pierwotna

Wyróżniamy energię pierwotną nieodnawialną i odnawialną. Przez energię pierwotną nieodnawialną należy rozumieć energię zawartą w kopalnych surowcach energetycznych, która nie została poddana procesowi konwersji lub transformacji. Natomiast przez energię pierwotną odnawialną należy rozumieć energię uzyskaną z odnawialnego źródła energii.

Wskaźnik energii pierwotnej (EP) określa ilość energii, która została wykorzystana ze źródeł kopalnianych. Jest to umowna wielkość, która uwzględnia przebieg całego procesu pozyskania, konwersji i dostarczenia energii – od producenta aż do finalnego użytkownika.

Wyznaczanie rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną dla systemów 350

260

200

160

120

80

45

15 5

0 50 100 150 200 250 300 350 400

E K H [ kW h/ m 2 ro k]

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 17 z 118

technicznych Q P w budynku lub części budynku wyposażonych w proste systemy techniczne zależy od współczynników funkcji:

Q P = f(Q H,K, Q W,K , Q C , E el , E el,pom,H, E el,pom,W, w el , w H , w W, t) (2.5) Do określenia energii pierwotnej konieczne jest kontrolowanie wskaźników związanych z rocznym zapotrzebowaniem na energię końcową dostarczaną do budynku dla systemu ogrzewania – Q H,K , rocznym zapotrzebowaniem na energię końcową dostarczaną do budynku dla systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej – Q W,K , rocznym zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną dla systemu chłodzenia – Q C , rocznym zapotrzebowaniem na energię pomocniczą końcową dostarczaną do budynku dla systemu ogrzewania – E el,pom,H,

rocznym zapotrzebowaniem na energię pomocniczą końcową dostarczaną do budynku dla systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej – E el,pom,W oraz czas użytkowania – t uz . Dodatkowo, należy określić współczynniki nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii dla systemu ogrzewania – w H , nośnika energii lub energii dla systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej – w w , energii elektrycznej – w el . Wartość współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii dla systemów technicznych – w i przyjmuje się na podstawie danych udostępnionych przez dostawcę tego nośnika ciepła lub energii.

Podstawowe dane współczynników nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej są w tabeli 2.2 wg Rozporządzenia [71].

Tabela 2.2 Wartości współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii dla systemów technicznych w i .

Lp. Sposób zasilania budynku lub części budynku w energię Rodzaj nośnika energii lub

energii w i

1

Miejscowe wytwarzanie energii w budynku

Olej opałowy

1,1

2 Gaz ziemny

3 Gaz płynny

4 Węgiel kamienny

5 Węgiel brunatny

6

Energia słoneczna,

wiatrowa, geotermalna 0,0

Biomasa 0,2

Biogaz 0,5

7 Ciepło sieciowe z kogeneracji Węgiel kamienny lub gaz 0,8

8 Biomasa, biogaz 0,15

9 Ciepło sieciowe z kogeneracji Węgiel kamienny 1,3

10 Gaz lub olej opalowy 1,2

11 Sieć elektroenergetyczna Energia eklektyczna 3,0

Źródło: Rozporządzenia Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. [71]

Spełnienie wymagań WT oznacza, że należy zastosować materiały izolacyjne o współczynnikach zawartych w rozporządzeniu [71] równolegle z EP.

Nowelizacja WT’08 [68] (na mocy Dyrektywy 2010/21UE [53]) w 2013 wprowadziła

wymagania do polskiego budownictwa. Dokument [53] reguluje również wymagania dotyczące

ochrony cieplnej i efektywności energetycznej, które będą obowiązywać w Polsce od roku

2021, kiedy zostanie wdrożony standard budynków o „niemal zerowym zapotrzebowaniu na

energię” nZEB [40]. Podobnie jak w przypadku wymagań szczegółowych w Warunkach

Technicznych wprowadzono wymagania, które ulegają zaostrzeniu w 2014, 2017 oraz od 2021

roku. Ostateczne wartości, które będą obowiązywać od 31.12.2020 roku, będą definiowały

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 18 z 118

standard budynków o niemal zerowym zużyciu energii. Wymagania, zostały zdefiniowane m.in. dla budynków mieszkalnych jednorodzinnych oraz budynków mieszkalnych wielorodzinnych (rysunek 2.3).

Rysunek 2.3. Wykres przedstawiający wartość maksymalną wskaźnika EP H+W [kWh/(m ² ·rok)] na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. 1 – budynek mieszkalny

jednorodzinny, 2 – budynek mieszkalny wielorodzinny, 3 – budynek zamieszkania zbiorowego, 4 – budynek użyteczności publicznej – opieki zdrowotnej, 5 – budynek użyteczności publicznej –

pozostałe, 6 - budynek gospodarczy, magazynowy.

Źródło: Rozporządzenie Ministra ds. Budownictwa z lutego 2015r. [71].

Standard budynków o niemal zerowym zapotrzebowaniu na energię w przypadku budynków zajmowanych przez władze publiczne oraz będących ich własnością będzie obowiązywał od 01.012019 roku. Na rysunku 2.3 zestawiono cząstkowe maksymalne wartości wskaźnika EP H [kWh/(m ² rok)] na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej.

2.2 Budynki nowej generacji

2.2.1 Budynki pasywne

Budynki energooszczędne pojawiły się w latach 1977 – 1980, natomiast pasywne w latach 1988 – 1991. W domu pasywnym nie stosuje się standardowych systemów grzewczych opartych na spalaniu paliw ze źródeł nieodnawialnych, a ewentualne straty ciepła uzupełnia się tak zwanymi pasywnymi „źródłami ciepła” (mieszkańcy, działające w domu urządzenia elektryczne, energia słoneczna, ciepło odzyskane z wentylacji). Pierwsze sformułowanie dot. pojęcia „budynek pasywny” pojawiło się w roku 1988 przez Adamsona w Szwecji, natomiast pierwsza realizacja była w roku 1991 przez Feista w Niemczech [38].

Budynki pasywne są szczególną propozycją realizującą ideę zrównoważonego rozwoju poprzez bardzo niskie zużycie energii. Podstawy teoretyczne budynków pasywnych opracował Bo Adamson z Uniwersytetu w Lund – Szwecja. Natomiast pierwsza koncepcja realizacji budynku pasywnego została opracowana przez dr Feista [38].

120 105 95

390

65

95 85 85 110

290

60 90

70 65 75

190

45 70

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

1 2 3 4 5 6

E P H + W [k W h/ m 2 ro k]

Potrzeby energetyczne budynku

1.01.2014 1.01.2017 1.01.2021

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 19 z 118

Budynek pasywny to budynek, w którym komfort cieplny może być osiągnięty bez zastosowania dodatkowych aktywnych systemów grzewczych. Ogrzewanie realizowane jest w sposób pasywny, a w niektórych sytuacjach należy aktywnie uruchamiać ogrzewanie.

Energia użytkowa nie przekracza wartości EU=15kWh/m ² rok. Budynki pasywne są obiektami, których roczne zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania jest tak małe, że można zrezygnować z osobnego aktywnego rozprowadzania ciepła do ogrzewania [36]. Spełnienie wymagań szczegółowych zdefiniowanych przez Adamsona:

 Sezonowe zapotrzebowanie ciepła użytkowego dla ogrzewania powinno być mniejsze lub równe 15kWh/m ² rok.

 Obliczeniowa moc cieplna układu ogrzewania mniejsza <10W/m ² .

 Bardzo dobra szczelność powietrzna obudowy budynku n 50 =0,6 h ^-1 , potwierdzona testem Blower Door.

 Zużycie energii pierwotnej dla wszystkich potrzeb mniej niż 120 kWh/m ² rok.

 Zapewnienie komfortu cieplnego w lecie (przegrzanie powyżej 25 ^o C, krócej niż 10%

w skali roku).

Na podstawie danych wyjściowych komponuje się strukturę budynku, materiały izolacyjne oraz system techniczny, w którym są zawarte szczegółowe parametry oraz sposób sterowania.

2.2.2 Budynki niemal zero – energetyczne

Nowelizacja Dyrektywy z 19 maja 2010 [53] wprowadza budynki niemal zero – energetyczne, które charakteryzują się bardzo dobrą charakterystyką energetyczną określoną na podstawie obliczonej ilości energii w ciągu roku związanej z użytkowaniem.

Zgodnie z zawartą w dyrektywie regułą kosztów optymalnych, budynek niemal zero energetyczny jest zdefiniowany jako budynek tak skonfigurowany, że wartość optymalna EP jest osiągana przy minimalnym koszcie globalnym, wyznaczonym w warunkach krajowych dla danej kategorii budynku. Definicję budynku niemal zero-energetycznego można również odnieść do budynku zero-energetycznego (ZEB). Budynek ZEB to budynek, w którym zużycie energii w ciągu roku przeliczonej na energię końcową (dostarczoną i sprzedaną) wyniesie zero (tzw. site ZEB), lub też w przeliczeniu na energię pierwotną (source ZEB) w ciągu roku wynosi 0 kWh/(m ² rok). Oznacza to, że budynek przez swoje niektóre systemy techniczne produkuje energię - wykorzystując zasoby energii odnawialnych, najczęściej w postaci ciepła i energii elektrycznej, która jest sprzedawana do sieci zewnętrznej. Saldo tych rozliczeń rocznych może być równe zero (ZEB), być mniejsze od zera (nZEB) lub być większe od zera (+ZEB) [17].

W ślad za dyrektywą w polskim obiegu wprowadzono Rozporządzenie Ministra ds.

Budownictwa z 2013 roku [73] dla budynków zero energetycznych podzielonych na 3 etapy 2014, 2019, 20121. W przypadku budynków niemal zero energetycznych jest określenie wskaźnika EP optymalne na podstawie minimalnego kosztu globalnego. Wskaźnik ten oparty jest na tzw. minimalnych kosztach globalnych, łączących koszty inwestycyjne K i oraz zdyskontowane koszty eksploatacyjne K ekspl,zd określone w wypadku rozwiązania budynku o optymalnej wartości EP opt . Podstawowe zależności funkcyjne [33]:

K global = K i + K ekspl,zd (2.6)

K global = f(EP opt ); K global  min; EP  optimum (2.7)

E UZ = f(PP, PO); EP =F(PP, PO) (2.8)

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 20 z 118

Parametry projektowe (PP) oraz parametry operacyjne (PO) dotyczą całego budynku, technicznego wyposażenia odpowiedzialnego z utrzymanie parametrów eksploatacyjnych i zużycie energii oraz rodzaju i sposobu konwersji. Wynika to z tego, że należy jednocześnie określić parametry energetyczne i ekologiczne w trzech obszarach:

 Budynek (obudowa i struktura) oraz jego charakterystyka cieplna w zakresie szczelności powietrza, co można scharakteryzować zapotrzebowaniem na energię użytkową E nd .

 Technika instalacyjna w zakresie HVAC i zastosowanie prostych źródeł, co można scharakteryzować zapotrzebowaniem na energię końcową EK.

 Pochodzenie i konwersja energii dostarczonej do pokrycia potrzeb budynku, co można scharakteryzować zapotrzebowaniem na nieodnawialną energię pierwotną EP, emisją dwutlenku węgla i udziałem energii odnawialnej.

Powyższe należy traktować jako całościowe spojrzenie na budynek z różnych punktów widzenia, które mogą wzajemnie się uzupełniać. Realizacja budynku efektywnie energetycznego od zaprojektowania, przez wykonawstwo i użytkowanie wymaga innowacyjnego podejścia zespołu architektów i inżynierów w aspekcie organizacyjnym i procesowym.

W ostatnim dziesięcioleciu powstało wiele nowych rozwiązań w budownictwie i technice instalacyjnej, które umożliwiają projektowanie budynków energooszczędnych i pasywnych.

Ponadto, wprowadzenie certyfikacji energetycznej budynków w krajach Unii Europejskiej, w tym od roku 2009 również w Polsce, wpływać będzie na wzrost świadomości odbiorców energii i inwestorów - co zmniejszy zapotrzebowanie na ciepło do utrzymania komfortu cieplnego i użytkowego w budynkach istniejących, a szczególnie w budynkach nowo wznoszonych [36].

Od 1 stycznia 2019 r. wszystkie nowe budynki, będące własnością sektora publicznego, muszą być budynkami o niemal zerowym zużyciu energii, a do dnia 31 grudnia 2020r.

wszystkie pozostałe nowe budynki. W Rozporządzeniu Ministra ds. Budownictwa z lutego 2015r. [71] budynek niemal zero energetyczny to budynek o bardzo wysokiej charakterystyce energetycznej, cechujący się niskim zużyciem energii. Energia ta natomiast powinna pochodzić w znacznym stopniu z energii ze źródeł odnawialnych, wytwarzanej na miejscu lub w pobliżu, m.in. wiatr, biomasa, energia słoneczna. Kraje członkowskie UE mają opracować własne definicje budynków o niemal zerowym zużyciu energii, odzwierciedlające ich krajowe, regionalne lub lokalne warunki klimatyczne. Jakość energetyczna powinna obejmować liczbowy wskaźnik zużycia energii pierwotnej wyrażony w kWh/(m ² ·rok).

W krajach UE wprowadzono standardy budynków energooszczędnych kilka lat temu

z uwagi na większe tempo rozwoju gospodarczego oraz znacząco większą świadomość

społeczną w związku z racjonalizacją zużywania energii, co przedstawiono przez wskazanie

standardów energetycznych w wybranych krajach w tabeli 2.3.

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 21 z 118

Tabela 2.3 Planowane wprowadzenie standardów budynków niskoenergetycznych w niektórych krajach Unii Europejskiej.

Kraj/Rok 2009 2010 2012 2013 2015 2010 2020

Dania -25 ^a) -50% ^a) -75% ^a)

Niemcy -30% ^b) -30% ^c) NFFB

Francja LEB E+

Holandia -25 ^a) -50 ^a),d) ENB

Anglia -25 ^a) -44 ^a),d) NZEB

Polska 5…17 ^c) 23…35% ^c) 41…52% ^c)

Źródło: Szczechowiak E., Parametry budynków niemal zero – energetycznych w warunkach polskich, UT-P Bydgoszcz, 2015 [17].

Objaśnienia tabeli 2.3:

a) w odniesieniu do standardu z 2006

b) w odniesieniu do EnEV 02/07

c) w odniesieniu do poziomu z roku 2009

d) poziom domu pasywnego

e) LEB – budynki niskoenergetyczne (ang. low energy buildings)

f) NZEB – budynki niemal zero – energetyczne (ang. nearly zero energy building)

g) NFFB – budynki bez zużycia paliw kopalnych do eksploatacji

h) E+ budynki produkujące energię

i) ENB – budynki naturalne energetycznie

Biorąc pod uwagę powyższe zmiany w przepisach prawnych oraz ewolucję potrzeb cieplnych budynków na przestrzeni lat, doprowadzenie do wymaganych standardów energetycznych wymaga zmiany podejścia w systemach projektowania instalacji grzewczych w budynku oraz zmiany w źródłach ciepła. Obserwując stopniowe zmniejszanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło budynków obserwuje się stopniową ewolucję wśród nowego podejścia do budowania budynków energooszczędnych oraz plus energetycznych.

2.3 Wyzwania technologiczne budynków nowej generacji

Działania inwestycyjne powinny być zgodne z wymaganiami równowagi ekologicznej i energetycznej z otoczeniem, które powinno znajdować wyraz w obecnym już podejściu do projektowania, budowy i eksploatacji budynków. O wartości budynków decyduje już nie tylko dobra lokalizacja, ale także właściwości energetyczne obudowy budynku. Ma to wpływ na efektywne zużycie energii, na poziomie niezbędnym do zapewnienia komfortu cieplnego użytkowników. Zasady projektowania energetycznego budynków uwzględnia trzy najważniejsze strategie: 1) redukcja zapotrzebowania energii, 2) efektywne zapotrzebowanie w energię, 3) dominujący udział energii odnawialnej. Realizacja tych zasad wymaga w fazie analiz symulacyjnych integracji następujących modułów: budynku i jego charakterystyki cieplnej, techniki instalacyjnej oraz konwersji energii [33], [21]. W rozprawie doktorskiej główną uwagę poświęcono na moduł związany z techniką instalacyjną oraz jej topologią w układach grzewczych.

2.3.1 Budynek i charakterystyka cieplna

Obliczając charakterystykę energetyczną budynku wpływ mają parametry opisane

w rozdziale 2.1.1 oraz wzorze 2.1 Na sezonowe zapotrzebowanie na ciepło Q H,nd składają się

straty ciepła przez przenikanie Q tr , straty przenikania przez wentylację Q ve , zyski pochodzące

od słońca Q sol oraz zyski pochodzące od ludzi i urządzeń Q int . Te ostatnie wymagają

szczegółowej analizy ze względu na straty pochodzące od instalacji grzewczych oraz od

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 22 z 118

przygotowania ciepłej wody użytkowej. Na charakterystykę budynku (oprócz podstawowych wymienionych wskaźników) istotną rolę odgrywają straty instalacji znajdujących się wewnątrz oraz poza osłoną izolacyjną budynku. Do precyzyjnego obliczenia charakterystyki cieplnej budynki konieczne jest ścisłe kontrolowanie zysków oraz strat pochodzących od instalacji.

Dodatkowo, wyzwaniem technologicznym w obszarze energii użytkowej budynków jest odpowiednia charakterystyka cieplna, na którą wpływ mają następujące moduły:

 Obniżenie strat oraz zysków ciepła przez przenikanie dot.: zwartości budynku (A/V e ), odpowiednie usytuowanie budynku i okien względem stron świata, odpowiednia izolacja termiczna przegród budynku U, izolacje próżniowe i transparentne, wysokoefektywne energetycznie okna U eq , redukcja mostków cieplnych [38].

 Obniżenie strat ciepła wentylacji w budynku, uszczelnienie budynku n 50 przez filtrację [37], wentylacja hybrydowa z odzyskiem ciepła oraz fasady nawiewne.

 Zwiększenie wykorzystania biernego promieniowania słonecznego w okresie zimowym [33].

 Maksymalne zmniejszenie zysków od promieniowania słonecznego w okresie letnim – zmniejszenie obciążeń chłodniczych [33].

 Maksymalne wykorzystanie wewnętrznych zysków ciepła i odpowiednia pojemność cieplna budynku dla ochrony przed nadmiernym wychłodzeniem lub przegrzaniem.

Biorąc pod uwagę powyższe, istotnym jest również sposób projektowania instalacji w oparciu o wskaźniki, które należy kontrolować przy wyznaczaniu charakterystyki cieplnej budynku. Aby móc kontrolować wskaźniki służące do wyznaczenia charakterystyki cieplnej, konieczna jest zmiana w podejściu do sposobu projektowania układów instalacji z obecnych centralnych na układy zdecentralizowane.

2.3.2 Technika instalacyjna i własne źródła energii

Istotnym elementem techniki instalacyjnej jest konfiguracja układu instalacji (centralny lub zdecentralizowany), ponadto ważnym jest umieszczenie urządzeń oraz prowadzenie instalacji w budynku. Wszystkie elementy mają na celu minimalizację strat ciepła, pochodzących od instalacji.

Obniżenie strat jest konieczne w celu uzyskania możliwie najmniejszej różnicy miedzy rocznym zapotrzebowaniem na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji (Q H,nd ), a rocznym zapotrzebowaniem na energię końcową dostarczoną do budynku dla systemu ogrzewania (Q H,K ). Obniżenie strat ciepła wymaga zmiany w zakresie struktury potrzeb cieplnych budynków nowej generacji (nZEB, pasywne) oraz wymagają korekty sposobu zaopatrzenia w ciepło, w celu osiągnięcia racjonalnych wskaźników energetyczno – ekologicznych.

Technika instalacyjna budynków, na którą składa się wzrost sprawności źródła ciepła,

kotły kondensacyjne, ogrzewanie niskotemperaturowe, obniżenie strat dystrybucji ciepła oraz

w urządzeniach akumulacyjnych, a także sterowanie i lepsze dopasowanie do profilu

użytkownika jest jednym z ważnym elementów budowy energooszczędnych budynków [33],

[21]. Uwagę powinny zwrócić zyski oraz straty ciepła pochodzące w szczególności od instalacji

centralnego ogrzewania oraz ciepłej wody użytkowej. W budynkach budowanych przed 2000

rokiem jak również w wielu obecnych, straty wynikające z dystrybucji czynnika na potrzeby

podgrzania ciepłej wody użytkowej przewyższają zapotrzebowanie budynku na ciepło,

powodując jednocześnie jego przegrzewanie. Obecnie, wyzwaniem w technice instalacyjnej

jest takie zaprojektowanie i regulacja instalacji c.o. oraz c.w.u. w budynkach nowej generacji,

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 23 z 118

aby straty pochodzące od instalacji c.w.u. nie przewyższały zapotrzebowania budynku na ciepło na cele c.o.. W związku z powyższym, istotne znaczenie mają nawet najmniejsze wartości zysków pochodzących od instalacji c.w.u. i c.o., które mają wpływ na całkowitą energię końcową budynku.

W celu wyznaczenia energii końcowej budynku konieczne jest kontrolowanie parametrów oraz wskaźników, które służą do wyznaczania sprawności poszczególnych komponentów instalacji grzewczej oraz c.w.u. – zgodnie ze wzorem 2.3 i 2.4. Aby precyzyjnie określić energię końcową, konieczna jest kontrola parametrów przy obliczaniu rocznego zapotrzebowania na ciepło sprawności poszczególnych komponentów instalacji. Jednakże, aby tego dokonać konieczna jest zmiana topologii układów instalacji.

Biorąc pod uwagę powyższe, istotnym jest również zwrócenie uwagi na technikę wentylacyjną budynków niemal zero – energetycznych, która powinna opierać się na zmiennym przepływie powietrza ora wysokoefektywnym odzysku ciepła, a także na obniżeniu strat ciepła na dystrybucji w połączeniu z cyfrową regulacją i dostosowaniem do profilu użytkownika [25]. Jedocześnie, istotnym elementem jest również instalacja chłodnicza oraz wykorzystanie w niej chłodzenia naturalnego wraz z obniżeniem strat chłodu dystrybucji oraz od urządzeń do akumulacji. Dodatkowo, ważnym aspektem jest strategia zarządzania budynkiem.

W nowych budynkach oraz obiektach modernizowanych istnieje wiele możliwości wyboru koncepcji energii na potrzeby ogrzewania i wytwarzania ciepłej wody użytkowej. Każdy system ma swoje zalety i wady. Cechą nowoczesnych systemów ciepłowniczych powinno być niskie zużycie energii końcowej, niska emisja dwutlenku węgla i innych gazów na jednostkę energii końcowej, niezawodności i bezpieczeństwo dostaw ciepła, konkurencyjna cena.

O charakterystyce energetycznej każdego budynku, w którym należy zapewnić komfort cieplny oraz jakość powietrza ,decyduje jego charakterystyka (potrzeby ogrzewania i chłodzenia – energia użytkowa), technika instalacyjna (charakteryzowana przez współczynnik nakładu instalacji lub sprawność całkowitą), potrzeby ogrzewania i chłodzenia, które są pokrywane przez dostarczenie energii końcowej oraz pochodzenie i konwersja energii pierwotnej (zastępczy współczynnik nakładu energii pierwotnej charakteryzuje rodzaj paliwa lub energii wykorzystanej oraz udział energii i zasobów odnawialnych).

Zaopatrzenie budynków w ciepło jest jednym z podstawowych obszarów do skutecznego projektowania budynków niemal zero – energetycznych, tak samo jak instalacja wewnątrz budynku. W niemniejszej pracy wskazano istotne znaczenie strat ciepła w instalacji c.o. i c.w.u.

oraz wpływ na przegrzewanie budynków, w szczególności budynków nowej generacji. Jest to związane przede wszystkim z dużą różnicą między energia użytkową, a energią końcową budynku, która w znacznym stopniu spowodowana jest przez straty wynikające z dystrybucji c.o. i c.w.u.

2.3.3 Źródła ciepła dla budynków i konwersja energii

Źródła ciepła w budynkach (lub źródło zewnętrzne) powinny tak projektowane, aby

wskaźnik EP miał jak najmniejszą wartość. W związku z powyższym, działania poprawiające

efektywność energetyczną powinny być połączone ze zmniejszeniem zużycia energii przez

odbiorców końcowych, indywidualnych użytkowników. Brak świadomości energetycznej

mieszkańców i wynikające z tego codzienne praktyki, (nieodpowiednie regulowanie

grzejników, zasłanianie ich meblami lub zasłonami okiennymi) czynią gospodarkę