ADOLF MIROWSKI
OCENA I CERTYFIKACJA BUDYNKÓW ORAZ SYSTEMÓW ICH OGRZEWANIA ZE WZGLĘDU NA EMISJĘ ZANIECZYSZCZEŃ DO
POWIETRZA
Instytut Certyfikacji Emisji Budynków Sp. z o.o.
Wstęp
W celu ułatwienia komunikacji między ludźmi w zakresie wpływu budynku na jakość powietrza w Instytucie Certyfikacji Emisji Budynków (ICEB) opracowano prostą metodę jego oceny wraz ze źródłem ciepła pracującego na jego potrzeby. Jest to prosty do interpretacji system opracowanych klas oraz oznakowania budynków. System ten umożliwia łatwą i przejrzystą ocenę a także i wzajemne porównywanie budynków w zakresie emisji zanieczyszczeń do powietrza. Dokumentami potwierdzającymi jakość budynku są certyfikaty PreQurs potwierdzające klasy jakości oraz zewnętrzne oznakowane serii „NO SMOG”.
1. Podstawy certyfikacji
Prostota tych certyfikatów polega na tym, że budynek oceniany pod względem niskiej i ogólnej emisji umownie „przykrywa się kloszem” i określa się masę zanieczyszczeń, która zostanie wytworzona w ciągu roku przy produkcji ciepła na potrzeby ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Wynik otrzymany w rocznym bilansie budynku porównuje się do masy zanieczyszczeń jaka zostałaby wytworzona przez budynek referencyjny (znajdujący się również pod kloszem) wyposażony w kotłownię węglową lub olejową (rys. 1, 2).
Rys. 1. Budynki przyłączone do ciepła systemowego oceniane pod względem niskiej emisji w odniesieniu do budynku referencyjnego wyposażonego w kotłownię węglową,
(m3j + m4j) – łączna masa zanieczyszczenia „j’ wyemitowanego do powietrza przez ciepłownię i elektrownię w ciągu roku na potrzeby budynku ocenianego,
(m2j + m5j) – łączna masa zanieczyszczenia „j’ wyemitowanego do powietrza przez budynek referencyjny wyposażony w kotłownię węglową i elektrownię w ciągu roku,
W Polsce najczęściej porównuje się budynek oceniany do budynku referencyjnego wyposażonego w kotłownię węglową. W krajach gdzie węgiel nie jest już praktycznie od
wielu lat używany, budynek oceniany porównuje się do budynku referencyjnego wyposażonego w kotłownię na lekki olej opałowy.
Na tej podstawie oceniany jest budynek i jego źródło energii elektrycznej lub energii elektrycznej i ciepła, tj. o ile procent (stopień redukcji S ) lub ile razy (krotność redukcji K ) mniej lub więcej wyemitował on zanieczyszczeń do powietrza w ciągu roku w porównaniu do budynku referencyjnego. Jeden z certyfikatów dotyczy niskiej emisji, w którym oceniana jest całkowita emisja pyłów zawieszonych (TSP) oraz benzo(a)pirenu (B(a)P). Oceniana jest także emisja dwutlenku węgla (CO2 ), który nie jest niebezpieczny, ale stanowi gaz cieplarniany.
Drugi z certyfikatów, dotyczący ogólnej emisji, zawiera ocenę całkowitej emisji pyłu zawieszonego (TSP) i benzo(a)pirenu (B(a)P). Dodatkowo oceniana jest także emisja dwutlenku węgla (CO2), dwutlenku siarki (SO2), tlenków azotu (NOX) oraz tlenku węgla (CO).
Certyfikaty PreQurs występują zatem parami. Na tej podstawie przyznaje się klasy i znaki jakości budynków ze względu na emisję zanieczyszczeń do powietrza.
Rozpatrzmy budynek wielorodzinny zasilany z kotłowni węglowej, który w ramach termomodernizacji zostanie przyłączony do ciepła systemowego (sieci ciepłowniczej). W analogiczny sposób możemy rozpatrzyć budynek zasilany z kotłowni olejowej.
2. Przykładowa ocena budynku w zakresie niskiej emisji zanieczyszczeń do powietrza przyłączony do ciepła systemowego
W przypadki oceny niskiej emisji zanieczyszczeń do powietrza (patrz przykład budynku zasilanego z sieci ciepłowniczej rys. 1.) wyznaczenie krotności Knj zanieczyszczeń dowolnej substancji szkodliwej “j” emitowanej do powietrza obliczane jest według poniższej zależności:
x
j j
nj m
x m
K
3
2 (1)
gdzie:
m2j - masa zanieczyszczenia “j” wyemitowana przez referencyjny budynek z kotłownią węglową (w analizowanym budynku emisja pyłu zawieszonego TSP wynosi m2TSP = 58,87 kg/rok), m3j - masa zanieczyszczenia “j” wyemitowana przez ciepłownię na potrzeby ocenianego budynku z uwzględnieniem sprawności przesyłania ciepła (w analizowanym budynku po przyłączeniu do ciepła systemowego jego emisja pośrednia pyłu zawieszonego wynosi m3TSP = 5,08 kg/rok), x - współczynnik regulujący; x = 1 gdy m2j > m3j oraz x = -1 gdy m2j < m3j
(przy tym budynku x = 1).
Zależność ta obowiązuje, gdy wysokość komina ciepłowni od poziomu gruntu h jest niższa od tzw. wysokości granicznej hgr. W przypadku gdy wysokość komina ciepłowni h jest równa lub wyższa od wysokości granicznej hgr przyjmuje się krotność redukcji Knj > 1000 i na tej podstawie przyznaje się minimum klasę redukcji A z opisem NE (NIE EMITUJĘ) i znak „NO SMOG”. W zależności od udziału bezemisyjnej energii OZE przyznaje się zgodnie z klasyfikacją wyszególnioną w tabeli nr 1 odpowiednią klasę redukcji „A” lub wyżej.
Wysokość graniczną w tym przypadku wyznaczono na poziomie hgr = 35 m. W sytuacji gdyby zatem wysokość komina ciepłowni wynosiła h < 35 m po przyjęciu danych jak wyżej krotność redukcji niskiej emisji pyłu TSP wyniesie:
11,59 08
, 5
87 , 1 58
1
nTSP
K (2)
Wówczas przyznano by klasę redukcji niskiej emisji typu B - na podstawie klasyfikacji wyszególnionej w tabeli nr 1, co jest równoznaczne z przyznaniem znaku „LOW SMOG” na szarym polu (tabela 1).
Tabela 1. Wyszczególnienie krotności i stopni redukcji oraz klas znaków niskiej emisji ocenianego budynku oraz nazewnictwa w porównaniu z budynkiem referencyjnym wyposażonym w kotłownię węglowa
3. Przykładowa ocena budynku w zakresie ogólnej emisji zanieczyszczeń do powietrza
W przypadku oceny redukcji ogólnej emisji zanieczyszczeń do powietrza (patrz przykład budynku zasilanego z sieci ciepłowniczej rys. 1) wyznaczenie krotności Koj zanieczyszczeń dowolnej substancji szkodliwej “j” do powietrza obliczane jest według poniższej zależności:
x
j j
j j
oj m m
m x m
K
4 3
5
2 (3)
gdzie dodatkowo:
m5j - masa zanieczyszczenia “j” wyemitowana przez krajowy system energetyczny na wytworzenie energii elektrycznej niezbędnej do pracy kotłowni węglowej w budynku referencyjnym
(m5TSP = 0,073 kg/rok),
m4j - masa zanieczyszczenia “j” wyemitowana przez krajowy system energetyczny na wytworzenie energii elektrycznej niezbędnej do pracy ciepłowni na potrzeby ocenianego budynku z uwzględnieniem transportu ciepła (m4TSP = 0,047 kg/rok).
Po podstawieniu danych krotność ogólnej redukcji pyłu TSP do powietrza w przypadku analizowanego budynku wyniesie:
11,50 047
, 0 08 , 5
073 , 0 87 , 1 58
1
oj
K (4)
Na tej podstawie przyznaje się w przypadku pyłu zawieszonego TSP (zgodnie z tabelą nr 1) klasę redukcji ogólnej emisji typu B. Na certyfikacie poświadczającym jakość budynku ze względu na ogólną emisję umieszcza się również uzyskany znak budynku ze względu na redukcję niskiej emisji zanieczyszczeń do powietrza serii ”NO SMOG”.
W analogiczny sposób możemy przeanalizować np. budynek wyposażony w pompę ciepła (rys. 2)
Rys. 2. Budynki wyposażone w sprężarkowe pompy ciepła oceniane pod względem niskiej emisji w odniesieniu do budynku referencyjnego wyposażonego w kotłownię węglową,
(m3j + m4j) – łączna masa zanieczyszczenia „j’ wyemitowanego do powietrza przez krajowy system energetyczny w ciągu roku na potrzeby pompy ciepła budynku ocenianego,
(m2j + m5j) – łączna masa zanieczyszczenia „j’ wyemitowanego do powietrza przez budynek referencyjny wyposażony w kotłownię węglową i elektrownię w ciągu roku,
Rys. 3. Przykład certyfikatów PreQurs budynku w zakresie niskiej i ogólnej emisji zanieczyszczeń do powietrza
4. Zbiorcze porównanie technologii grzewczych w zakresie emisji
Na podstawie analizy certyfikatów "PreQurs" oraz znaków "NO SMOG" przykładowych budynków, wyposażonych w róże sposoby ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej wykonano ogólne zestawienie zbiorcze ze względu na emisję pyłu TSP i benzo(a)pirenu, które zawarto w tabeli 2.
Tabela 2. Tabelaryczne zestawienie klas i znaków jakości budynków wyposażonych w różne technologie ogrzewania oraz przygotowania c.w.u. ze względu na emisję zanieczyszczeń pyłu zawieszonego i benzo(a)pirenu
do powietrza w odniesieniu do budynku referencyjnego wyposażonego w kotłownię węglową
W oparciu o zestawienie zbiorcze (tabela 2), mając na uwadze poprawę jakości powierza w strefie przebywania ludzi można wysnuć szereg bardzo pomocnych wniosków przy podejmowaniu decyzji zarówno przez użytkowników budynków, samorządców, architektów, audytorów, doradców energetycznych, projektantów i wykonawców odnośnie sposobu ogrzewania budynku oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Oto niektóre z nich.
Po uwzględnieniu maksymalnych dziennych stężeń benzo(a)pirenu wynoszących nawet 50 ng/m3 oraz dopuszczalnego stężenia średniorocznego 1 ng/m3 stwierdza się, że w takich obszarach należy wspierać wyłącznie te rozwiązania, które gwarantują krotność redukcji tej substancji oraz pyłu zawieszonego w porównaniu do referencyjnej kotłowni węgłowej na poziomie Kj > 100. Jak wnika z tabeli 2 są to rozwiązania co najmniej klasy A ze znakiem "NO SMOG".
Rozwiązania klasy A i B ze znakiem ze znakiem "LOW SMOG" można dopuścić w rzadkiej i bardzo rzadkiej zabudowie na terenie płaskim pod warunkiem braku możliwość występowania przygruntowej inwersji temperaturowej i dużym przewietrzaniu terenu. Nie zaleca się takich rozwiązań np. w kotlinach, o gęstej zabudowie, terenach miejskich, w szczególności gdy często występuję przygruntowa inwersja temperaturowa.
Termomodernizacja budynku polegająca jedynie na ociepleniu przegród budowlanych, wymianie stolarki etc. nawet przy dwukrotnym obniżeniu zapotrzebowania na ciepło ale przy pozostawieniu rozwiązań klasy D i niżej nie rozwiązuje przyczyn powstawania przekroczeń substancji szkodliwych w powietrzu. Przykładowo gdyby na obszarze gdzie stężenie benzo(a)pirenu przekracza nawet 50 ng/m3 w wszystkich budynkach obniżyć zapotrzebowania na ciepło dwukrotnie, to prawdopodobnie maksymalne dzienne stężenia bezno(a)pirenu było by na poziomie 30 ng/m3 - zatem daleko jeszcze od poziomu wynoszącego 1 ng/m3.
Termomodernizacja budynku polegająca jedynie na jego doposażeniu w kolektory słoneczne, pompy ciepła tylko do ciepłej wody użytkowej przy pozostawieniu rozwiązań klasy D i niższych nie rozwiązuje przyczyn powstawania przekroczeń substancji szkodliwych w powietrzu w okresie sezonu grzewczego. Jedynie poza sezonem grzewczym (w którym zazwyczaj nie występują przekroczenia substancji szkodliwych w powietrzu) gwarantują one komfortowe warunki w zakresie czystości powietrza gdyż eliminują częste rozruchu kotłów na paliwa stałe. Zatem w podsumowaniu można stwierdzić, że nie rozwiązują one podstawowych problemów związanych z niską emisją.
Termomodernizacja budynku polegająca jedynie na jego doposażeniu w instalacje fotowoltaiczną, przy pozostawieniu rozwiązań klasy B i niżej nie wnosi praktycznie żadnych korzystnych działań w zakresie obniżenia stężeń substancji szkodliwych w powietrzu w jego bezpośrednim otoczeniu. Z pewnością w takiej sytuacji wątpliwe jest wspieranie instalacji fotowoltaicznych w Polsce poprzez ich dofinansowane ze środków publicznych przeznaczonych na likwidację niskiej emisji jeśli nie planuje się takich rozwiązań jak niżej.
Instalacje fotowoltaiczne i inne bezemisyjne źródła energii elektrycznej są uzasadnione są przede wszystkim w tych budynkach, w których w pierwszej kolejności instalowane są rozwiązania klasy A z napędem elektrycznym jak np.
sprężarkowe pompy ciepła oraz ew. kotły i promienniki elektryczne. Przy czym należy mieć na uwadze fakt, że urządzenia grzewcze takie jak kotły elektryczne i promienniki likwidują wprawdzie niską emisję ale w porównaniu do indywidualnych kotłów węglowych lecz zasilane z krajowego systemu energetycznego przyczyniają się do wzrostu emisji CO2 co najmniej o 40 do 60 % za pośrednictwem elektrowni i elektrociepłowni.
Uwzględniając zmienność zawartości substancji szkodliwych w spalinach pochodzących z kotłów na paliwa stałe wskutek różnej jakości tych paliw, warunków pracy w instalacji jak np. temperatura zasilania i powrotu, obecność lub brak stabilizującego bufora wody grzewczej, i dodatkowo ew. brak regularnych przeglądów serwisowych a także możliwość współspalania innych ciał stałych przez użytkownika stwierdza się, że obecnie ta technologia nie jest już perspektywiczna i rozwojowa. Zatem takie rozwiązania mogą być zalecane jako rezerwowe oraz awaryjne źródła ciepła.
Jednym z powszechnie możliwym, prostym w zastosowaniu i skutecznym sposobem likwidacji niskiej emisji zanieczyszczeń do powietrza jest wykorzystanie rozwiązań wykorzystujących gaz ziemny lub ciekły (LPG) a nawet lekki olej opałowy. W przypadku użycia tych paliw, a szczególnie gazu ziemnego i LPG pyły zawieszone i benzo(a)piren praktycznie nie występują.
Z przeprowadzonej analizy wynika, że ciepłownie i elektrociepłownie zawodowe zasilające ciepło systemowe są jednym z najbardziej skutecznych narzędzi w walce z niską emisją zanieczyszczeń do powietrza w Polsce. Rozwiązanie te jak pokazuje praktyka mogą również wykorzystywać różne technologie bazujące na odnawialnych i bezemisyjnych źródłach energii. Należy zauważyć, że zdecydowana większość budynków jednorodzinnych w Polsce (z kotłami na paliwo stałe) nie może być przyłączona do sieci ciepłowniczej z uwagi na brak takiej możliwości.
Praktyczną możliwość likwidacji niskiej emisji dają elektryczne urządzenia grzewcze korzystające z energii elektrycznej z polskich elektrociepłowni i elektrowni zawodowych opalanych głównie węglem kamienny i brunatnym. Wytwarzane przez nie energia elektryczna jest dostarczana do każdego gospodarstwa domowego w Polsce. Jeśli rozważymy możliwość powszechnego zastosowania sprężarkowych pomp ciepła z napędem elektrycznym do ogrzewania budynków i przygotowania ciepłej wody użytkowej, to z całą pewnością możemy stwierdzić, że to połączenie tworzy podwaliny do utworzenia systemu ciepłowniczego nowej generacji (w skrócie SCNG) lub ciepła systemowego nowej generacji (w skrócie CSNG). Rozwiązania te będą charakteryzować się znacząco wyższą efektywnością, korzystaniem z energii z OZE i wyraźnie niższymi kosztami eksploatacji przy całkowitym i trwałym efekcie likwidacji niskiej emisji zanieczyszczeń powietrza. Rezultaty powyższe ulegną jeszcze dalszej poprawie przez ew. dekarbonizację systemów energetycznych do wytwarzania energii elektrycznej w Polsce.
Autor opracowania rekomenduje powyższe wnioski także pracownikom banków, WFOŚiGW (Wojewódzkich Funduszy Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej) oraz innych organizacji przyznających dofinansowanie i środki pomocowe na projekty związane z poprawą jakości powietrza.
Instytucją uprawnioną do certyfikacji budynków jest nowo powstały Instytut Emisji Zanieczyszczeń Budynków - „ICEB" z siedzibą w Krakowie. Przyjęta klasyfikacja stopnia redukcji i krotności redukcji zanieczyszczeń do powietrza jest pomysłem autorskim i z tego powodu jest zastrzeżona. Świadectwa sporządzane na podstawie przyjętej klasyfikacji (lub podobnej) mogą być wydawane wyłącznie w porozumieniu z Instytutem Certyfikacji Emisji Budynków (ICEB) w Krakowie.
5. Program Promocji Ciepła Systemowego
W ramach prac ICEB opracowano kilka programów edukacyjno-promocyjnych, których celem jest eliminacja zjawiska smogu oraz poprawa jakości powietrza. Jednym z nich jest Program Promocji Ciepła Systemowego. Jest to program opracowany wspólnie z Izbą Gospodarczą Ciepłownictwo Polskie. W jego zakresie jest certyfikacja ciepła systemowego u wybranych dostawców pod kątem oceny jego wpływu na zjawisko smogu - zgodnie z systemem opracowanym przez ICEB. Narzędziami do opisu tego wpływu są opracowane klasy jakości zawarte w certyfikatach PreQurs (tab. 1, rys. 3) oraz etykiety budynków tj.
oznakowanie serii NO SMOG (tab. 1, rys. 4).
Rys. 4. Przykłady oznakowania zewnętrznego budynków zasilanych certyfikowanym ciepłem systemowym
Do tego programem przystąpiło kilkudziesięciu dostawców ciepła systemowego na terenie całej Polski. Wykaz ich logo na dzień 01.02.2018 według kolejności przebiegu certyfikacji zestawiono w tabeli 3.
Tabela 3. Wykaz logo dostawców na dzień 01.02.2018 według kolejności przebiegu certyfikacji
B. Podlaska Opole Gliwice Wałbrzych Świdnica Gniezno
Inowrocław Malbork Olsztyn Suwałki Stargard Łobez
Barlinek Darłowo Kościerzyna Cieszyn Lublin Żyrardów
Radom Przemyśl Rzeszów Ropczyce Tarnów Białystok
Na podstawie zebranych danych dotyczących wskaźników emisji oraz wysokości kominów podmiotów, które zostały poddane certyfikacji stwierdzono, że budynki zasilane ciepłem systemowym nie stanowią bezpośrednio źródeł przekroczenia dopuszczalnych stężeń szkodliwych substancji w powietrzu w ramach tzw. niskiej emisji (te budynki nie potrzebują kominów). Ponadto pośrednio poprzez emisję pochodzącą ze źródeł ciepła zasilających ciepło systemowe również nie wpływają na przekroczenia dopuszczalnych stężeń szkodliwych substancji w powietrzu.
Jednym z podstawowych powodów są znaczne wysokości kominów ciepłowni przekraczających tzw. wysokość graniczną, poniżej której zaliczono by je do tzw. niskiej emisji. W kilu przypadkach taka wysokość kominów była zaliczona do niskiej emisji. Były to wyłącznie ciepłownie bazujące na paliwie gazowym, w przypadku którego praktycznie nie emitowane są pyły zawieszone oraz wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne.
Drugim powodem są wielokrotnie nisze wskaźniki emisji pyłów zawieszonych oraz wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (benzo(a)pirenu) odniesionych do ciepła, w przypadku ciepłowni węglowych w porównaniu z typową, lokalną kotłownią węglową. Potwierdzeniem jest wykres (rys. 5), na którym przedstawiono średnioważone krotności redukcji emisji ogólnej przez ciepło systemowe (Koj_sw) różnych substancji „j” do powietrza.
Rys. 5. Średnioważone wartości krotności redukcji ogólnej emisji substancji szkodliwych do powietrza dostawców ciepła systemowego poddanych certyfikacji w porównaniu do lokalnej, indywidulanej kotłowni
węglowej.
Zwraca się uwagę, że w przypadku pyłów zawieszonych (TSP) oraz benzo(a)pirenu (B(a)P) średnioważona krotność emisji certyfikowanego ciepła systemowego wyniosła odpowiednio KoTSP-sw = 35 i KoB(a)P-sw = 93. Na tej podstawie ciepłu systemowemu pod dokładnej analizie każdego przypadku przyznawano klasę A (np. rys. 3). Po spełnieniu tego warunku budynki zasilane takim ciepłem systemowym nabierają prawo do znakowania typu „NO SMOG”.
W jednym przypadku przyznano znak typu „LOW SMOG” (tab. 4).
Wykaz znaków serii NO SMOG w przypadku certyfikowanych dostawców ciepła systemowego zestawiono w tabeli poniżej.
Tabela 4. Wykaz przyznanych znaków serii No SMOG na dzień 01.02.2018 według udziału energii OZE w certyfikowanym cieple systemowym
0 50 100 150 200 250 Koj_sw
TSP B(a)P CO2 SO2 NOx CO
6. Program Promocji Bezemisyjnych i Urządzeń Grzewczych o Małej Emisji Kolejny programem jest certyfikacja urządzeń grzewczych producentów jak kotły oraz pompy ciepła. Nabywając takie urządzenie budynek już zyskuję odpowiednią klasę w zakresie jego wpływu na jakość powietrza
Podsumowanie
Na podstawie przeprowadzonych analiz danych dostawców ciepła systemowego jednoznacznie wynika, że ciepłownie i elektrociepłownie zawodowe w znacznej mierze dzięki wysokości kominów nie są przyczyną przekroczeń stężeń szkodliwych substancji w powietrzu w strefie przebywania ludzi.
Budynki zasilane ciepłem systemowym można uznać za neutralne, gdyż z uwagi na brak kominów nie emitują one bezpośrednio zanieczyszczeń do powietrza w obszarze uznanym za strefę niskiej emisji.
W porównaniu do indywidulanej kotłowni węglowej poddane analizie ciepłownie oraz elektrociepłownie zawodowe emitują wielokrotnie mniej szczególnie szkodliwych substancji do powietrza jak pyły zawieszone i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne.
Opracowany system weryfikacji i narzędzia oceny jak klasy jakości (certyfikaty PreQurs) oraz oznakowanie (znaki NO SMOG) pozwalają na jasną i przejrzystą komunikację z aktualnymi oraz potencjalnymi odbiorcami ciepła systemowego w zakresie wpływu ciepła systemowego na jakość powietrza w kontekście walki z powszechnym w Polsce zjawiskiem smogu.
W przypadku gdy brak jest ciepła systemowego najbardziej skutecznym rozwiązaniem ogrzewania budynku są pompy ciepła oraz kotły gazowe lub olejowe.
Literatura
[1] Mirowski A., Ocena budynków i sposobów ich ogrzewania ze względu na emisję zanieczyszczeń do powietrza, Certyfikaty PreQurs i oznakowanie serii NO SMOG, Praktyczny poradnik dla każdego,
ICEB, Kraków 2018
