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

Musimy zmniejszać popyt na energię poprzez racjonalizację jej zużycia. Istotnym elementem takiego programu powinno być ograniczenie eksploatacyjnej energochłonności budynków. Mówi o tym Dyrektywa 2002/91/WE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków. Wg prognozy podanej w Green Paper "Towards a European Strategy for the security of energy supply", przy zachowaniu efektywności wykorzystania energii na dotychczasowym poziomie, tzn. bez wdrożenia programu oszczędnościowego, w 2030 r. aż 70% energii i surowców energetycznych musiałoby być importowane spoza obszaru UE.

Jednym z podstawowych wyzwań współczesnego świata jest ograniczanie zużycia energii. Wynika to z przyczyn ekonomicznych i ekologicznych. Im wyższe zużycie, tym wyższa emisja zanieczyszczeń do atmosfery. Zmniejszenie zużycia ma także wpływ na zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego świata. Potwierdzeniem tej tezy są powtarzające się zagrożenia wstrzymania dostaw gazu do krajów UE, w tym przede wszystkim do Polski, z Federacji Rosyjskiej oraz kolejne podwyżki ceny tego nośnika energii. Musimy więc zmniejszać popyt na energię poprzez racjonalizację jej zużycia. Istotnym elementem takiego programu powinno być ograniczenie eksploatacyjnej energochłonności budynków. Mówi o tym Dyrektywa 2002/91/WE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [1]. Wg prognozy podanej w Green Paper "Towards a European Strategy for the security of energy supply"[2], przy zachowaniu efektywności wykorzystania energii na dotychczasowym poziomie, tzn. bez wdrożenia programu oszczędnościowego, w 2030 r. aż 70% energii i surowców energetycznych musiałoby być importowane spoza obszaru UE.
Ograniczenie zużycia energii jest także jednym z elementów wdrażania w budownictwie koncepcji zrównoważonego rozwoju, polegającej na oszczędnym wykorzystaniu surowców energetycznych oraz na ochronie środowiska, w celu zachowania tych dóbr dla przyszłych pokoleń.

Struktura bilansu zużycia energii w budynkach

Według różnych szacunków w budynkach zużywane jest od 33 do ponad 40 % całkowitej ilości wytwarzanej energii.  W krajach UE w 1997 r., a więc jeszcze przed jej ostatnim rozszerzeniem, nazywanymi UE 15, udział ten wynosił aż 40,7% [3].
W tablicach 1 i 2 pokazano strukturę bilansu energetycznego w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej w UE 15, a w tablicy 3 strukturę tego bilansu w Polsce. Z danych tych wynika, że podstawowym składnikiem bilansu energetycznego budynków jest ciepło do ogrzewania. W Polsce udział tego składnika jest większy od wartości średniej w wysoko rozwiniętych krajach europejskich, co wynika z surowszych warunków klimatycznych, a także z mniej efektywnych energetycznie rozwiązań technicznych.

Tablica 1. Struktura zużycia energii w budynkach w krajach EU 15 [3]

Tablica 2. Struktura zużycia energii w budynkach mieszkalnych w Polsce [4]

Ciepło do ogrzewania jest zatem podstawowym źródłem potencjalnych oszczędności energetycznych w procesie eksploatacji budynków. Zakres działań technicznych stosowanych w celu zmniejszenia zużycia ciepła do ogrzewania obejmuje:

• zwiększenie izolacyjności cieplnej elementów nieprzezroczystych i przezroczystych w obudowie budynku,
• użyteczne wykorzystanie ciepła promieniowania słonecznego i środowiska zewnętrznego,
• zmniejszenie strat powstających przy wytwarzaniu ciepła w źródłach i jego przesyle do strefy ogrzewanej budynku,
• automatyczną regulację dostawy ciepła do ogrzewanych pomieszczeń dostosowującą ją do chwilowych potrzeb,
• wprowadzenie systemu indywidualnego rozliczania za ciepło w przypadku wielu użytkowników budynku,

Ponieważ zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania odgrywa największą rolę w bilansie energetycznym budynku, więc należy skoncentrować się głównie na tym elemencie.

Ewolucja wymagań  ochrony cieplnej budynków

Najprostszym sposobem stawiania wymagań ochrony cieplnej budynków jest zapewnienie odpowiedniej izolacyjności cieplnej elementów obudowy budynku osiągane dzięki limitowaniu wartości współczynnika przenikania ciepła:

      U ≤U_max

gdzie: U - współczynnik przenikania ciepła przegrody, W/(m²K),
         U_max - graniczna wartość tego współczynnika podawana początkowo w normach, a następnie po wprowadzeniu norm europejskich EN w krajowych przepisach budowlanych, W/(m²K).

 Do pierwszego kryzysu energetycznego w 1973 r., rozwój gospodarczy odbywał się w sposób energochłonny, a aspekty energetyczne nie miały istotnego wpływu na sposób wznoszenia budynków. Wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej przegród były formułowane z uwagi na zabezpieczenie przegród zewnętrznych budynku przed kondensacją powierzchniową i podtapianiem śniegu na dachach. Podwyższenie tych wymagań było reakcją krajów wysoko rozwiniętych, pozbawionych własnych zasobów surowców energetycznych, na gwałtowny wzrost cen gazu i oleju opałowego, podstawowych paliw stosowanych w tych krajach do ogrzewania budynków. W Polsce, gdzie ciepło do ogrzewania uzyskiwano głównie ze spalania węgla, potrzeba ograniczenia zużycia energii na ogrzewanie budynków wystąpiła dopiero po drugim kryzysie energetycznym, który miał miejsce w 1979 r. W 1982 r. ustanowiona została PN-82/B-02020 "Ochrona cieplna budynków. Wymagania i obliczenia" [5], w której rozszerzono zakres wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej na okna i drzwi oraz zwiększono wymagania dotyczące współczynnika przenikania ciepła przegród nieprzezroczystych. Dalsze ich zaostrzenie nastąpiło w drugiej edycji przedmiotowej normy w 1992 r. [6] i związane było z rozpoczęciem procesu urynkowienia cen ciepła i surowców energetycznych. Ewolucję wymagań izolacyjności dotyczących cieplnej przegród w Polsce w okresie ostatnich 50 lat pokazano w tablicy 3, a w tablicy 4 porównano aktualne wymagania w tym zakresie w krajach europejskich. Wymaganie podstawowe nr 6 dotyczące oszczędności energii i ochrony cieplnej, podane w dokumencie interpretacyjnym do dyrektywy 89/106/EWG [7], w którym zaleca się, żeby  budynek i jego instalacje grzewcze, chłodzące i wentylacyjne były projektowane i wykonywane w sposób pozwalający na utrzymanie na niskim poziomie ilości energii wymaganej do jego użytkowania stało się podstawą do nowego sposobu formułowania wymagań ochrony cieplnej budynków.

Tablica 3. Zestawienie maksymalnych wartości współczynnika przenikania ciepła przegród obudowy ogrzewanych pomieszczeń budynku

¹⁾ q_i = 18 °C, ²⁾ q_i = 20 °C, ³⁾ w zależności od strefy klimatycznej, ⁴⁾ w zależności od rodzaju ściany (z otworami lub bez), ⁵⁾ w zależności od rodzaju i konstrukcji ściany.

Tablica 4. Porównanie wymagań dotyczących izolacyjności przegród obudowy budynku w  wybranych krajach europejskich [8]

Taki sposób oceny energetycznej budynku można zastosować w odniesieniu do zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku netto, na energię dostarczaną do budynku nie tylko do ogrzewania, lecz także do podgrzewania wody, albo na energię pierwotną. W tym ostatnim przypadku w bilansie energetycznym można uwzględnić także energię elektryczną niezbędną do napędu pomp i wentylatorów w instalacjach oraz zapotrzebowanie energii do oświetlenia.
W Polsce wprowadzonymi w 1998 r. wymaganiami wyrażonymi w postaci wskaźnika E, odnoszącego się do zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania netto, objęto tylko budynki mieszkalne i zamieszkania zbiorowego [9]. Sposób obliczania tego zapotrzebowania, w którym uwzględniane są straty ciepła do otoczenia - przez przenikanie i na podgrzanie powietrza wentylacyjnego - oraz zyski ciepła - bytowe i promieniowania słonecznego przenikającego przez przegrody przezroczyste, podany został w normie krajowej PN-B-02025 [10]. Pierwsza edycja tej normy pojawiła się w 1998 r., czyli w tym samym czasie, co norma międzynarodowa EN 823 [11] dotycząca obliczeń sezonowego zapotrzebowania na energię dostarczoną do ogrzewania budynków mieszkalnych. W polskich wymaganiach graniczną wartość wskaźnika E₀ uzależniono od współczynnika kształtu budynku   A/V, określającego stosunek pola powierzchni obudowy ogrzewanej części budynku do jej kubatury:

E₀ = 29 kWh/(m^3.rok) przy A/V # 0,20,
E₀ = 26,6 + 12 A/V kWh/(m^3.rok) przy 0,20 < A/V < 0,90,
E₀ = 37,4 kWh/(m^3.rok) przy A/V 3 0,90.

Według aktualnie obowiązujących przepisów budowlanych, w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych i zamieszkania zbiorowego powinny być spełnione zarówno wymagania dotyczące granicznej wartości współczynnika E₀ i współczynnika U_max.

Na rysunku 1 porównano wymagania dotyczące zużycia energii w budynkach w krajach UE w okresie przygotowywania Dyrektywy 2002/91/WE (koniec 2001 r.). Wymagania te są surowsze niż obowiązujące aktualnie w Polsce. Obecnie w związku z wdrażaniem tej dyrektywy następują zmiany zarówno sposobu ich formułowania, jak i wartości granicznych wskaźników.
Na przykład w nowych wymaganiach, wprowadzonych w 2006 r. w Danii [12], wskaźnik zapotrzebowania na energię do ogrzewania, wentylacji, podgrzewania wody i chłodzenia, przeliczona na energię pierwotną, w budynkach mieszkalnych nie powinien przekroczyć wartości granicznej określanej z zależności:

Zużycie ciepła do ogrzewania w budynkach istniejących w Polsce

Struktura wiekowa budynków w Polsce

Dane statystyczne dotyczące struktury wiekowej budynków dostępne są jedynie w odniesieniu do najliczniejszej ich grupy tzn. do budynków mieszkalnych (tablica 5). Jest ona dość zbliżona do struktury wiekowej budynków w krajach EU 15, w których (wg stanu na rok 1995) około 32 % budynków zostało wzniesionych przed 1945 r., około 40 % w latach od 1945 do 1973-75, a 28 % w latach 1973-95. Z danych statystycznych wynika, że jedynie około 15 % budynków wybudowanych było w okresie, kiedy obowiązywały surowsze wymagania dotyczące ochrony cieplnej.

Rys. 1. Porównanie wymagań wyrażonych za pomocą wskaźnika zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania w krajach UE 15 (stan na koniec 2001 r.)

Tablica 5. Struktura wiekowa zasobów mieszkaniowych w Polsce wg danych ze spisu powszechnego w 2002 r. [13]

Ocena zużycia ciepła do ogrzewania w budynkach istniejących

Według danych publikowanych w literaturze technicznej przeciętne roczne zużycie energii na ogrzewanie w budynkach mieszkalnych zbudowanych w Polsce do 1985 r. wynosi od 240 do 380 kWh/(m²a). Dla porównania we Francji, mimo łagodniejszego klimatu, w starych budynkach na ogrzewanie zużywa się aż 420 kWh/(m^2.rok). Różnicę tę można wytłumaczyć znacznie mniejszą izolacyjnością obudowy budynków we Francji, przejawiającą się np. tym, że w budynkach tych powszechnie stosowane było pojedyncze oszklenie okien - w końcu XX wieku tylko 52% okien we Francji miało podwójne oszklenie. 
Na rysunku 2 pokazano ocenę zużycia ciepła do ogrzewania budynków mieszkalnych wybudowanych do 1985 r., w których nie wykonano żadnych zabiegów modernizacyjnych powodujących zmniejszenie zużycia ciepła na ogrzewanie i wznoszonych obecnie odpowiadających aktualnym wymaganiom ochrony cieplnej. W ciągu ostatnich 15 lat w znacznej część budynków mieszkalnych, szczególnie tych, które były wybudowane w latach 1970-1985 w technologiach wielkopłytowych, przeprowadzone zostały działania termomodernizacyjne, których celem było zmniejszenie  zużycia energii do ich ogrzewania. W ramach tych działań przeprowadzane są następujące prace: docieplanie przegród obudowy budynków - głównie ścian zewnętrznych, wymiana okien, wyposażenie węzłów ciepłowniczych w regulatory pogodowe, a instalacji c.o. w grzejnikowe zawory termostatyczne oraz naprawa i poprawa izolacji cieplnych rurociągów, urządzeń i armatury zlokalizowanych w pomieszczeniach nieogrzewanych. Średnie zapotrzebowanie na ciepło budynków poddanych termomodernizacji jest trudne do oszacowania, ponieważ w większości przypadków przeprowadzone zostały tylko niektóre, z wyżej wymienionych działań, np. wykonano tylko docieplenie ściany, lub jedynie wymieniono okna. W tablicy 5 pokazano wyniki analizy efektów energetycznych wariantowych rozwiązań termomodernizacji wielorodzinnego budynku mieszkalnego wykonanego w technologii wielkiej płyty na początku lat 80. ubiegłego wieku.

Talica 6. Porównanie efektów wariantowych rozwiązań termomodernizacji budynku mieszkalnego wielorodzinnego

Współczynnik kształtu analizowanego budynku jest równy A/V = 0,34, a odpowiadająca mu graniczna wartość E₀ = 30.7 kWh/(m^3.rok). Zatem doprowadzenie budynku do stanu, w którym spełnione są aktualne wymagania ochrony cieplnej budynków wymaga przeprowadzenia kompleksowej jego termomodernizacji obejmującej wszystkie elementy jego obudowy.

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

Warto przeczytać: Co architekt i inżynier budowlany powinni wiedzieć z fizyki budowli?

Piśmiennictwo