Program Czyste Powietrze
Wymogi techniczne programu Czyste Powietrze w zakresie izolacyjności przegród opierają się o wymogi przyszłych Warunków Technicznych (WT 2021). Będą one mocno wspierać stosowanie efektywnych technologii w nowych budynkach takich jak pompy ciepła oraz systemy fotowoltaiczne. Wymuszą również powszechne stosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła (rekuperacją).
Zmiana wartości współczynników przenikania i EP
Nowe Warunki Techniczne zaczną obowiązywać od 1 stycznia 2021 r. Przyczynią się one do obniżenia granicznych wartości maks. współczynnika przenikania ciepła przegród budowlanych Umax (tab. 1) oraz wskaźnika rocznego obliczeniowego zapotrzebowania budynku na nieodnawialną energię pierwotną EPmax (tab. 2). Niewątpliwie wpłyną na stosunkowo duże zwiększenie izolacyjności przegród budowlanych.
Tab. 1 Maksymalna wartość Umax zależnie od rodzaju przegrody
Tab. 2 Maksymalna wartość wskaźnika EPmax według WT
Izolacyjność cieplna a zapotrzebowanie na energię pierwotną
Izolacyjność cieplna przegród budowlanych bez wątpienia wpływa na sezonowe zapotrzebowanie ciepła użytkowego do ogrzewania. Z kolei zapotrzebowanie energii pierwotnej (EP) związane jest przede wszystkim z wyposażeniem technicznym budynku i rodzajem zastosowanego źródła ciepła.
Aby sprawdzić, jakie rozwiązania spełnią wyższe wymagania energetyczne WT 2021 w odniesieniu do nowych domów jednorodzinnych, wykonaliśmy analizę porównawczą. Oceniliśmy w niej wpływ zastosowania różnych źródeł ciepła (i wariantów wentylacji) w typowym budynku jednorodzinnym na wartość EP. Dodatkowo uwzględniliśmy cechy praktyczne poszczególnych rozwiązań.
Nasz analizowany budynek jednorodzinny
Do analizy wybraliśmy gotowy projekt domu jednorodzinnego z poddaszem użytkowym, o oznaczeniu z226 (rys. 1), cechujący się dużą liczbą realizacji. Łączna powierzchnia użytkowa domu to 128 m2 (razem ze stanowiskiem garażowym). Jako lokalizację inwestycji przyjęliśmy Kraków (III strefa klimatyczna i typowy rozkład temperatury zewnętrznej dla Polski). Założyliśmy również, że budynek jest właściwie zorientowany względem stron świata: dużymi przeszkleniami na południe.
Wybór projektu tak małego domu nie był przypadkowy. Można przypuszczać, że tak jak w innych krajach europejskich, tak i w Polsce coraz częściej będą budowane domy o powierzchni ok. 130 m2 lub mniejsze.
W każdym wariancie, który analizowaliśmy, przegrody budowlane domu spełniały wymagania izolacyjności cieplnej. W związku z tym współczynniki przenikania ciepła U elementów budowlanych nie przekraczały opisanych w WT 2017 i WT 2021 wartości Umax oraz wartości szczelności powietrznej n50.
Warto zauważyć, że w wielu typowych projektach domów jednorodzinnych spełniane są jedynie minimalne wymagania odnośnie do współczynnika U oraz izolacyjności.
Można przypuszczać, że jest to spowodowane chęcią maksymalnego obniżenia kosztów inwestycji, tak aby dany projekt był atrakcyjny. Jeżeli zatem w obecnie obowiązujących Warunkach Technicznych 2017 występuje wymóg wartości wsp. U dla ściany zewnętrznej 0,23 W/(m2K), to w projekcie wartość ta również będzie wynosić około 0,23 W/(m2K).
Porównanie wariantów ogrzewania i wentylacji
W poszukiwaniu rozwiązań pozwalających spełnić wymagania EPmaks według WT 2017 i WT 2021, przeprowadziliśmy obliczenia zapotrzebowania energii końcowej i pierwotnej EP dla ośmiu wariantów źródeł ciepła (tab. 3). Zasilają one instalację płaszczyznowego centralnego ogrzewania wodnego oraz zasobnikowy układ c.w.u.
Tab. 3 Warianty rozwiązań w zakresie ogrzewania i wentylacji poddane analizie porównawczej
Analizowane warianty obejmują typowe rodzaje źródeł ciepła stosowane w nowych domach jednorodzinnych: kocioł na węgiel (groszek), na biomasę (pellet), kondensacyjny kocioł gazowy oraz pompy ciepła.
Wariant 1 (Węgiel – groszek)
Wariant ten nie jest w stanie spełnić wymagań EP według WT 2017 i WT 2021. Jest to rozwiązanie kłopotliwe dla użytkowników ze względu na konieczność obsługi kotła, magazynowania paliwa i usuwania produktów spalania. To, co mocno utrudnia zastosowanie tego rozwiązania, to konieczność wygospodarowania przestrzeni w budynku na kotłownię, magazyn paliwa, bufor wody grzewczej. Wysokie są też łączne nakłady finansowe wykonania komina spalinowego i wentylacyjnego.
Wariant 2 (Biomasa – pellet)
Pomimo stosunkowo wysokiego zapotrzebowania energii użytkowej EU i końcowej EK, wariant ten spełnia wymagania EP, zarówno wg WT 2017, jak i WT 2021. Jest możliwe dzięki temu, że biomasa charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem nakładu energii pierwotnej wynoszącym wi=0,2. Wysokie zapotrzebowanie energii użytkowej EU świadczy jednak o energochłonności budynku. Natomiast wysokie zapotrzebowanie energii końcowej EK zapowiada znaczne koszty ogrzewania domu (paliwo i energia elektryczna niezbędna do pracy kotła i instalacji). Podobnie jak wariant 1 jest to rozwiązanie kłopotliwe dla użytkowników ze względu na konieczność obsługi kotła, magazynowania paliwa i usuwania produktów spalania. W budynku trzeba wygospodarować miejsce na kotłownię, magazyn biomasy, bufor wody grzewczej. Wysokie są też nakłady na budowę komina spalinowego i wentylacyjnego.
Wariant 3 (Gaz / w. grawitacyjna)
Przy zastosowaniu gazowego kotła kondensacyjnego jako źródła ciepła i wentylacji grawitacyjnej analizowany dom przekracza maksymalne wartości EP według WT 2017 i WT 2021. Spełnienie minimalnych wymagań Umax i n50 (wg projektu) nie oznacza zatem automatycznego spełnienia warunku EP, nawet z zastosowaniem kotła kondensacyjnego.
Wariant 4 (Gaz / w. mechaniczna)
Zastosowanie kotła kondensacyjnego oraz wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła (rekuperacją) nadal nie wystarcza, aby uzyskać odpowiednią wartość EP wg WT 2017 i WT 2021. Kolejny raz okazuje się zatem, że spełnienie minimalnych wymagań Umax i n50 nie oznacza automatycznego spełnienia warunku EP, nawet przy wykorzystaniu nowoczesnego, kondensacyjnego źródła ciepła i wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła (rekuperacją). Również zastosowanie w analizowanym budynku wymogów izolacyjnych ze standardu NF 40 nie pozwoli na osiągnięcie wartości EP < EPmaks.
Wariant 5 (Gaz / solar)
Istotną próbą poprawienia wyników z wariantu 4 jest zastosowanie w wariancie 5 termicznych kolektorów słonecznych. Termiczny układ z kolektorami słonecznymi dostarcza w skali roku 60% ciepła potrzebnego do przygotowania c.w.u., a jego praca wymaga dodatkowej pomocniczej energii elektrycznej. Zastosowanie kolektorów słonecznych w budynku w przypadku WT 2017 pozwala obniżyć zapotrzebowanie energii pierwotnej poniżej dopuszczalnego EPmax. Zastosowanie dodatkowych wymogów izolacyjnych ze standardu NF 40 pozwoli bez problemu na osiągnięcie wartości EP < EPmaks również dla WT 2021
Wariant 6 (pompa ciepła P/W)
W wariancie 6 (PC A/W) zastosowanie powietrznej pompy ciepła z instalacją ogrzewania podłogowego pozwala spełnić wymagania WT 2017. Niskie zapotrzebowanie energii końcowej EK wynika ze stosunkowo wysokich współczynników SCOP. Pompa ciepła zasilana jest energią elektryczną z sieci energetycznej, co podnosi zapotrzebowanie energii pierwotnej (wi = 3,0). Mimo to jest ona wygodnym, bezobsługowym i tanim w eksploatacji źródłem ciepła, którego pracy nie towarzyszy żadna niska (lokalna) emisja zanieczyszczeń powietrza. Zastosowanie dodatkowych wymogów izolacyjnych ze standardu NF 40 pozwoli bez problemu na osiągnięcie wartości EP < EPmaks również dla WT 2021.
Wariant 7 (gruntowa pompa ciepła)
Wyższą średnioroczną wartość efektywności SCOP charakteryzują się pompy ciepła typu solanka/woda czerpiące ciepło z energii geotermalnej (o niskiej entalpi). Zastosowanie takiego rozwiązania w wariancie 7 (PC B/W) pozwala przede wszystkim spełnić wymagania WT 2017. Gruntowa pompa ciepła zapewnia wyższe SCOP od powietrznej pompy ciepła. Wymaga ona jednak dodatkowego nakładu finansowego na wykonanie pionowego czy poziomego dolnego źródła ciepła. Atutem jest to, że trwałość dolnego źródła wynosi ponad 50 lat (nawet 80-100 lat), a dzięki funkcji chłodzenia pasywnego (bez pracy sprężarki) może maksymalnie obniżyć koszty chłodzenia budynku. Zastosowanie wymogów izolacyjnych ze standardu NF 40 z pewnością pozwoli bez problemu na osiągnięcie wartości EP < EPmaks
Wariant 8 (pompa ciepła P/W +PV)
Sposobem na ograniczenie niekorzystnego wpływu zasilania pompy ciepła energią elektryczną z sieci niewątpliwie jest zastosowanie w budynku systemu fotowoltaicznego. W wariancie 8 uwzględniono powietrzną pompę ciepła z systemem fotowoltaicznym, pokrywającym 30% sezonowego zapotrzebowania energii elektrycznej. W wariancie tym budynek osiąga granicę EP w standardzie WT 2017 i WT 2021.
Wnioski po analizie
W ostatnich latach wymagania dotyczące oszczędności energii w budynkach istotnie się zaostrzyły. Z pewnością będą się dalej zaostrzać w bliskiej przyszłości. Warunki Techniczne 2021 wymuszą istotne zmiany, nie tylko w obudowie termicznej budynku, ale również w systemach c.o., chłodzenia, c.w.u. i wentylacji.
Niestety, samo spełnienie minimalnych wymagań WT odnośnie do obudowy termicznej budynku nie zagwarantuje spełnienia warunku EP.
Już obecnie, zgodnie z WT 2017. nie można w wielu domach formalnie zastosować kotła węglowego lub kondensacyjnego kotła gazowego.
Aby spełnić wymagania EP przy zastosowaniu pompy ciepła (EPmaks ≤ 95 kWh/(m2 rok) wg WT 2017 lub EPmaks ≤ 70 kWh/(m2 rok) wg WT 2021), warto zastosować dla budynku wymogi izolacyjności z programu NF 40 lub standardu budynków pasywnych.
Obliczenia wskazują, że z pewnością możliwe jest stworzenie budynku zeroenergetycznego, a nawet plus energetycznego z wykorzystaniem pomp ciepła. Istotne jest to, że układy fotowoltaiczne obniżają zapotrzebowanie nieodnawialnej energii końcowej do napędu pompy ciepła i urządzeń pomocniczych. Coraz niższe ceny modułów PV oraz istniejący system opustu z pewnością korzystnie wpływają na popularność ich stosowania.
Z pewnością bardzo dobrym rozwiązaniem są energooszczędne rozwiązania w bryle budynku, połączone z nowoczesnymi rozwiązaniami w zakresie źródeł energii, instalacji płaszczyznowych, rekuperacji oraz pozostałych instalacji.