Zmiany klimatyczne a wymagania izolacyjności cieplnej

Prace nad przyczynami i skutkami zmian klimatycznych prowadzone są od ponad dwóch dekad (od 1988 r.) przez społeczność międzynarodową pod auspicjami Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO) oraz Programu Środowiska Narodów Zjednoczonych (UNEP) w ramach Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatycznych (IPCC).

Działalność IPPC

IPCC zajmuje się monitoringiem publikacji naukowych i syntezą wiedzy dotyczącej zmian klimatu, konsekwencji tych zmian, adaptacji do nich i możliwości przeciwdziałania ich skutkom. Wśród ekspertów IPCC są również polscy naukowcy: profesorowie Zbigniew Kundzewicz, Zdzisław Kaczmarek, Mirosław Miętus i Piotr Tryjanowski. W 2007 r. zespół IPCC wspólnie z Alem Gore’em (byłym wiceprezydentem USA) otrzymał Pokojową Nagrodę Nobla za badania nad klimatem i konsekwencjami jego zmian.

W nieregularnych kilkuletnich odstępach IPPC publikuje zbiorcze raporty ze swoich prac. Ostatni raport (nr 4 [1]) został opublikowany w 2007 r. Obecnie trwają prace nad 5. raportem, które mają się zakończyć w latach 2013–2014 r.

W dotychczasowych raportach można zauważyć proces zmiany wniosków polegający na podkreślaniu coraz większego negatywnego wpływu człowieka na środowisko. W pierwszym raporcie pisano „o niewielkim świadectwie odróżnialnego wpływu człowieka na klimat”. W ostatnim można znaleźć informację, że „większość zaobserwowanego wzrostu średniej temperatury globalnej od połowy XX w. jest bardzo prawdopodobnie (ponad 90%) spowodowana wywołanym przez człowieka wzrostem stężenia gazów cieplarnianych”.

Lata testowe w obliczeniach energetycznych

W symulacjach energetycznych od lat wykorzystuje się uśrednione parametry klimatyczne, takie jak: promieniowanie słoneczne (bezpośrednie i rozproszone), temperaturę powietrza zewnętrznego, wilgotność, prędkość wiatru i jego kierunek. Przy czym uśrednienie może mieć różne kroki czasowe (np. godzinę, miesiąc), z reguły dostosowane do algorytmu obliczeniowego.

Istotnym zagadnieniem w obliczeniach energetycznych jest reprezentatywność danych klimatycznych. Dąży się do tego, by dane do obliczeń były jak najbliższe typowym przebiegom zmienności parametrów klimatycznych. Określenie wiarygodnego roku referencyjnego wymaga danych z przynajmniej 30-letnimi ciągami pomiarów tych parametrów. Typowy rok meteorologiczny do obliczeń energetycznych ISO został opracowany przez International Organization for Standardization i zaakceptowany przez CEN jako norma EN ISO 15927-4:2005 [2].

Roczny ciąg danych pogodowych do obliczeń energetycznych tworzony jest na podstawie 12 mies. wybranych z okresu min. 10 lat obserwacji meteorologicznych danej lokalizacji. Rekomenduje się trzydziestoletni ciąg pomiarów. Wyboru miesiąca dokonuje się przez wyznaczenie z wielolecia 3 mies., dla których suma statystyk Finkelsteina-Schafera natężenia całkowitego promieniowania słonecznego, temperatury termometru suchego i wilgotności względnej jest najmniejsza. Spośród tych 3 mies. jako najlepszy wybiera się ten, w którym odchylenie średniej prędkości wiatru od miesięcznej średniej wieloletniej jest najmniejsze. Wiele krajów do dzisiaj nie ma odpowiednich ciągów danych pomiarowych. Wyjściem z tej sytuacji są pseudolosowe generatory wzajemnie powiązanych parametrów klimatycznych. W Polsce takie generatory zostały opracowane w latach 90. przez Aleksandra D. Panka [3] i Piotra Narowskiego [4]. Za granicą najczęściej do tego celu używany był program ­MeteoNorm.

W obecnej sytuacji wymienione generatory mogą być wykorzystane do symulacji przyszłego klimatu, który ukształtuje się w wyniku zmian klimatycznych. W tym celu w kilku ośrodkach naukowych odtwarza się lokalne typowe przebiegi parametrów klimatycznych na podstawie wyników obliczeń uzyskanych z ogólnych globalnych modeli cyrkulacji atmosferyczno-oceanicznych (AOGCM).

W dalszej części pracy na potrzeby obliczeń wykorzystano typowe lata meteorologiczne zamieszczone na stronie Ministerstwa Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej. Założono, że w wyniku zmian klimatycznych wzrośnie temperatura powietrza zewnętrznego odpowiednio średniorocznie o 2 i 4°C w stosunku do temperatury aktualnej. Podstawą tego założenia jest niezmienność promieniowania słonecznego docierającego do granicy atmosfery (stała słoneczna w ciągu ostatnich kilkuset lat nie ulegała istotnym zmianom). Energia kumulowana w atmosferze i ziemi odpowiada za wzrost temperatury, co wobec braku danych dotyczących przyszłego zachmurzenia powoduje, że przyszły klimat (w 2060 r.) będzie charakteryzował się podobnymi wartościami promieniowania bezpośredniego i ­rozproszonego oraz odpowiednio przesuniętymi o 2–4°C wartościami temperatury powietrza zewnętrznego. Oczywiście jest to założenie upraszczające, które powinno zostać sprawdzone z wykorzystaniem symulatorów klimatu pracujących na danych zagregowanych podawanych w raportach IPCC [1].

Eksperyment obliczeniowy

Z prezentowanego eksperymentu obliczeniowego płyną łatwe do przewidzenia wnioski – zwiększenie zapotrzebowania na chłodzenie i zmniejszenie zapotrzebowania na ogrzewanie. Znacznie ciekawsze są jednak rozważania dotyczące kosztów i konsekwencje wynikające z tych obliczeń dla przyszłych wymagań energetycznych, którym mają odpowiadać budynki. Jest to obecnie szczególnie ważne, gdyż w związku z koniecznością wdrażania tzw. Recastu, czyli dyrektywy 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [5], nowe wymagania mają być określane za pomocą metodyki kosztu optymalnego.

Wzrastać będą ceny energii i struktura jej zużycia. Będziemy zużywać mniej energii na ogrzewanie, a więcej na chłodzenie. Jeśli w wyniku zmian klimatu wewnętrzne warunki cieplne ukształtują się tak, że budynki mieszkalne będą wymagały chłodzenia, to powinno mieć to wpływ na formułowanie wymagań energetycznych.

Rozpatrzony został horyzont czasowy równy cyklowi życia budynku. W odniesieniu do budynków mieszkalnych jest to ok. 50 lat. Z rys. 1 wynika, że ok. 2050 r. możemy się spodziewać wzrostu temperatury globalnej o 2°C.

Obliczenia wykonano w odniesieniu do domu jednorodzinnego zaprojektowanego jako dom wolno stojący, niepodpiwniczony, parterowy z poddaszem użytkowym, o powierzchni użytkowej 104 m² i kubaturze 406 m³. Projekt przewiduje wykonanie domu w technologii murowanej z bloczków silikatowych ocieplonych styropianem lub wełną mineralną o różnej grubości, różnie ogrzewanego.

W tabeli 1 zestawiono parametry przegród zewnętrznych i systemów wentylacyjnych w odniesieniu do poszczególnych wariantów standardu energetycznego oraz dodatkowe koszty osiągnięcia danego standardu w porównaniu z wariantem referencyjnym St-1 [6]. Odnośnie do każdego z wymienionych standardów budynku obliczono zużycie energii na potrzeby ogrzewania z zastosowaniem paliw: węgla, biomasy, oleju opałowego oraz gazu. Założono, że chłodzenie realizowane będzie przy wykorzystaniu energii elektrycznej. Sprawność całkowita systemu ­ogrzewania została przyjęta zgodnie z rozporządzeniem Ministra Infrastruktury w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku [7] (założono brak bufora ciepła w systemie ogrzewczym) η_T = η_P η_d η_r. Wartości s­kładowe wybierano z górnej granicy zakresu. W rezultacie przyjęto następujące wartości sprawności: 0,8; 0,7; 0,88; 0,95 odpowiednio dla: węgla, biomasy, oleju opałowego i gazu. W wypadku chłodzenia przyjęto, że do wyprodukowania 1 kWh chłodu potrzeba 0,5 kWh energii elektrycznej. Obliczenia energetyczne wykonano za pomocą algorytmu symulacji godzinowych 6R1C [6]. Wyniki uzyskane w odniesieniu do wybranych nastaw temperatury wewnętrznej 20°C (zima) i 25°C (lato) wskazują, że w roku referencyjnym (a więc w odniesieniu do aktualnych warunków klimatycznych oznaczonych jako Klimat 0) utrzymanie komfortu cieplnego wymaga chłodzenia budynku. W rzeczywistości chłodzenie mechaniczne bardzo rzadko występuje w budynkach mieszkalnych w Polsce. Nadmiar ciepła usuwany jest przez przewietrzanie lub blokowanie dostępu promieniowania słonecznego.

Następnie obliczono zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia w roku referencyjnym plus 2°C (Klimat +2) i roku referencyjnym plus 4°C (Klimat +4). W dalszych ­rozważaniach zapotrzebowanie na chłodzenie każdego z analizowanych klimatów jest różnicą obliczeniowego zapotrzebowania i zapotrzebowania dla Klimatu 0. Wynika to z obserwacji niechłodzenia współczesnych budynków mieszkalnych i konieczności wprowadzenia chłodzenia mechanicznego w wypadku wzrostu średniej temperatury.

W odniesieniu do wariantów budynku przedstawionych w tabeli 1 wykonano obliczenia rocznych kosztów ogrzewania (przy czterech systemach ogrzewania) i chłodzenia – DChł. (odjęte zostało zapotrzebowanie na chłodzenie w roku Klimat 0). Wyniki zebrano na rys. 2.
Wyniki te potwierdzają, że lepszy standard energetyczny budynku oznacza mniejsze zużycie energii. Wydatki na energię w wypadku zmian klimatycznych pozostają jednak na zbliżonym ­poziomie, ponieważ zmniejszenie kosztów na ogrzewanie jest uzupełniane zwiększonymi kosztami chłodzenia.

Koszty energii przedstawione na rys. 2 zostały porównane z kosztami marginalnymi poprawy standardu energetycznego (koszty marginalne są przeskalowane, a ich wartości z wykresu powinny być pomnożone przez 10). Z przedstawionych danych można obliczyć oszczędność energii w stosunku do wariantu St-1 i znaleźć min. sumy kosztów inwestycyjnych i oszczędności. Ta często wykorzystywana procedura służy do określenia tzw. optymalnych kosztowo wymagań energetycznych dla budynków. Rys. 3 przedstawia stosunek kosztów ogrzewania do kosztów chłodzenia w odniesieniu do analizowanych wariantów standardu energetycznego budynku.

Analiza wyników przestawionych na rys. 3 wskazuje na zmianę struktury zużycia energii i rosnący udział kosztów chłodzenia. Dla Klimatu +2 w wariancie St-1 koszty ogrzewania stanowią 20% kosztów chłodzenia, w wariancie St-11 koszty ogrzewania i chłodzenia są zbliżone. W wypadku Klimatu +4 wariant St-1 ma koszty ogrzewania równe 50% kosztów chłodzenia, a wariant St-11 – koszty równe dwu- lub trzykrotności kosztów chłodzenia. Należy przy tym pamiętać, że wartość kosztów energii maleje wraz ze standardem budynku (rys. 2).

Koszty energii i elementów budynku w cyklu jego życia

Zgodnie z dyrektywą 2010/31/UE [5] do lipca 2012 r. powinniśmy opublikować przepisy przedstawiające wymagania otrzymane metodą kosztu optymalnego (to tylko jedno z zobowiązań). Polska ma jednak wytłumaczenie na niedotrzymanie terminu. Otóż do 31 lipca 2011 r. (termin podany w dyrektywie) KE miała opublikować zakres metodyki określania kosztów optymalnych, jednak terminu nie dotrzymała. Zorganizowała natomiast kilka spotkań ekspertów w celu przedyskutowania zagadnienia. Zaawansowane projekty rozporządzenia dostępne były na stronach komisji od listopada. W styczniu 2012 r. opublikowany został kompletny projekt nowego rozporządzenia [8]. Doświadczenie pokazuje, że zostanie on przyjęty w ciągu kilku miesięcy.

W rozporządzeniu przedstawiono kryterium kosztów globalnych, zgodnie z którym kraje członkowskie mają określać wymagania optymalne. Do decyzji krajów zostawiono: stopy dyskonta, prognozy cen energii i inflacji oraz czas życia budynków [9].
Koszty globalne według dyrektywy 2010/31/UE [5] określa się zgodnie z następującymi wytycznymi:

• (1) w określaniu globalnych kosztów działania uwzględniono koszty ponoszone przez inwestorów, w tym wszystkie należne podatki, ale bez dopłat. Koszty mają być oceniane na poziomie krajowym;
• (2) globalne koszty budynków i elementów budynków są obliczane przez zsumowanie różnego rodzaju kosztów. Stosowana jest stopa dyskontowa w celu odniesienia ich do roku początkowego, następnie dodawane są koszty inwestycyjne zgodnie z zależnością poniżej:

gdzie:

Cg (τ) – koszt globalny (odniesiony do roku rozpoczęcia τ0),

CI – początkowe koszty inwestycji na działania lub pakiet działań j,

Ca,i (j) – roczne koszty eksploatacji w roku i koszty na działania lub pakiet działań j,

Rd (i) – stopa dyskonta w roku I,

Vf, τ (j) – wartość końcowa działania lub zestawu działań j na koniec okresu obliczeniowego (w odniesieniu do roku rozpoczęcia τ0), która zostanie określona przez prostą amortyzację inwestycji do końca okresu obliczeniowego w okresie rozliczeniowym. Wartość końcowa jest określana jako pozostały czas życia budynku, systemu budynku lub części budynku podzielony przez szacowaną ekonomiczną długość życia i pomnożony przez koszt odtworzenia;

• (3) koszty globalne uwzględniane przy obliczaniu poziomu kosztów optymalnych są w wypadku istniejących budynków kosztami dodatkowych inwestycji, a w odniesieniu do nowych budynków – kosztami całkowitymi;
• (4) uzyskane oszczędności energii w istniejących budynkach nie powinny być odnoszone do całkowitych kosztów wszystkich działań modernizacyjnych, tylko do prognozowanych i ograniczane do dodatkowych kosztów poprawy efektywności energetycznej istniejących budynków i elementów budowlanych;
• (5) koszty utylizacji są zawarte w odpowiednich przypadkach i można je odjąć lub dodać do wartości końcowej zgodnie z wartością procentową kosztów zawartych w załączniku A CEN 15459;
• (6) państwa członkowskie UE stosują okres obliczeniowy 30 lat w wypadku budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej, a okres obliczeniowy 20 lat do budynków handlowych oraz budynków niemieszkalnych. Państwa członkowskie powinny dążyć do stworzenia załącznika A normy EN 15459:2007 [10] na podstawie danych ekonomicznych z krajowych systemów energetycznych przy określaniu szacunkowego ekonomicznego cyklu życia systemów budowlanych, komponentów i działań. Państwo członkowskie może określić na poziomie krajowym szacowany ekonomiczny cykl życia budynku;
• (7) pod koniec okresu obliczeniowego będą brane pod uwagę koszty unieszkodliwiania lub wartości pozostałej komponentów i elementów budynku w celu ustalenia ostatecznych kosztów ponad szacunkowy ekonomiczny cykl życia budynku;
• (8) państwa członkowskie przyjmują stopę dyskonta w wysokości 3%;
• (9) państwa członkowskie są zachęcane do dostosowania wzoru obliczania kosztu globalnego w wypadku wynajmowanego budynku lub części budynku w kontekście krajowym, a także obliczeń poziomu kosztu optymalnego z uwzględnieniem w szczególności podziału korzyści i kosztów pomiędzy właściciela oraz najemcę, przy uwzględnieniu przepisów prawnych wynikających z obecnie obowiązującego prawa najemcy w sprawie 

Analiza wyników obliczeń

Celem eksperymentu obliczeniowego było zastosowanie kryterium kosztu optymalnego na potrzeby określania standardu energetycznego budynków w nowych warunkach klimatycznych. Jako zakres czasowy przyjęto 2062 r. Kryterium kosztów globalnych było modyfikacją kryterium (1):

Rozważano poprawę standardu energetycznego (tabela 1) i koszty marginalne tej poprawy (C_I). Koszty C_a,i to suma kosztów globalnych energii, remontów i eksploatacji zdyskontowanych do 2012 r. Prognozy cen energii zaczerpnięto z publikacji internetowych Międzynarodowej Agencji Energii, np. „End-use petroleum product prices and average crude oil import costs” [11] i podobnych w odniesieniu do gazu i węgla.

W obliczeniach przyjęto średnioroczne nakłady na utrzymanie izolacyjności budynku w wysokości 3,6%, na konserwację systemów technicznych – 3%, a inflację – 3,2%. W wypadku propagacji cen energii po analizie trendów obserwowanych w ostatnich 20 latach przyjęto następujące średnie roczne wartości wzrostu: 6,6%, 5%, 5,5%, 10%, 6,9% w odniesieniu do: węgla, biomasy, oleju opałowego i elektryczności, stopę dyskonta dla współczynnika Rd – 3% (pominięto odejmowanie wartości końcowej). Wyniki obliczeń zebrano w tabelach 2–4.

WNIOSKI

We wszystkich wariantach parametrów klimatycznych zmniejszają się koszty energii na ogrzewanie i chłodzenie zgodnie z poprawą standardu energetycznego budynków (rys. 2).

W odniesieniu do Klimatów +2 i +4 istnieje konieczność chłodzenia. Udział kosztów utrzymania takiej instalacji w kosztach energii wynosi od 57% do 38% (rys. 3), w zależności od paliwa.

Skumulowane i zdyskontowane koszty energii odniesione do 1 m² powierzchni zmniejszą się od 28% (Klimat +2) do 39% (Klimat +4) w stosunku do kosztów ogrzewania w Klimacie 0.

Stosunek zdyskontowanego kosztu globalnego inwestycji marginalnej/zdyskontowanego kosztu energii (ogrzewania i chłodzenia) w odniesieniu do wszystkich rodzajów ogrzewania jest najmniejszy w wariancie St-7, choć warianty sąsiednie są bliskie najlepszemu.

Zdefiniowane przez formułę (1) zadanie optymalizacyjne jest niezbyt dobrze postawione. Skumulowane zdyskontowane koszty energii są średnio kilkanaście razy mniejsze od kosztów ­inwestycji (tabele 2–4). Oznacza to, że zmiana kosztów energetycznych nie przyczynia się do znacznego wpływu na koszty globalne. Z tego powodu optymalizacja takich zadań jest utrudniona.

PODSUMOWANIE

Z przytoczonych rozważań wynika, że skumulowane koszty energii są coraz mniejsze w lepszych wariantach standardu energetycznego. Istnieje też optimum standardu odniesione do skumulowanych kosztów marginalnych inwestycji. Ważnym dodatkowym wnioskiem z przedstawionego eksperymentu obliczeniowego jest skomplikowanie procedury obliczeniowej, która zależy od wielu arbitralnie przyjmowanych wielkości. Niestety, wrażliwość optimum na te zmienne parametry jest duża, tzn. wybór innych ścieżek wzrostu cen energii i inflacji powoduje identyfikację innych niż wariant St-7 wartości. Konieczne jest więc uzgodnienie danych do obliczeń na poziomie krajowym. W wykorzystanych formułach energia eksploatacyjna jest określana w odniesieniu do wybranych parametrów nastawy, a w rzeczywistości temperatura wewnętrzna waha się w określonych granicach kategorii komfortu. Na potrzeby przepisów analiza energetyczna powinna zawierać koszty wyjścia poza zakres komfortu cieplnego. Nowoczesne budynki charakteryzują się zmiennymi wartościami parametrów termofizycznych przegród: współczynnika przenikania ciepła U i/lub współczynnika całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego g (np. w wypadku okien). Określanie jednej wartości w odniesieniu do całego roku/sezonu jest uproszczeniem. Należy raczej szukać optymalnego sterowania tymi parametrami, tak by osiągnąć minimum kosztów globalnych. Takie zadanie jest jednak znacznie trudniejsze niż przedstawione.

LITERATURA

1. S. Solomon, D. Qin, M. Manning et al., „Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change”, IPCC Fourth Assessment Report, Cambridge University Press, Cambridge 2007.
2. EN ISO 15927-4:2005, „Hygrothermal performance of buildings. Calculation and presentation of climatic data. Part 4: Data for assessing the annual energy for cooling and heating systems”.
3. P. Narowski, „Metodyka wyznaczania klimatycznych warunków obliczeniowych dla instalacji ogrzewczych z uwzględnieniem dynamiki cieplnej budynków”, praca doktorska, Politechnika Warszawska, Warszawa 2001.
4. A.D. Panek, „Modelowanie wybranych parametrów klimatu zewnętrznego w zastosowaniu do zagadnień fizyki budowli”, „Prace naukowe Politechniki Warszawskiej”, z. 12/1992.
5. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (DzUrz L 153 z 18.06.2010, s. 13–35).
6. P. Narowski, M. Mijakowski, A. Panek et al., „Integrated energy simulation method – principles, verification and application”, CLIMA 2010, 10th REVA World Congress „Sustainable Energy Use in Buildings”, 9–12 May 2010, Antalya, Turkey.
7. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno­‑użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU z 2008 r. nr 201, poz. 1240).
8. Supplementing Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council on the energy performance of buildings (recast) by establishing a comparative methodology framework for calculating cost-optimal levels of minimum energy performance requirements for buildings and building elements, www.europa-nu.nl/id/viw960ztjvpp/commission_delegated_regulation_eu_n_of.
9. A. Panek, „Wymagania dotyczące ochrony cieplnej budynków ustalone metodą kosztów optymalnych”, „Materiały Budowlane”, nr 1/2012, s. 4–9.
10. EN 15459:2007, „Energy performance of buildings. Economic evaluation procedure for energy systems in buildings”.
11. International Energy Agency, „End-use petroleum product prices and average crude oil import costs”, December 2011, www.iea.org.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!